侯俊凱,劉 冰,崔建軍,魏晉和,陳 愷,張 鵬,李學(xué)峰
(1.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院,山東青島266590;2.中國計量科學(xué)研究院,北京100029;3.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津300072;4.國電電力發(fā)展股份有限公司,北京600795)
光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,F(xiàn)BG)應(yīng)變傳感器(簡稱FBG傳感器)是以光纖為介質(zhì),對測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變以光信號的變化輸出的新型傳感器。它具有柔性好、安裝輕便、抗電磁干擾能力強、動態(tài)范圍大、靈敏度高及可以分布式測量的優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用在健康監(jiān)測、市政工程、石油工程、智能材料等領(lǐng)域[1~4]。
考慮到FBG傳感器目前的應(yīng)用需求廣泛,但在測量精度方面尚有待提高,生產(chǎn)廠家給出的FBG傳感器精度指標(biāo)通常不大于1%,對其進行科學(xué)合理的高精度標(biāo)定校準(zhǔn)的 技術(shù)及方法十分重要。常用的FBG傳感器標(biāo)定方法有彎曲梁實驗法(四點彎矩梁法、等強度懸臂梁法)[5,6]、試驗機拉伸法[7]和特殊專用標(biāo)定方法[8],但能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的標(biāo)定方法較少,標(biāo)定偏差很多均在5%~20%[9,10]。例如,有的彎曲梁實驗法經(jīng)仔細(xì)分析驗證后,實際得到的梁表面應(yīng)變不確定度在15%以上[11]。彎曲梁實驗法因通過梁的彎曲變形而產(chǎn)生應(yīng)變,還會存在膠粘劑和封裝基片的厚度等導(dǎo)致FBG傳感器感知的應(yīng)變大于梁表面應(yīng)變的情況[12],相應(yīng)的應(yīng)變比例放大系數(shù)估算是否準(zhǔn)確對標(biāo)定精度也有影響。同時,在梁到FBG傳感器的應(yīng)變傳遞過程中,膠層的柔性和厚度也會影響應(yīng)變的傳遞效率[13~18]。例如,陳昊等[15]得到未封裝FBG傳感器應(yīng)變靈敏為0.919 pm/×10-6,而基片式封裝的FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度為 0.822 pm/×10-6,Li H等[17]以環(huán)氧樹脂353 ND有機膠和焊錫粘接層作為膠粘劑,分別得到平均應(yīng)變傳遞效率為89.8%和99.2%。應(yīng)變傳遞效率理論機理較為復(fù)雜[19],理論模型較多,準(zhǔn)確性難于驗證估計,相對而言,有限元分析在充分獲取材料及結(jié)構(gòu)的信息條件下,也容易獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果[15,20]。至今尚缺少體系化的高精度可溯源的FBG傳感器標(biāo)定方法。
目前等強度懸臂梁法具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好,對FBG傳感器粘貼位置要求不嚴(yán)格[21],應(yīng)用較為普遍的優(yōu)點。常采用力學(xué)加載的方法實現(xiàn)梁的彎曲,從而在梁的表面產(chǎn)生應(yīng)變。由于梁的尺寸誤差及材料微觀結(jié)構(gòu)的均勻性等均會影響梁的實際力學(xué)特性,使得該種標(biāo)定方法與多項具體材料特性相關(guān),溯源困難,難以實現(xiàn)高精度。針對這些問題,本文提出一種基于多點撓度法的FBG應(yīng)變標(biāo)定的思路,通過測量等強度懸臂梁撓度的變形量來解算梁的表面應(yīng)變,避免了梁的力學(xué)特性估算不精確對梁表面應(yīng)變的測量影響,進而實現(xiàn)FBG應(yīng)變的精確標(biāo)定。
首先,設(shè)計了基于撓度法的FBG應(yīng)變測量裝置,并針對等強度懸臂梁的工作特性進行了分析;然后,采用有限元技術(shù)分析了梁受力變形時的應(yīng)變分布狀態(tài)以及應(yīng)變與撓度的相關(guān)性,還仿真分析了蝶形封裝FBG傳感器的應(yīng)變傳遞效率;最后,進行了基于撓度法的蝶形封裝FBG應(yīng)變測量試驗,給出了整套體系化的不確定度評定方法。
應(yīng)變測量裝置如圖1所示。等強度懸臂梁是鋼材料,其彈性模量范圍為190~220 GPa,受力后其表面會產(chǎn)生應(yīng)變;水平儀用于確定梁的水平狀態(tài);砝碼的精度等級為M1級,共5個,每個砝碼的重量為5.00 N,用于改變梁的受力狀態(tài)和產(chǎn)生應(yīng)變;精密位移計由測頭和信號處理系統(tǒng)組成,分辨力為1 nm,在其量程25 mm內(nèi),示值誤差為±0.1 μm,用于測量梁的撓度和厚度,且能夠在等強度懸臂梁的任意位置處進行撓度測量;FBG傳感器粘貼在梁上,用于測量梁的表面應(yīng)變;FBG解調(diào)儀的波長準(zhǔn)確度為1 pm,波長范圍為1 510~1 590 nm,可以讀取FBG傳感器的輸出波長值。
圖1 應(yīng)變測量裝置圖Fig.1 Strain measuring device drawing
裝置的優(yōu)勢在于砝碼與精密位移計結(jié)合能夠得到梁在應(yīng)變測量時的彈性模量,可為應(yīng)變傳遞過程提供更為精確的應(yīng)變傳遞效率,進而提高標(biāo)定的準(zhǔn)確程度。
FBG傳感器的應(yīng)變特性采用等強度懸臂標(biāo)定時,需要先根據(jù)梁的尺寸及材料參數(shù)及加載載荷量等,對其表面應(yīng)變進行理論分析,然后通過FBG傳感器波長變化來反映FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度。
2.2.1 等強度懸臂梁應(yīng)變測試原理
等強度懸臂梁的一個特點是在其載荷點上加一個載荷G后,距載荷點距離x的斷面(矩形較為常見)上的表面應(yīng)力(簡稱應(yīng)力)為恒量,且符合公式(1):
(1)
式中:bx為梁的寬度;h為梁的厚度。
對式(1)進行變換,得到:
(2)
由式(2)可知,梁的寬度bx隨距離x的變化而變化,變化的斜率為
(3)
而沿梁軸線方向的表面應(yīng)變值,即梁的表面應(yīng)變εx為:
(4)
式中:b0為梁的最大寬度值;L為梁的有效長度;E為材料的彈性模量。
由式(4)可知,對于特定的等強度懸臂梁,εx與載荷G成正比。
等強度懸臂梁上任意一點(載荷點除外)的撓度可表示為
(5)
聯(lián)立式(4)和(5),得到:
(6)
對于特定的等強度懸臂梁而言,依據(jù)式(4),即采用力學(xué)加載的方法原理,需要精確知道梁的彈性模量,但往往采用的僅是該類材料彈性模量的參考值,所以影響梁表面應(yīng)變計算的準(zhǔn)確性。
依據(jù)式(5),可以通過撓度值和相關(guān)幾何尺寸及載荷值反推得到梁的彈性模量值。
依據(jù)式(6),應(yīng)變可以通過撓度計算得到,而無需已知梁的彈性模量。這對應(yīng)變測量而言,通過精確的等強度懸臂梁的尺寸及其撓度變形量,即可以獲得εx值。
2.2.2 FBG傳感器工作機理
對于FBG傳感器,有如下關(guān)系式:
λB=2neffΛ
(7)
式中:λB是FBG發(fā)生布拉格衍射的中心波長值;Λ、neff分別是光柵的周期和有效折射率。
不考慮溫度影響的情況下,應(yīng)變與波長可由式(8)線性關(guān)系描述[19]:
=(1-pe)ε
(8)
式中:Δλ為波長變化量;p11,p12均為光纖的彈光系數(shù);μg為光纖的泊松比;Pe為光纖的有效彈光系數(shù);ε為FBG傳感器的應(yīng)變。對于熔融石英光纖來說,通常取p11=0.121,p12=0.27,μg=0.17,neff=1.456。
假設(shè)中心波長為1 530 nm時,結(jié)合式(8)可得應(yīng)變靈敏度Kε=λB(1-pe)=1.20 pm/×10-6,該計算方法是從光纖光柵的光學(xué)原理得到的應(yīng)變靈敏度,與光纖光柵的材料及工藝相關(guān),且經(jīng)過封裝后的FBG傳感器的性能又會發(fā)生變化,因此,Kε的標(biāo)定需要通過特定的應(yīng)變測量裝置實現(xiàn)。式(8)也可以寫為
Δλ=Kεε
(9)
式(9)為經(jīng)應(yīng)變測量裝置后通過基體(如等強度懸臂梁)的表面應(yīng)變進而得到FBG傳感器的感知應(yīng)變,從而標(biāo)定得到FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度,由于Δλ與ε成線性關(guān)系,而等強度懸臂梁的表面應(yīng)變與載荷成正比,因此,可以通過加載一系列載荷改變梁的表面應(yīng)變和FBG傳感器的應(yīng)變來標(biāo)定FBG傳感器。
2.2.3 FBG感知應(yīng)變計算原理
當(dāng)FBG傳感器粘貼于等強度懸臂梁的工作表面上,由于梁的彎曲會導(dǎo)致FBG傳感器實際的應(yīng)變比梁的表面應(yīng)變大。參照文獻[13,19]中的計算方法,得到應(yīng)變比例放大系數(shù)α:
(10)
又由于FBG傳感器的柔性組件以及粘貼膠層的柔性,使得FBG傳感器的應(yīng)變感知力降低,故采用應(yīng)變傳遞效率β表示。
考慮上述參數(shù),給出FBG傳感器感知的應(yīng)變值與相應(yīng)的梁表面應(yīng)變具有如下關(guān)系:
ε=βαεx
(11)
首先采用Abaqus軟件對梁的整體結(jié)構(gòu)的撓度、應(yīng)變等進行有限元分析,驗證撓度法的準(zhǔn)確性;其次根據(jù)實際測量得到的相關(guān)參量,進一步精確建模和仿真來研究FBG傳感器的應(yīng)變傳遞過程。
要實現(xiàn)FBG應(yīng)變高精度標(biāo)定,需要找到梁上理論公式無法得到的應(yīng)變分布均勻的區(qū)域,并對撓度法應(yīng)變測量的準(zhǔn)確性進行分析。
3.1.1 建模及仿真
根據(jù)梁的幾何尺寸及材料特性,表1為梁的仿真用的結(jié)構(gòu)材料參數(shù),依據(jù)參數(shù)對梁建模。等強度梁右端斷面設(shè)置固定約束,左端載重,創(chuàng)建載荷點與附近表面進行耦合,通過施加集中力來模擬梁的載荷加載過程。
表1 梁仿真的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of beam for simulation
開啟分析步模塊中的幾何非線性來對等強度懸臂梁在載荷作用下產(chǎn)生位移和變形等非線性效應(yīng)過程進行精確分析。劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。
圖2 等強度懸臂梁網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid division drawing of cantilever beam of equal strength
仿真發(fā)現(xiàn),理論上一定載荷下梁的表面的應(yīng)變是相等的,但實際過程中,由于梁的外觀結(jié)構(gòu)等因素,導(dǎo)致了非均勻的應(yīng)變區(qū)域的出現(xiàn)。如圖3為載荷G=20.00 N時,192.0~196.0 μm/m的應(yīng)變區(qū)域云圖,可以看到不均勻區(qū)域主要集中在固定端附近,沿中軸線的長度約占梁有效長度的1/4。
圖3 G=20.00 N時應(yīng)變區(qū)域192.0~196.0 μm/m云圖Fig.3 Shows the distribution pattern of 192.0~196.0 μm/m when G=20 N
通過圖3可以較為精確地獲得梁表面各點的應(yīng)變分布情況。
3.1.2 應(yīng)變仿真分析
仿真也可以查看不同載荷下的表面應(yīng)變情況。表2為不同載荷下表面應(yīng)變的理論計算值和仿真數(shù)值的對比,結(jié)果具有一致性。
表2 理論應(yīng)變與仿真應(yīng)變對比Tab.2 Comparison of theoretical and simulated strain
圖4給出G=20.00 N時梁的表面應(yīng)變分布圖,在彈性變形范圍之內(nèi),其它載荷下梁的表面應(yīng)變的分布狀況均與圖4類似。
圖4 G=20.00 N時表面應(yīng)變分布圖Fig.4 Surface strain distribution when G=20.00 N
3.1.3 撓度仿真分析
撓度隨著距載荷點的位置變化而變化。因此對撓度仿真表現(xiàn)為不同載荷下固定點分析和一定載荷下的不同位置分析。
圖5為載荷G為0.00 N、5.00 N、10.00 N、15.00 N、20.00 N、25.00 N時,等強度懸臂梁的撓度云圖。
圖5 不同載荷下梁的仿真撓度云圖Fig.5 Simulated deflection cloud diagram of beam under different loads
分析發(fā)現(xiàn):在特定位置x=75.00 mm處,在不同載荷下,得到梁的系列仿真撓度值,將它們帶入理論公式(6),計算得到仿真撓度值對應(yīng)的應(yīng)變值,見表3。對比表2應(yīng)變結(jié)果,容易發(fā)現(xiàn)3者結(jié)果相近。
表3 x=75.00 mm,仿真撓度及相應(yīng)計算的應(yīng)變值Tab.3 x=75.00 mm, simulation deflection and corresponding calculated strain value
其次,選擇一定載荷下不同位置的撓度進行分析。仍以G=20.00 N為例,也將仿真撓度值與帶入理論公式(6)計算得到的相應(yīng)應(yīng)變值, 見表4, 并進行分析。排除梁因結(jié)構(gòu)等方面存在應(yīng)變結(jié)果的微小差異以及應(yīng)變不均勻區(qū)域(x=345.0 mm)外,各點處撓度對應(yīng)的應(yīng)變值與表2中載荷為20.00 N的理論應(yīng)變和仿真應(yīng)變相近,符合等強度懸臂梁的工作特性。
表4 G=20.00 N,距加載點不同的撓度仿真分析Tab.4 G=20.00 N, simulation deflection analysis of different distance from loading point
3.2.1 建模參數(shù)
精確測量了FBG應(yīng)變傳遞過程中相關(guān)參量的幾何尺寸,并結(jié)合梁、蝶形封裝基片、膠、光纖的力學(xué)特性等的估算,給出的相關(guān)建模參數(shù)如表5所示。
表5 應(yīng)變傳遞過程中影響參量的實際值Tab.5 Dimensions and structural parameters of beams
3.2.2 應(yīng)變傳遞仿真分析
圖6為G=20 N,F(xiàn)BG傳感器局部仿真放大圖。
圖6 G=20 N,F(xiàn)BG傳感器局部仿真放大圖Fig.6 G=20 N, local simulation magnification of FBG sensor
蝶形封裝FBG傳感器兩端部分為膠粘區(qū)域,中間是包含光纖光柵節(jié)的應(yīng)變感知光纖段,仿真得到的FBG傳感器應(yīng)變即此處的中間部分的應(yīng)變平均值。對其進行仿真后發(fā)現(xiàn):兩個長方形槽內(nèi)側(cè)與光纖光柵節(jié)的感知光纖段是應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域。FBG傳感器兩端應(yīng)變值(標(biāo)距范圍之外)很小,取中間應(yīng)變均勻區(qū)域研究,得到FBG傳感器的平均應(yīng)變?yōu)镕BG傳感器的應(yīng)變值。仿真得到如圖7所示不同載荷下的梁表面到FBG傳感器的應(yīng)變傳遞效率在96.2%~96.5%之間,平均應(yīng)變傳遞效率為96.32%。
圖7 不同載荷下FBG應(yīng)變傳遞過程仿真圖Fig.7 FBG strain transfer process simulation under different loads
應(yīng)變測量裝置調(diào)整圖如圖8所示。調(diào)節(jié)底座垂直旋鈕,使水平儀的氣泡居中,并將FBG傳感器粘貼于應(yīng)變均勻區(qū)域。
圖8 應(yīng)變測量裝置調(diào)整圖Fig.8 Strain gage adjustment diagram
環(huán)境溫度在24.5 ℃,實驗過程中的溫度變化小于0.2 ℃。實驗開始前,用精密位移計測得梁的厚度;實驗過程中,精密位移計測得的數(shù)值穩(wěn)定性約為0.01 μm。
實驗1:保持載荷G=20.00 N不變,進行不同位置撓度的測量實驗。選擇不同的撓度測量位置,記錄下測得的撓度值,同時用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測量精密位移計測頭至載荷加載點(即x)的距離值。
實驗2:保持精密位移計的測量位置不變,在不同載荷下測量各點的撓度和FBG傳感器的波長值。載荷由0加載至25.00 N的過程中,每次加入載荷后,待懸臂梁相對穩(wěn)定后,記錄下精密位移計測得的撓度值與數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測得的x值,同時記錄下計算機顯示的波長值,重復(fù)測量3次,完成實驗數(shù)據(jù)的采集。
首先分析載荷一定時,不同測量位置的撓度值,通過計算撓度得到梁的應(yīng)變值。然后在不同載荷下,對某固定位置進行撓度測量,通過計算撓度得到的應(yīng)變值,進一步分析得到FBG傳感器的應(yīng)變。
4.2.1 不同位置的撓度分析
圖9為在G=20 N時,不同位置的彈性模量E的計算撓度值與實驗撓度值結(jié)果比較??梢钥闯鰔在250.0~350.0 mm附近測得的撓度值偏大,印證了仿真的應(yīng)變不均勻區(qū)域。
圖9 G=20 N,不同位置的撓度分析Fig.9 G=20 N, deflection analysis of different positions
由于實驗過程中載荷加載點和精密位移計的測頭位置難以精確測量,導(dǎo)致x的測量誤差偏大。為減小此處的誤差,進一步對撓度測量位置展開研究發(fā)現(xiàn):越靠近載荷點處,x點的位置偏差對應(yīng)變測量結(jié)果的影響越小。比如對比x=75.0 mm與x=217.2 mm處兩點測得的撓度值,當(dāng)x變化為±1.0 mm 時,經(jīng)式(6)計算得應(yīng)變變化范圍分別為5.7 μm/m和2.8 μm/m。因此,為減小x位置引起的應(yīng)變誤差,撓度測量點選擇了距載荷加載點近的位置,故進一步選擇x=75.0 mm處進行不同載荷下的撓度測量實驗。
4.2.2 不同載荷的撓度分析
在不同載荷下,對x=75.0 mm位置處測得的3組撓度值分析。圖10是測量的3組撓度與撓度測量線的偏差隨載荷的變化情況。
圖10 不同載荷下測量的3組撓度值Fig.10 Three sets of deflection values measured under different loads
圖11是根據(jù)力學(xué)加載的方法計算得到的梁表面應(yīng)變及由3組撓度擬合計算得到的梁的表面應(yīng)變對比圖,圖中測量撓度計算擬合直線為y=9.918 198 6x-0.026 535 0,相關(guān)系數(shù)達0.999 999 8。
圖11 理論計算及撓度測量的應(yīng)變結(jié)果對比Fig.11 Comparison of calculation results of elastic modulus and deflection
由于力學(xué)加載的方法必須先精確得到梁的彈性模量,但彈性模量作為材料的一種特性,并非是固定值,它會隨環(huán)境溫度以及疲勞過程發(fā)生改變,且精確測量梁的彈性模量也較為困難。相對而言,撓度法可以在彈性模量未知的情況下直接獲得梁的表面應(yīng)變值,故撓度法優(yōu)勢明顯,且根據(jù)式(5),可反推出該梁的彈性模量E=203.8 GPa。
FBG傳感器應(yīng)變測量結(jié)果需要對膠粘劑、封裝基片、光纖等微觀結(jié)構(gòu)進行精密的測量,因此使用影像儀測得梁與蝶形基片之間粘接膠的厚度、光纖下表面到蝶形基片的槽底的距離、光纖的半徑、蝶形基片的厚度、蝶形基片上的槽深、標(biāo)距。圖12為光纖在影像儀下的測量過程圖,在該儀器下光纖清晰可見。
圖12 光纖在影像儀下的測量圖Fig.12 Fiber under image instrument measuring
實驗中撓度法計算得到梁表面應(yīng)變,應(yīng)變比例放大系數(shù)α=1.231 5,仿真得到的平均應(yīng)變傳遞效率β=96.32%,經(jīng)式(11)計算得FBG傳感器應(yīng)變。表6為FBG傳感器應(yīng)變的測量結(jié)果圖。
表6 FBG傳感器應(yīng)變測量結(jié)果Tab.6 Strain measurement results of FBG sensor
將FBG傳感器測得的波長數(shù)據(jù)用最小二乘法對FBG傳感器應(yīng)變進行擬合,得到該FBG的應(yīng)變靈敏度為1.442 pm/×10-6。
4.4.1 測量模型及不確定度分量分析
提出針對FBG傳感器在等強度懸臂梁上使用基于撓度法的應(yīng)變標(biāo)定模型,由式(6)、式(9)、式(11)可得測量模型為
(12)
分析認(rèn)為測量不確定度分量主要有梁的表面應(yīng)變εx、應(yīng)變比例放大系數(shù)α、應(yīng)變傳遞效率β、波長變化量Δλ等4項。
式(12)中,εx的相關(guān)不確定度分量包括梁的厚度、撓度待測點到固定端距離;α的相關(guān)不確定度分量包括梁與基片之間粘接膠的厚度、光纖下表面到基片的槽底的距離、光纖的半徑、基片的厚度、基片上的槽深、梁的厚度等;β與被測傳感器的安裝方式等相關(guān),例如,膠粘方式或焊接方式。其中膠粘方式則需考慮膠層厚度及材料等參數(shù),甚至也包括應(yīng)變傳遞過程及其機理,考慮標(biāo)定與應(yīng)用的狀態(tài)一致,該項誤差的不確定度主要是由被測傳感器安裝誤差引入。如果是焊接方式,則β的取值范圍可以接近于1,對于實驗采用的FBG傳感器,采用應(yīng)變傳遞理論、有限元仿真及實驗數(shù)據(jù)綜合估算該實驗得到β的不確定度約為U=0.1%,k=2,不同安裝情形的FBG傳感器應(yīng)變傳遞效率β的不確定度可能會有較大差異。Δλ與解調(diào)儀解調(diào)得到的波長值有關(guān)。
4.4.2 不確定度的合成與擴展
具體不確定度的各個分量見表7。對式(12)各分量求偏導(dǎo)并計算。其中εx的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度滿足式(13):
表7 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表Tab.7 Standard uncertainty list
(13)
FBG傳感器應(yīng)變的相對擴展不確定度為:
=0.13%
(14)
根據(jù)式(12)計算FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度Kε的相對不確定度為(k=2):
(15)
本文研究了基于撓度分析的FBG傳感器在等強度懸臂梁上的的應(yīng)變測量方法。通過對梁進行仿真,得到了不同載荷下的撓度和應(yīng)變分布情況,驗證了撓度測量方法的準(zhǔn)確性。然后設(shè)計了撓度法的FBG傳感器應(yīng)變測量裝置并進行了實驗,對撓度法測量得到的梁的表面應(yīng)變進行分析,反推出梁的彈性模量,并對梁的撓度、膠層厚度、標(biāo)距等重要參數(shù)進行了精確的測量。使用以上測得的相關(guān)參數(shù)來進行建模和有限元仿真,結(jié)合計算分析得到FBG傳感器的應(yīng)變,最后對撓度法標(biāo)定FBG傳感器的結(jié)果進行了不確定度評定,取包含因子k=2,得到FBG傳感器應(yīng)變靈敏度的相對擴展不確定度<0.5%。該方法為高精度的FBG傳感器應(yīng)變測試的精度評定提供了技術(shù)支持。