鄭術(shù)力，喻桂華，鄭文煒，楊霖，紀(jì)春陽(yáng)

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

引言

FBG應(yīng)變傳感器作為一種新型無(wú)源傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕以及分布測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軌道交通、石油化工、智慧制造、隧道施工、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)變形變監(jiān)測(cè)和檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。對(duì)應(yīng)變傳感器的性能測(cè)試及關(guān)鍵參數(shù)的校準(zhǔn)是其運(yùn)用于工程之前必不可少的步驟，而當(dāng)前對(duì)FBG應(yīng)變傳感器，特別是無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)研究相對(duì)較欠缺。

李慧鵬[3]等設(shè)計(jì)了一種由精度為1 μm的滑移臺(tái)和比例為1∶200的杠桿組成的針對(duì)無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器的標(biāo)定裝置，其標(biāo)定范圍為（0~1 000）με。該方法對(duì)杠桿加工的精度要求較高，精確控制相對(duì)較困難。

曹敏[4]等利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)封裝的FBG應(yīng)變傳感器兩端產(chǎn)生不同應(yīng)力，使FBG應(yīng)變傳感器產(chǎn)生應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)封裝FBG應(yīng)變傳感器的標(biāo)定。其標(biāo)定線性度達(dá)到了99.72 %，性能良好，但該方法無(wú)法對(duì)未封裝FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

鄭文昊[5]等利用等強(qiáng)度梁的原理，設(shè)計(jì)了一套考慮傳感器厚度及傳感器安裝孔應(yīng)力擾動(dòng)的應(yīng)變傳感器標(biāo)定裝置，該裝置精度可到級(jí)。該方法簡(jiǎn)單易行，但是對(duì)等強(qiáng)度梁的加工要求較為苛刻。

本文設(shè)計(jì)了一套主要由高定位精度直線電機(jī)位移裝置和激光干涉儀組成的高精度無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)。該校準(zhǔn)系統(tǒng)由高定位精度的位移裝置提供穩(wěn)定可靠的水平位移量(應(yīng)變量)，由激光干涉儀測(cè)量位移變化量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)。

1 FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量原理

光纖布拉格光柵對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性反射效應(yīng)，而FBG應(yīng)變傳感器正是基于此效應(yīng)制成的。光纖布拉格光柵具有一個(gè)中心波長(zhǎng)，而對(duì)于確定的FBG應(yīng)變傳感器，在實(shí)驗(yàn)室溫度變化為零的條件下，其中心波長(zhǎng)的漂移量可表示為[3,6]：

式中：

Kε—傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)；

ε—傳感器所受到的應(yīng)變。

由式（1）可知，在溫度恒定的條件下，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的波長(zhǎng)漂移量與應(yīng)變成線性關(guān)系。

2 基于直線電機(jī)位移臺(tái)和激光干涉儀的校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖1所示，主要由直線電機(jī)位移裝置和激光干涉儀組成。直線電機(jī)平臺(tái)上和直線電機(jī)位移裝置的基座上分別安裝有FBG應(yīng)變傳感器的安裝夾具，以便在兩夾具之間安裝無(wú)封裝的FBG應(yīng)變傳感器。這樣，直線電機(jī)平臺(tái)的移動(dòng)即可對(duì)無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的應(yīng)變量。激光干涉儀對(duì)直線電機(jī)平臺(tái)的移動(dòng)量進(jìn)行測(cè)量，即可測(cè)得加載到無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器上的應(yīng)變量高精度值。

圖1 無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

直線電機(jī)位移裝置，如圖2所示，主要由直線電機(jī)、導(dǎo)軌及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、直線編碼器（光柵尺）、驅(qū)動(dòng)器、控制器等部分組成。其中，直線電機(jī)與直線編碼器均安裝在導(dǎo)軌內(nèi)部，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與直線電機(jī)動(dòng)子相連，其上設(shè)計(jì)有夾具安裝孔，用來(lái)與安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器的夾具（圖2中未畫出）相連。驅(qū)動(dòng)器與直線電機(jī)、直線編碼器相連，結(jié)合計(jì)算機(jī)與控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)位移裝置（直線電機(jī)動(dòng)子）的精確控制。

圖2 直線電機(jī)位移裝置簡(jiǎn)圖

直線電機(jī)位移伺服控制原理如圖3所示，直線電機(jī)為伺服控制系統(tǒng)的控制對(duì)象；電流傳感器、位置傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路等為反饋單元；位置、速度和電流三閉環(huán)控制器為控制器；直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路等為執(zhí)行單元。通過電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)共三層的閉環(huán)反饋控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)推力、速度、位移的實(shí)時(shí)精確控制[7]。

圖3 直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)原理圖

伺服控制系統(tǒng)的核心就是控制器的設(shè)計(jì)，而控制器中常用的控制算法為 PID 控制算法[8]。典型的PID算法可由式（2）表示：

式中：

e（k）—系統(tǒng)第k次輸入偏差；

e（k-1）—系統(tǒng)第k-1次輸入偏差；

u（k）—系統(tǒng)第k次輸出；

KP—比例系數(shù)；

KI—積分系數(shù)；

KD—微分系數(shù)。

數(shù)字PID的參數(shù)設(shè)置對(duì)伺服控制系統(tǒng)的性能有非常大的影響，通常，伺服系統(tǒng)的控制器可以選擇比例（P）控制器、比例積分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器和比例積分微分（PID）控制器，工程中一般根據(jù)被控制對(duì)象的特點(diǎn)和控制精度等要求來(lái)選擇采用某種控制器。在運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)中，最常用的控制器為比例積分控制器，即PI控制器，它具有較好的動(dòng)態(tài)特性、能夠較好地消除穩(wěn)態(tài)誤差，能滿足工程中大部分運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。本文采用的是PI控制器，具體的參數(shù)在實(shí)際測(cè)試中反復(fù)調(diào)節(jié)決定。

3 無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)測(cè)試

在溫度為22 ℃、濕度為50 %的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)一個(gè)FBGS-S02型的無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。該傳感器的標(biāo)距長(zhǎng)度為220 mm，應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.2 。該傳感器使用時(shí)的允許誤差為±2。根據(jù)傳感器的標(biāo)距長(zhǎng)度，可計(jì)算出傳感器長(zhǎng)度每變化0.022 mm，將產(chǎn)生100的應(yīng)變。

將FBG應(yīng)變傳感器的兩端分別粘貼在校準(zhǔn)系統(tǒng)的FBG應(yīng)變傳感器安裝夾具上，如圖1中示意，再將傳感器的輸出端接入到實(shí)驗(yàn)室的一套高精度光波測(cè)量系統(tǒng)中（圖中未畫出）。控制直線電機(jī)位移裝置，調(diào)整直線電機(jī)平臺(tái)的位置以調(diào)整FBG應(yīng)變傳感器的初始狀態(tài)到規(guī)定的拉直狀態(tài)。將此時(shí)激光干涉儀測(cè)得的距離定義為相對(duì)零位，即位移為0 mm，并從光波測(cè)量系統(tǒng)中讀取并記錄FBG應(yīng)變傳感器的輸出波長(zhǎng)。調(diào)整直線電機(jī)平臺(tái)的位置，使FBG應(yīng)變傳感器以400的步進(jìn)產(chǎn)生應(yīng)變，即直線電機(jī)平臺(tái)以0.088 mm的間距移動(dòng)，從光波測(cè)量系統(tǒng)中分別讀取并記錄FBG應(yīng)變傳感器對(duì)應(yīng)的輸出波長(zhǎng)，并利用FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)變化的應(yīng)變值。所有結(jié)果整理并記錄于表1中。

表1 FBGS-S02型FBG應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果

從表1可以分析得知，校準(zhǔn)結(jié)果的最大誤差為-0.2，滿足該傳感器±2的允許誤差要求。表明所設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠滿足無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試需求。

4 結(jié)論

針對(duì)無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)問題，設(shè)計(jì)了一套主要由高定位精度直線電機(jī)位移裝置和激光干涉儀組成的高精度無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)FBGS-S02型的無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試，校準(zhǔn)結(jié)果的最大誤差為-0.2，滿足傳感器的誤差要求，表明該校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠應(yīng)用于無(wú)封裝FBG應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試。