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        基于夾持粘貼式的光纖光柵傳感器力熱耦合測(cè)試

        2024-04-15 03:16:06李鑫黃薏靜于紀(jì)成徐趙潔馬冠軍
        光子學(xué)報(bào) 2024年3期
        關(guān)鍵詞:標(biāo)距膠層基材

        李鑫,黃薏靜,于紀(jì)成,徐趙潔,馬冠軍

        (北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院, 北京 100144)

        0 引言

        光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、易成傳感網(wǎng)絡(luò)等特征,且由于其材料的非金屬性,具有絕緣性、不受電磁干擾以及耐腐蝕等優(yōu)勢(shì),在航空航天、建筑橋梁、石油勘探等方面具有很大的應(yīng)用前景[1-5]。在高溫環(huán)境下的應(yīng)變測(cè)試方面,傳統(tǒng)高溫應(yīng)變傳感器存在電阻應(yīng)變片的引線不絕緣、易受電磁影響,且復(fù)用性差等不足[6];高溫引伸計(jì)發(fā)展不成熟,產(chǎn)品昂貴,對(duì)使用的空間求較高,較依賴進(jìn)口產(chǎn)品[7]。而光纖光柵傳感器可實(shí)現(xiàn)多場耦合參數(shù)的測(cè)量,更適合于高溫、高電磁的極端環(huán)境。

        HILL K O 等[8]于1978 年研制出光纖光柵,MOREY G 和MELTZ WW 等[9]首次發(fā)現(xiàn)光纖光柵的中心波長與溫度-應(yīng)變變化呈現(xiàn)線性關(guān)系,國內(nèi)外研究者由此開展了針對(duì)光纖光柵溫度-應(yīng)變交叉敏感方面的研究。田琴等[10]研制一種雙熱重生布拉格光柵(Regenerated Fiber Bragg Grating, RFBG) 傳感器,實(shí)現(xiàn)裸光纖800 ℃內(nèi)的應(yīng)變測(cè)量(<1 000 με)。張開宇等[11]通過設(shè)計(jì)基底和光柵刻寫工藝,增加了FBG 傳感器應(yīng)變靈敏度,應(yīng)變測(cè)量誤差小于3 με(0~700 με)。LI Ruiya 等[12]結(jié)合矩陣方法設(shè)計(jì)應(yīng)變放大模型,應(yīng)變靈敏度增加了6.34 倍,理論上達(dá)到溫度解耦。楊潤濤等[13]制備了表貼式Ⅱ型FBG 傳感器,達(dá)到400 ℃的應(yīng)變檢測(cè)。申佳鑫等[14]提出一種FBG 和空芯光纖多模干涉效應(yīng)的混合型溫度-應(yīng)變雙參量傳感器,通過耦合矩陣獲得溫度/應(yīng)變數(shù)值。上述文獻(xiàn)開展了FBG 的多場耦合測(cè)試及特種光纖光柵的制備,但多數(shù)研究更側(cè)重理論方面,且特種光纖制備較難在工程上實(shí)現(xiàn)。

        另一方面,F(xiàn)BG 傳感器與基材的集成形式對(duì)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果有很大影響。權(quán)志橋等[15]通過推導(dǎo)表貼式FBG 傳感器應(yīng)變耦合分離式模型,得到修正關(guān)系,并通過試驗(yàn)得到驗(yàn)證。易志雄等[16]通過剪滯理論推導(dǎo)出表面粘貼式FBG 傳感器最優(yōu)膠層參數(shù)組合,并結(jié)合理論推導(dǎo)、有限元仿真驗(yàn)證了三者的相關(guān)性。孫麗等[17]開發(fā)一種3D 打印的封裝層FBG 傳感器,并探究膠層對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。而在實(shí)際工程應(yīng)用上,較難對(duì)膠層的厚度、形狀控制到毫米級(jí)以下精度,因此理論推導(dǎo)結(jié)果的工程實(shí)現(xiàn)性需要進(jìn)一步解決。

        針對(duì)以上問題,本文提出一種夾持粘貼式與溫度補(bǔ)償?shù)腇BG 傳感器力熱耦合測(cè)試方法,通過有限元仿真對(duì)比夾持粘貼與表面粘貼兩種形式的應(yīng)變傳遞率,分析標(biāo)距比對(duì)夾持粘貼式應(yīng)變傳遞率的影響,基于仿真結(jié)果選取夾持粘貼式的基本參數(shù)。在力熱耦合實(shí)驗(yàn)中,集聯(lián)一根FBG 溫度傳感器,實(shí)現(xiàn)250 ℃內(nèi),對(duì)3 000 με 內(nèi)的解耦。通過高溫試驗(yàn)驗(yàn)證了夾持粘貼式的測(cè)試準(zhǔn)確性與工程實(shí)用性。

        1 光纖光柵溫度/應(yīng)變傳感與解耦原理

        FBG 傳感器中光柵是能夠反射特定波長的無源器件,當(dāng)寬帶光源經(jīng)過光柵時(shí),滿足條件波長的光被反射,其余的光則被透射出光柵。FBG 傳感器光柵的中心波長表達(dá)式為

        式中,λB為光纖光柵中心波長,neff為光柵有效折射率,Λ為光柵周期。

        當(dāng)環(huán)境中溫度、應(yīng)變等參量發(fā)生變化時(shí),光柵周期和有效折射率受到影響,導(dǎo)致中心波長發(fā)生變化,即為FBG 傳感器可以反映外界環(huán)境變化的原理,有

        式中,ΔλB為光纖波長變化,ΔΛ為環(huán)境因素造成的光柵周期變化,Δneff為環(huán)境因素造成的有效率折射率變化。

        當(dāng)FBG 傳感器所在環(huán)境中僅溫度發(fā)生變化時(shí),熱光效應(yīng)與光纖材料熱膨脹效應(yīng)會(huì)分別導(dǎo)致光柵的有效折射率neff和光柵周期Λ發(fā)生變化,從而使得中心波長發(fā)生變化,即

        式中,Δλ為光纖中心波長變化,KT為光纖光柵的溫度靈敏度,ΔT為溫度變化。

        當(dāng)溫度保持恒定,F(xiàn)BG 傳感器受軸向力作用時(shí),光纖拉伸變形導(dǎo)致光柵周期Λ變化,彈光效應(yīng)導(dǎo)致纖芯的有效折射率neff變化,從而使得中心波長變化,即

        式中,Kε為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度,Δε為應(yīng)變變化。

        根據(jù)傳感理論得知FBG 傳感器同時(shí)對(duì)溫度/應(yīng)變變化響應(yīng),忽略耦合效應(yīng),光纖光柵中心波長的變化量為

        式中,Δλb1為溫度/應(yīng)變同時(shí)響應(yīng)的FBG 傳感器波長變化,KT1為該FBG 傳感器的溫度靈敏度,Kε1為該FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度。

        基于溫度補(bǔ)償?shù)腇BG 傳感器溫度解耦方法是引入一個(gè)只響應(yīng)溫度的FBG 傳感器,該傳感器的光柵中心波長變化量為

        式中,Δλb2為只響應(yīng)溫度的FBG 傳感器光柵波長變化,KT2為該FBG 傳感器的溫度靈敏度。溫度與應(yīng)變對(duì)光纖光柵中心波長為獨(dú)立作用,線性疊加,聯(lián)立式(5)、(6)解得獨(dú)立應(yīng)變?yōu)?/p>

        式中,兩FBG 傳感器處于同一溫度場中,可視為兩光纖光柵溫度響應(yīng)相同,即ΔT相同。一般的裸光纖光柵傳感器溫度/應(yīng)變靈敏度與光纖材料、寫入工藝以及退火工藝有關(guān)[18],另一方面,將光纖光柵傳感器與基材集成后,粘貼形式與基材屬性對(duì)光纖光柵靈敏度影響也比較大,因此在實(shí)際使用中光纖光柵傳感器應(yīng)變/溫度靈敏度需要通過集成后標(biāo)定確定,并通過高溫拉伸試驗(yàn)獲取Δλb1和ΔT數(shù)據(jù),利用式(7)解耦可得到應(yīng)變數(shù)據(jù)。

        2 裸光纖夾持粘貼式方法與仿真分析

        2.1 夾持粘貼式/表面粘貼FBG 傳感器應(yīng)變傳遞率對(duì)比

        光纖光柵傳感器的抗剪強(qiáng)度低,極易折斷。在使用時(shí),需與測(cè)試件進(jìn)行粘貼以達(dá)到測(cè)試與保護(hù)的目的,但是膠層會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變傳遞產(chǎn)生損耗,應(yīng)變傳遞率α是光纖應(yīng)變(εg)與待測(cè)基材應(yīng)變(εi)的比值α=εg/εi,可以體現(xiàn)應(yīng)變測(cè)試的準(zhǔn)確性與靈敏性,因此首先分析不同粘貼工藝對(duì)應(yīng)變傳遞率的影響。

        夾持粘貼式FBG 傳感器集成如圖1 所示,將膠層均勻覆蓋在光柵區(qū)外的兩端光纖表面,光柵段光纖不直接承受外力,基材受力后,通過膠粘剪切應(yīng)力傳遞光纖上的為軸向應(yīng)力。表面粘貼FBG 傳感器集成如圖2 所示,將膠層均勻的覆蓋在整段光纖的柵區(qū)部位,將基材與光柵融為一體,基材的應(yīng)變通過膠體直接傳遞到FBG 傳感器。

        圖1 夾持粘貼式FBG 傳感器集成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the integration of the clamp-adhesive FBG sensor

        圖2 表面粘貼式FBG 傳感器集成示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the integration of surface-adhesive FBG sensor

        為了對(duì)比兩種FBG 傳感器與基材集成方式,通過Abaqus 有限元分析對(duì)比兩種粘貼方式的應(yīng)變傳遞率。使用啞鈴型304 不銹鋼基材作為試驗(yàn)件,基材矩形段尺寸長×寬×高為80 mm×12 mm×1.5 mm,并選取CBK 高溫膠作為裸光纖與基材的粘膠,相關(guān)的材料屬性如表1 所示。

        表1 材料屬性Table 1 Material properties

        設(shè)置膠層尺寸長×寬×高為20 mm×5 mm×1 mm,F(xiàn)BG 傳感器半徑為0.062 5 mm,光柵長度為10 mm。圖3(a)中,將膠層覆蓋在光柵兩側(cè),膠層間距離為60 mm,模擬夾持粘貼式FBG 傳感器的結(jié)構(gòu)形式。圖3(b)中,將膠層覆蓋在光柵所在的光纖處,模擬表面粘貼式FBG 傳感器的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)模型施加載荷,考慮基材試驗(yàn)時(shí)實(shí)際受力情況,選擇基材上端圓內(nèi)表面施加豎直向上的拉伸載荷,施加位移為0.6 mm,速度為0.003 mm/s,并對(duì)X和Z軸方向的位移進(jìn)行限制,在下圓孔內(nèi)表面施加完全固定約束。最后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(網(wǎng)格類型為:C3D8R),以及求解與后處理,選擇E22(Y軸方向)方向的應(yīng)變?cè)茍D,如圖4所示。

        圖3 模型的網(wǎng)格劃分及載荷分布Fig. 3 Meshing of the model and load distribution

        圖4 仿真應(yīng)變?cè)茍D與應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig. 4 Simulated strain cloud maps and strain data

        圖4(a)、(b)為Y方向應(yīng)變?cè)茍D,可以看出,基材矩形段變形均勻,應(yīng)變大小基本一致。圖4(c)是基材、兩種粘貼集成方式的光纖的應(yīng)變數(shù)據(jù),在仿真時(shí)間段內(nèi),三條應(yīng)變曲線呈線性增加,將同時(shí)刻兩種粘貼形式得到光纖光柵傳感器應(yīng)變數(shù)值與基材應(yīng)變數(shù)值的比值視為應(yīng)變傳遞率。由圖看出夾持粘貼方式應(yīng)變曲線與基材應(yīng)變曲線基本貼合,其應(yīng)變傳遞率為99.47%,而表貼式應(yīng)變傳遞效率為95.8%。

        從仿真結(jié)果可以看出,在該仿真條件下,夾持粘貼式FBG 傳感器應(yīng)變傳遞率高于表面粘貼式FBG 傳感器,另外,表面粘貼式的FBG 傳感器膠體覆蓋光柵,在高溫環(huán)境中,膠層材料屬性發(fā)生變化,對(duì)光柵的反射產(chǎn)生較大的影響,甚至膠體滲入光柵間隙會(huì)使得光柵失效,對(duì)應(yīng)變測(cè)量產(chǎn)生較大的影響。

        2.2 標(biāo)距比對(duì)應(yīng)變傳遞影響分析

        從仿真結(jié)果來看,夾持粘貼FBG 傳感器的應(yīng)變傳遞率雖然優(yōu)于表面粘貼式,但其應(yīng)變傳遞仍受膠層影響較大,通過膠粘應(yīng)變傳遞理論與有限元仿真分析膠粘尺寸的影響因素。圖5 為夾持粘貼式FBG 傳感器的整體受力示意圖,A 段粘貼受力,暫不考慮膠層的軸向變形,B 段屬于自由拉伸段,光纖光柵不直接承受外力。

        圖5 夾持粘貼式FBG 傳感器受力示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the force applied to the clamp-adhesive FBG sensor

        文獻(xiàn)[19]通過彈性力學(xué)理論與剪滯理論分析得光纖B 段應(yīng)變傳遞率為

        由式(8)可看出,在FBG 傳感器以及膠層材料確定的情況下,夾持粘貼式FBG 傳感器的應(yīng)變傳遞率與標(biāo)距比系數(shù)、膠層幾何形狀有關(guān)。由于粘膠有一定流動(dòng)性,膠層幾何形狀精度較難在工程操作中保證,本文默認(rèn)為光柵兩側(cè)膠粘形狀為精度在1 mm 范圍內(nèi)相同的長方體,僅討論標(biāo)距比系數(shù)對(duì)應(yīng)變傳遞率的影響,標(biāo)距比系數(shù)由標(biāo)距比決定,即自由段光纖(B 段)與粘貼段光纖(A 段)長度之比(LB/2LA)。通過固定膠層長度,改變膠層粘貼位置可以改變標(biāo)距比,實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳遞率變化,在工程操作中較好控制。

        為了獲得較好的應(yīng)變傳遞率以指導(dǎo)基材與FBG 傳感器的集成,使用Abaqus 有限元分析標(biāo)距比對(duì)應(yīng)變傳遞率的影響。采用有限元軟件改變模型膠粘的位置從而改變標(biāo)距比,并通過施加載荷,可以獲得基材與光纖的應(yīng)變,在理論上得到夾持粘貼式應(yīng)變傳遞率。

        設(shè)定光纖光柵區(qū)長度為10 mm,膠層長×寬×高尺寸為20 mm×5 mm×1 mm,自由段(B 段)光纖長度分別設(shè)為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、88 mm 和100 mm,得到不同標(biāo)距比下的應(yīng)變變化云圖。

        圖6 為選取標(biāo)距比為0.5、1 及1.5 的有限元網(wǎng)格及應(yīng)變?cè)茍D。提取標(biāo)距比從0.5 到2.5 得到基材軸向應(yīng)變與光纖軸向應(yīng)變的數(shù)據(jù),分別計(jì)算應(yīng)變傳遞率,如圖7 所示。

        圖6 不同標(biāo)距比有限元網(wǎng)格與應(yīng)變?cè)茍DFig. 6 Finite element mesh with strain cloud for different scale ratios

        圖7 應(yīng)變傳遞率與標(biāo)距比關(guān)系Fig. 7 Relation between strain transfer rate and scale ratios

        從圖7 可以看出,隨著標(biāo)距比的增大,應(yīng)變傳遞率減少,當(dāng)標(biāo)距比大于1 時(shí),應(yīng)變傳遞率下降速度增大,為了測(cè)得準(zhǔn)確的基材應(yīng)變,應(yīng)盡量降低標(biāo)距比。當(dāng)標(biāo)距比小于1 時(shí),應(yīng)變傳遞率應(yīng)變率差值約為0.1%??紤]FBG 傳感器光柵的長度、膠層粘貼可操作性以及基材的尺寸,選用標(biāo)距比1 進(jìn)行操作。

        根據(jù)仿真結(jié)果,本文FBG 傳感器集成方式選用夾持粘貼方法,結(jié)合FBG 傳感器的光柵長度為10 mm 和基材矩形段長度為80 mm,設(shè)定光纖自由端長度為30 mm,膠層長度為15 mm,標(biāo)距比為1。另外,根據(jù)仿真結(jié)果,基材矩形段變形均勻,因此將FBG 應(yīng)變傳感器、高溫應(yīng)變片布置在基材矩形段中部可以進(jìn)行相互驗(yàn)證。

        3 傳感器與基材集成制作與試驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證夾持粘貼集成方式的工程實(shí)用性,以及溫度補(bǔ)償法解耦溫度的效果,利用夾持粘貼方法以及選取的標(biāo)距比將FBG 傳感器集成于基材上,結(jié)合光纖光柵的溫度、應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn),以獲得靈敏度。最后通過250 ℃內(nèi)3 000 με 單向拉伸試驗(yàn),并利用溫度補(bǔ)償?shù)慕怦罘椒ǐ@得高溫下光纖光柵測(cè)量的應(yīng)變值。

        3.1 FBG 傳感器與基材集成

        列舉一組FBG 傳感器、高溫應(yīng)變片與基材集成粘貼的操作方法:先給光纖光柵傳感器(FBG1)施加一定預(yù)應(yīng)力,再根據(jù)2.2 節(jié)標(biāo)距比參數(shù),用CBK 高溫膠粘貼覆蓋光纖光柵區(qū)兩側(cè)各15 mm,光柵區(qū)保留30 mm自由段區(qū),使用刮膠板刮勻膠層,并使用重物輕壓膠層,保證膠層緊緊粘貼在基片上。同時(shí),高溫應(yīng)變片和溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵傳感器(FBG2)固定在FBG1 旁。這樣可以保證FBG 傳感器的波長變化與基材應(yīng)變變形呈線性關(guān)系,并保證FBG 傳感器與高溫應(yīng)變片在同一變形區(qū)與同一溫度場中。操作完成后試驗(yàn)件如圖8所示,可以看出,由于CBK 高溫膠的流動(dòng)性,光柵區(qū)左側(cè)長度為18.5 mm,右側(cè)為16.0 mm,光柵自由段長度為30 mm,整個(gè)膠層厚度約為1 mm。長度、厚度尺寸與設(shè)定值存在一定的誤差,標(biāo)距比為0.87,這在手工操作中較難避免。

        圖8 FBG 傳感器與基材集成Fig. 8 FBG sensor and substrate integration

        3.2 溫度/應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

        標(biāo)定試驗(yàn)可以獲取FBG 傳感器中心波長與溫度、應(yīng)變的線性關(guān)系,并且能確認(rèn)FBG 傳感器的精確度,為后續(xù)解耦奠定基礎(chǔ)。

        溫度標(biāo)定試驗(yàn)安排在集成試驗(yàn)件前開展,首先將兩個(gè)FBG 傳感器(FBG1、FBG2)使用高溫膠帶固定在基材上,使兩個(gè)FBG 傳感器保持松弛。將集成后的試驗(yàn)件放在加熱平臺(tái)(VECTCH, V-2020T)上,熱電偶(KAIPUSEN,IN600-K)布置在兩個(gè)FBG 傳感器旁。設(shè)定溫度為從室溫到300 ℃,每隔50 ℃保持溫度20 min,并進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。FBG 傳感器與光纖光柵解調(diào)儀(大成科技,F(xiàn)T1601-31301)連接,獲取中心波長的數(shù)據(jù)。經(jīng)過多次試驗(yàn),中心波長與溫度的擬合曲線如圖9 所示,相關(guān)系數(shù)R2≥0.99。其中一次擬合曲線的斜率設(shè)定為FBG 傳感器的溫度靈敏度,F(xiàn)BG1 與FBG2 傳感器的溫度靈敏度分別為KT1=12.393,KT2=12.293。

        圖9 溫度標(biāo)定Fig. 9 Calibration of temperature

        應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是將FBG 傳感器與基材集成后開展,首先將集成試驗(yàn)件安裝上通用試驗(yàn)機(jī)(INSTRON,5982),設(shè)定0.01 mm/s 的速度拉伸試驗(yàn)件,拉伸長度為2 mm。FBG 傳感器與光纖光柵解調(diào)儀(大成科技,F(xiàn)T1601-31301)相連,應(yīng)變片(一洋測(cè)試,BAB120-3AA)與應(yīng)變儀(協(xié)力科技,XL2101B4)相連,分別得到中心波長與應(yīng)變數(shù)據(jù),如圖10 所示。經(jīng)過多次試驗(yàn),中心波長與應(yīng)變的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)平均R2≥0.99,其中一次擬合曲線的斜率設(shè)定為FBG 傳感器的應(yīng)變靈敏度,即Kε=1.596。

        圖10 應(yīng)變標(biāo)定試驗(yàn)Fig. 10 Strain calibration test

        3.3 梯度高溫拉伸應(yīng)變?cè)囼?yàn)

        在完成溫度/應(yīng)變靈敏度標(biāo)定基礎(chǔ)上,開展不同梯度的高溫拉伸試驗(yàn)。圖11 為FBG 傳感器高溫應(yīng)變?cè)囼?yàn)系統(tǒng),主要包括通用試驗(yàn)機(jī)(INSTRON,集成高溫加熱爐)、應(yīng)變儀(協(xié)力科技,XL2101B4)、光纖光柵解調(diào)儀(大成科技,F(xiàn)T1601-31301)、熱電偶(KAIPUSEN,IN600-K)、高溫應(yīng)變片(一洋測(cè)試,BAB120-3AA)以及PC 終端。

        圖11 試驗(yàn)系統(tǒng)與采集系統(tǒng)Fig. 11 Test system and acquisition system

        高溫爐與試驗(yàn)機(jī)集成,并提供高溫環(huán)境,使用高溫棉封住上下空隙,以保證爐內(nèi)溫度恒定,分別設(shè)置100 ℃、150 ℃、200 ℃及250 ℃四種溫度梯度。固定試驗(yàn)件上下兩圓孔,試驗(yàn)機(jī)以設(shè)定0.01 mm/s 的速度施加載荷,位移設(shè)置為4 mm。該試驗(yàn)平臺(tái)提供了所需力熱耦合環(huán)境,通過采集傳輸數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)值的處理與分析對(duì)比。

        3.4 結(jié)果與分析

        溫度梯度設(shè)置4 組不同的溫度,分別為100 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃,光纖光柵傳感器的中心波長數(shù)據(jù)利用式(6)、(7)以及標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的溫度靈敏度、應(yīng)變靈敏度進(jìn)行解耦得到應(yīng)變值,并與高溫應(yīng)變片采集數(shù)值對(duì)比,如圖12 所示。從圖中可以看出,應(yīng)變的變化趨勢(shì)有所差異是由于基片材料屬性與軋制工藝存在些許不同,但FBG 傳感器與高溫應(yīng)變片在時(shí)序上有較好的一致性,反映基材應(yīng)變的變化趨勢(shì)相同,且曲線具有較好的平滑度。

        圖12 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig. 12 High temperature tensile test results

        通過圖12 可以看出,四種溫度梯度下,平均相對(duì)誤差分別為1.32%、1.62%、2.00%及2.26%;應(yīng)變檢測(cè)存在誤差是由于光纖、應(yīng)變片膠層無法完全保持一致,膠體的氣泡也無法完全消除等因素導(dǎo)致。如圖12 所示,四組溫度的平均相對(duì)誤差隨著溫度的升高逐步增大,這是由于覆蓋應(yīng)變片的膠體隨溫度增加粘貼效果逐漸變差。總體來看,平均相對(duì)誤差最大值為2.26%,說明在250 ℃、3 000 με 范圍內(nèi),光纖光柵傳感器應(yīng)變測(cè)試誤差較小。由此可以得出提出的夾持粘貼式FBG 傳感器可在一定高溫下用于應(yīng)變測(cè)量,并具有較高準(zhǔn)確性。

        測(cè)試結(jié)果在高溫下應(yīng)變解耦最大值可達(dá)2 810 με,與文獻(xiàn)[10]、[11]的應(yīng)變測(cè)試域?qū)Ρ?,高出一倍以上;同時(shí),對(duì)比文獻(xiàn)[16]表面粘貼式FBG 傳感器的應(yīng)變傳遞理論分析,本文的夾持粘貼式FBG 傳感器工程可操作性較高。

        4 結(jié)論

        本文針對(duì)力熱耦合環(huán)境中的應(yīng)變準(zhǔn)確測(cè)試問題,首先通過Abaqus 有限元仿真,對(duì)比夾持粘貼式和表面粘貼式的應(yīng)變傳遞率,前者應(yīng)變傳遞率達(dá)到99.47%,后者為95.80%,可以看出,F(xiàn)BG 傳感器與基材夾持粘貼集成可獲得較準(zhǔn)確的應(yīng)變值。在夾持粘貼方式基礎(chǔ)上改變膠層位置,得到不同標(biāo)距比對(duì)應(yīng)變傳遞率的影響,隨著標(biāo)距比增大,應(yīng)變傳遞率降低。當(dāng)標(biāo)距比大于1,應(yīng)變傳遞率下降速率明顯增大。采用標(biāo)距比為1 的夾持粘貼式光纖光柵傳感器進(jìn)行梯度高溫拉伸試驗(yàn),在溫度/應(yīng)變單獨(dú)標(biāo)定基礎(chǔ)上,采用集聯(lián)光纖光柵的溫度補(bǔ)償解耦方法,獲得梯度高溫下光纖光柵應(yīng)變值。與標(biāo)準(zhǔn)高溫應(yīng)變片的平均相對(duì)誤差最大值為2.26%,基本滿足在工程上使用的需求。

        另外,本課題所采用的FBG 傳感器拉伸應(yīng)變可達(dá)到11 000 με,但FBG 傳感器需施加一定預(yù)應(yīng)力后粘貼在基材上,會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變檢測(cè)范圍降低。后續(xù)將從光纖的材料與制作工藝上開展研究,并通過設(shè)計(jì)傳感器基片結(jié)構(gòu)及材料選型,增加FBG 傳感器的應(yīng)變靈敏度,達(dá)到較大應(yīng)變范圍以及壓縮工況下的結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)。

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