柴葳，郝慶瑞，寶劍光，2

1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西西安710065

2.英國(guó)諾丁漢大學(xué)，英國(guó)諾丁漢NG72RD

近年來(lái)，隨著高超聲速飛行器的快速發(fā)展，對(duì)地面結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度模擬試驗(yàn)技術(shù)提出了更高的要求。出于安全原因，必須進(jìn)行大量且嚴(yán)格的地面試驗(yàn)，以評(píng)估這些高超聲速材料和結(jié)構(gòu)的隔熱性能和位移/應(yīng)變響應(yīng)。作為結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度試驗(yàn)中不可或缺的一環(huán)，高溫下的物理量（如位移、溫度、應(yīng)變、熱流等）測(cè)試技術(shù)也隨之成為研究的重點(diǎn)。特別是在高溫環(huán)境下的應(yīng)變測(cè)量更一直以來(lái)是困擾相關(guān)研究人員的難題[1,2]。傳統(tǒng)上，使用黏結(jié)或焊接在測(cè)試樣品上的傳統(tǒng)電阻應(yīng)變儀測(cè)量曝露于外部環(huán)境的材料的高溫應(yīng)變。然而，這種方法受到應(yīng)變片絲柵的耐溫極限和粘貼劑的耐溫能力所限制，在工程試驗(yàn)中僅實(shí)現(xiàn)了平面金屬基底最高溫度800℃的高溫應(yīng)變，且誤差較大，標(biāo)準(zhǔn)梁上安裝的應(yīng)變計(jì)測(cè)量精度僅為20%～30%[3,4]。

光纖光柵傳感技術(shù)就是以利用反射波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)變和壓力等物理量的敏感特性的光纖傳感器為基礎(chǔ)的一種新型傳感技術(shù)。20世紀(jì)70年代末，K.O.Hill等利用駐波寫(xiě)入法制作了第一根光纖光柵。但是直到20世紀(jì)80年代末，隨著W.W.Morey和G.Metltz為首的研究學(xué)者們不斷改進(jìn)光纖光柵的寫(xiě)入裝置與工藝，迅速提升了光纖光柵的制作效率、降低了生產(chǎn)成本[5]。同時(shí)他們首次提出光纖光柵對(duì)外界環(huán)境施加的溫度、應(yīng)變表現(xiàn)出規(guī)律性敏感的相關(guān)研究，挖掘了光纖光柵作為傳感器的潛在應(yīng)用價(jià)值，由此開(kāi)辟了光纖光柵應(yīng)用于傳感方面的新領(lǐng)域。光纖光柵從而迅速成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。光纖傳感器作為新一代的智能傳感技術(shù)，具備質(zhì)量輕、體積小、抗電磁干擾、便于組網(wǎng)、耐高低溫、易于嵌入且與復(fù)合材料纖維親和性兼容性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力等多種參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[6-10]。

本文針對(duì)地面熱強(qiáng)度試驗(yàn)需求，引入了一種可實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變同步測(cè)量的集成光纖傳感器，首次在實(shí)際工程環(huán)境中使用該新型結(jié)構(gòu)開(kāi)展了800℃高溫下的溫度應(yīng)變實(shí)時(shí)同步測(cè)量可行性探索研究，并將試驗(yàn)與相同條件下的數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)得的應(yīng)變值進(jìn)行了對(duì)比。

1 光纖光柵傳感器

光纖沿徑向從里到外分為纖芯、包層和涂履層三部分，光纖光柵是用特殊的紫外光照射工藝，光纖纖芯折射率受到永久的周期性微擾而形成的一種光纖無(wú)源器件，光纖光柵能將滿足一定波長(zhǎng)條件的入射光反射。溫度和應(yīng)變的變化會(huì)引起光纖光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變的信息，這就是光纖光柵測(cè)量溫度和應(yīng)變的基本原理。

1.1 光纖光柵傳感器原理

光纖光柵是利用摻雜光纖的光敏特性，使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用，從而導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。當(dāng)光進(jìn)入光纖時(shí)，光纖光柵會(huì)對(duì)與光柵相匹配的特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行反射，而對(duì)其他波長(zhǎng)的光進(jìn)行透射。光纖光柵傳感技術(shù)就是利用反射波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)變和壓力等物理量的敏感特性并以此為基礎(chǔ)的一種新型傳感技術(shù)，其原理如圖1所示。這種傳感器的缺點(diǎn)在于單一傳感器情況下無(wú)法解耦應(yīng)變與溫度。

圖1 布拉格光纖光柵傳感器工作原理Fig.1 Working principle of Bragg fiber grating sensor

當(dāng)FBG 傳感器處于自由狀態(tài)，不受外力的影響，只感應(yīng)外界溫度的變化時(shí)，假定光纖光柵的中心波長(zhǎng)為λB，當(dāng)外界溫度變化為ΔT時(shí)，根據(jù)光纖光柵溫度傳感原理可知：

1.2 FP光纖光柵傳感器原理

光纖FP腔是在光纖內(nèi)制造兩個(gè)反射層，形成一個(gè)具有一定長(zhǎng)度的微腔，光束在兩個(gè)反射端面發(fā)生反射后原路返回，相遇并發(fā)生干涉。當(dāng)外界壓力或位移等參量發(fā)生變化時(shí)，造成微腔長(zhǎng)度的變化，從而引起干涉信號(hào)的變化，光纖FP腔就是以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于外界參數(shù)的傳感，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 非本征光纖光柵傳感器Fig.2 Non-intrinsic grating fiber optic sensor

將含F(xiàn)P腔的光纖固定在待測(cè)基體的表面，當(dāng)待測(cè)基體出現(xiàn)形變時(shí)，連接部會(huì)帶動(dòng)傳感器的腔長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，同時(shí)傳感器的干涉光譜上也會(huì)出現(xiàn)干涉峰峰值的波長(zhǎng)移動(dòng)。假定傳感器的測(cè)量標(biāo)距為L(zhǎng)，初始的FP 腔長(zhǎng)為l，由外界形變引發(fā)的腔長(zhǎng)變化為Δl。根據(jù)FP 傳感器的雙峰解調(diào)原理，設(shè)λ1，λ2分別為FP 干涉峰的相鄰兩個(gè)波峰的峰值波長(zhǎng)。根據(jù)上述描述可以得到方程組（2）：

由于解調(diào)設(shè)備具備針對(duì)FP 干涉峰相鄰波峰的實(shí)時(shí)追蹤以及實(shí)時(shí)保存的功能，則通過(guò)上述方程式可以計(jì)算求得外界的形變變化量，再通過(guò)與之前未變形的標(biāo)定腔長(zhǎng)進(jìn)行比較即可得出相對(duì)形變。

2 溫度-應(yīng)變復(fù)合傳感器

2.1 復(fù)合傳感器工作原理

根據(jù)以上分析，布拉格光纖光柵傳感器和FP光纖傳感器都存在著溫度和形變耦合問(wèn)題，在此結(jié)合兩者生成一種復(fù)合傳感器，如圖3所示。該傳感器將FBG傳感器置于FP腔中自由伸縮端，使其可自由伸縮膨脹，僅受溫度影響產(chǎn)生反射波長(zhǎng)偏移。其次將FBG的一端設(shè)置為高反射層，與腔體另一端光纖形成FP 光柵光纖傳感器，該FP 傳感器依靠高溫膠將兩端固定在試驗(yàn)件上，可隨試驗(yàn)件形變產(chǎn)生應(yīng)變，同時(shí)通過(guò)FBG測(cè)量所得的溫度再對(duì)光纖自身膨脹量進(jìn)行修正，達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)變的目的。通過(guò)復(fù)合傳感器實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變的解耦測(cè)量，可針對(duì)同一測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。

圖3 帶有FP腔的光纖FBG傳感器Fig.3 Fiber optic FBG sensor with FP cavity

2.2 復(fù)合傳感器制作安裝工藝

本課題中制作布拉格光纖光柵傳感器的方法為相位掩模法即利用光的衍射原理，將同一束光分為兩個(gè)部分且兩部分的能量、功率完全相同。兩束光經(jīng)過(guò)干涉，產(chǎn)生相同強(qiáng)度的明暗條紋，矯正折射率的變化。在石英襯底上同時(shí)結(jié)合全息曝光、電子束刻蝕，做出相應(yīng)的相位光柵，原理圖如圖4所示。

圖4 相位掩模法Fig.4 Phase mask method

非本征FP傳感器的制作方法為：由兩段切割平整的單模光纖，同軸的封裝在一段特種管道內(nèi)而成，一般是封裝在石英毛細(xì)管中。在兩段裸光纖端面間的距離精確調(diào)整后，采用膠黏或者CO2激光焊接的方式，將裸光纖和石英毛細(xì)管進(jìn)行固定。圖5為傳感器各個(gè)部分的顯微電鏡圖。

最后將金屬試件的表面打磨后用酒擦拭干凈，將準(zhǔn)備好的高溫FP-FBG傳感器粘貼于金屬試件中心位置。粘貼方式如圖6所示。

由于試驗(yàn)時(shí)采用的高溫膠固化后，用于預(yù)先固定光纖的高溫膠帶不便于取下，試驗(yàn)時(shí)將其保留在試件表面。

3 工程驗(yàn)證試驗(yàn)及可行性分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)

在輻射加熱環(huán)境下，對(duì)傳感器的考核分為對(duì)單一試驗(yàn)件上同一傳感器進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)測(cè)量，即在傳感器反復(fù)使用未損壞的前提下，針對(duì)同一試驗(yàn)件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)；和試驗(yàn)件材料相同的不同試驗(yàn)件不同傳感器進(jìn)行測(cè)試比較。

圖5 傳感器各個(gè)部分的顯微電鏡圖Fig.5 Microelectron microscopy of the various parts of the sensor

圖6 FP-FBG 傳感器粘貼方式示意圖Fig.6 FP-FBG sensor paste pattern diagram

試驗(yàn)中溫度測(cè)量的比對(duì)如下，首先對(duì)不同試驗(yàn)件上的熱電偶和FP-FBG所測(cè)得的溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖7和圖8所示。其中圖7 為第一件FBG 與熱電偶溫度對(duì)比數(shù)據(jù)，圖8為第二件FBG與熱電偶溫度對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖7 第一件FBG與熱電偶溫度對(duì)比數(shù)據(jù)Fig.7 The first FBG and thermocouple temperature comparison data

圖8 第二件FBG與熱電偶溫度對(duì)比數(shù)據(jù)Fig.8 The second FBG and thermocouple temperature comparison data

圖9 兩件溫度-應(yīng)變比數(shù)據(jù)Fig.9 Two temperature-strain ratio data

試驗(yàn)中，應(yīng)變隨溫度變化的規(guī)律如圖9所示，其中SU1為第一件FP 傳感器應(yīng)變測(cè)量結(jié)果與第一件FBG 傳感器溫度測(cè)量結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系；SU2為第二件FP傳感器應(yīng)變測(cè)量結(jié)果與第一件FBG傳感器溫度測(cè)量結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

再在試驗(yàn)件P3 上進(jìn)行兩次重復(fù)試驗(yàn)，以對(duì)比FP-FBG傳感器的重復(fù)性能，其測(cè)量結(jié)果如圖10所示。兩次重復(fù)試驗(yàn)中溫度-應(yīng)變的變化如圖11所示。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.2.1 溫度測(cè)量對(duì)比

以靠近FP-FBG 傳感器的熱電偶作為測(cè)溫的標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性。在此，分別對(duì)同一次試驗(yàn)中的三個(gè)試驗(yàn)件進(jìn)行分析，即在穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，比對(duì)熱電偶與光纖光柵傳感器的測(cè)量結(jié)果；另外在同一試驗(yàn)件上進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，即分析兩次相同條件試驗(yàn)結(jié)果。

圖10 兩次溫度測(cè)量重復(fù)性曲線Fig.10 Double temperature measurement repeatability curve

圖11 兩次重復(fù)性試驗(yàn)的溫度-應(yīng)變比數(shù)據(jù)Fig.11 Temperature-strain ratio data for two repetitive tests

表1為不同試驗(yàn)件的測(cè)量分析，這里由于僅有右上方的小板熱電偶點(diǎn)受到溫度控制，其他小板上的溫度只是客觀測(cè)量結(jié)果，同時(shí)考慮到加熱區(qū)域存在不均勻性，因此光纖光柵傳感器僅于自身小板上的熱電偶進(jìn)行對(duì)比，而不進(jìn)行不同小板之間的交叉對(duì)比。P1、P2的試驗(yàn)件規(guī)律為在200℃的測(cè)量精準(zhǔn)度最高，400℃以上的測(cè)量精準(zhǔn)度基本處于5%左右。以上測(cè)量誤差可能與光纖光柵傳感器的靈敏度標(biāo)定有關(guān)。

表1 不同試驗(yàn)件測(cè)溫比較Table 1 Comparison of temperature measurement of different test pieces

第一次試驗(yàn)后，P1 試驗(yàn)件與P2 試驗(yàn)件的傳感器折斷，由此失效，所以重復(fù)性試驗(yàn)僅針對(duì)P3 試驗(yàn)件進(jìn)行分析。表2 為兩次重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果。在此選擇P3試驗(yàn)件上焊接的熱電偶為控制熱電偶，撤出P1、P2試驗(yàn)件，在此P3試驗(yàn)件的加熱均勻性基本得以保證，F(xiàn)BG傳感器測(cè)量為客觀測(cè)量溫度。由表2可知傳感器在未損壞的前提下溫度測(cè)量的重復(fù)性非常好，除去100℃時(shí)測(cè)溫誤差較大，其他測(cè)溫誤差基本在5%的范圍內(nèi)，以上測(cè)量誤差可能由傳感器的溫度標(biāo)定而引起。

表2 相同試驗(yàn)件重復(fù)性測(cè)溫比較Table 2 Comparison of repeated temperature measurements of the same test piece

3.2.2 應(yīng)變比對(duì)

本次試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。根據(jù)表3 提供數(shù)據(jù)繪制溫度-應(yīng)變曲線，如圖12 所示。由圖12 可見(jiàn)傳感器測(cè)量的應(yīng)變隨溫度的變化一致性良好。

表3 溫度-應(yīng)變對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)Table 3 Temperature-strain correspondence data

4 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了熱強(qiáng)度試驗(yàn)中同一點(diǎn)溫度應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，建立被測(cè)點(diǎn)溫度、應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，較傳統(tǒng)應(yīng)變計(jì)測(cè)試應(yīng)變、熱電偶測(cè)試溫度的方法，降低熱電偶和應(yīng)變計(jì)不處于相同測(cè)試點(diǎn)，所帶來(lái)的誤差。

其次在光柵光纖傳感器的安裝方面，粘貼劑既需要起到將傳感器固定在基地表面的作用，無(wú)須考慮粘貼劑本身特質(zhì)，如傳遞應(yīng)變的準(zhǔn)確性、溫度造成蠕變、絕緣性能隨溫度的改變等。粘貼面積較小，無(wú)須大面積的底膠鋪設(shè)，安裝方法簡(jiǎn)單，安裝周期短。

使用石英作為制作光纖材質(zhì)，采取鍍金工藝制作光纖反射層，并通過(guò)合適的高溫退火工藝，可使傳感器的使用溫度提升到800～1000℃。這使高溫應(yīng)變的測(cè)量有了除電阻應(yīng)變計(jì)外的新的接觸式測(cè)量方法，且該測(cè)量方法較電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變有安裝簡(jiǎn)單，安裝范圍小，無(wú)須粘貼劑傳遞應(yīng)變等優(yōu)點(diǎn)。

原理樣機(jī)驗(yàn)證結(jié)果表明傳感器測(cè)試重復(fù)性良好，溫度測(cè)量準(zhǔn)確性較高，800℃環(huán)境下傳感器測(cè)量一致性良好。但傳感器在制作過(guò)程中由于多次淬火，鍍金光纖部分較為薄弱，光纖在高溫下工作時(shí)容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，后續(xù)工作將著重研究并提高該測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用穩(wěn)定性和重復(fù)性。