某型Fabry-Perot光纤应变计的传感特性试验
2016-2-3 来源：中国舰船研究设计中心 作者：肖邵予 汪浩
摘要：光纤应变传感技术在国外已广泛应用于船体结构健康监测之中，而在国内鲜有工程实际应用的尝试，究其原因，光纤传感器的结构封装是影响光纤传感技术工程化应用的重要因素。针对某船体结构应力监测系统原理样机所选型的Fabry-Perot光纤应变计，介绍其测量原理，建立封装结构试验模型，并对该结构开展了静态应变传感特性、动态应变传感特性以及温度特性的试验研究。分析结果表明，该型光纤应变计静态、动态应变测量结果与基于电阻应变片的电测法结果偏差小于2%，从而验证了光纤应变计测量数据的准确性。同时，应变—温度的关系曲线也表现出良好的一致性和线性，这表明该型光纤应变计的封装结构能满足舰船温度环境条件。
关键词： Fabry-Perot； 光纤应变计； 光纤传感； 船体结构； 健康监测
0 引言
应变测量是土木建筑、石油工业、汽车、航天飞行器和船舶等结构健康监测中的重要测量项目。近30 年来，随着光纤传感技术的飞速发展，以光波为载体、光纤为媒质来感知和传输外界被测信号的光纤传感技术在很多场合已取代基于电阻应变片的电测法，并应用到结构健康监测中去。由于光纤传感技术具有抗电磁干扰、电绝缘、本质安全、便于复用以及便于成网等优点，现已成为传感领域最重要的技术之一，并形成了一个庞大的产业和稳定的研究领域。其中，从上世纪90年代起，国外已将光纤传感技术应用到船体结构健康监测中。
光纤传感器不同于传统传感器，其裸光纤非常纤细，抗剪能力差，除要考虑光纤传感的基本原理外，其传感器的封装工艺也必须满足工程应用需求，这是因为封装工艺一方面能够保护传感器，以增加其在安装和使用过程中的存活率，另一方面封装工艺还能改变传感器的应变传递特性。因此，光纤传感器结构封装是影响光纤传感技术工程化应用的主要原因之一。美国、日本、英国、加拿大、荷兰等国在光纤传感器研制领域已处于领先地位，这些国家基本实现了光纤传感器的产业化和工程化，而国内主要集中在一些研究单位，仍未完成由实验室向产品过渡的阶段。
国内武汉理工大学、天津大学等高校已经开展光纤传感技术在船体结构监测应用的相关研究。侯超针对集装箱船的结构特点，以光纤传感技术为基础对集装箱船的疲劳和应力集中部位监测进行研究，从理论角度论证了光纤应变传感器在船体结构监测中应用的可行性。王为指出光纤传感器结构封装设计是船体结构健康监测的关键技术之一，并选用 Micron Optics 公司的 2 型点焊式应变计开展传感器性能试验研究。梁文彬针对船体结构特点提出了一种简易的表面粘贴式光纤应变计结构封装方案，并对几种不同封装材料和粘接胶进行对比试验。本文针对某船体结构应力监测系统原理样机所选型的Fabry-Perot（F-P）光纤应变计，在实验室条件下分别对其进行静态应变传感特性、动态应变传感特性以及温度特性的试验研究。
1 Fabry-Perot光纤应变计原理
1.1 测量原理
Fabry-Perot 光纤应变计是基于 Fabry-Perot（简称 F-P）白光干涉原理，将 F-P 空腔作为应变传感元件。其结构原理图如图 1 所示，可先在精密加工平整的两光纤端面制备反射镜，然后将制备好的2根光纤插入微细管内，由此可在2个反射镜间形成 F-P腔。随后，将光纤与微细管进行焊接或粘接以形成F-P光纤应变计。当试件受力发生变形时，试件上的光纤应变计也随之变形， F-P腔长变化与被测应变的关系为： 
式中：光纤应变计长度 L 为两焊接或粘接点的间距，μm；d为F-P腔长，μm。
式中：光纤应变计长度 L 为两焊接或粘接点的间距，μm；d为F-P腔长，μm。
1.2 信号解调原理
F-P 光纤应变计的信号解调技术有很多种，目前白光正交干涉法是相对比较成熟的技术，其信号解调原理如图2所示。
图中可见，白光光源发出的白光通过光纤进入充当功率分配器的耦合器，第1路输出通过光连接器连接到信号解调模块的前面板。第2路输出则不做使用。白光通过光纤应变计调制后反射的光信号先经过一个圆柱镜进行扩展，当扩展成均匀的光柱后，即照射在Fizeau干涉仪上。Fizeau干涉仪有一个楔形空腔，当该楔形空腔某一点的宽度等于应变计 F-P空腔的长度时，该点反射的光强最大。因此，当光纤应变计 F-P空腔长度因外界作用而产生变化时，Fizeau 干涉仪上能产生最强反射光的位置会随之改变，且最强反射光在CCD上的投射位置也会因此改变。随后，通过读出 CCD 上最强反射光的位置就可以计算光纤应变计F-P空腔长度，并通过公式（1）计算出外界作用的应变。
1.3 封装结构
本文所选用的光纤应变计采用不锈钢管和不锈钢片联合的封装形式。该光纤应变计由一根细径不锈钢管（直径约1 mm）焊接在不锈钢片（厚度0.15 mm）上，该不锈钢片则作为基片点焊于被测钢结构表面。组成F-P空腔的2根光纤则采用特殊胶粘接在不锈钢管内，其结构如图3所示（单位：mm） 。
综上所述，该型光纤应变封装形式特点如下：
1）不锈钢片与被测钢结构件采用点焊方式进行连接，相比胶粘方式更为牢固可靠；
2）与一般船体结构用钢厚度相比，不锈钢片0.15 mm的厚度很薄，其刚度与被测钢结构相比而言可以忽略，当将其点焊于被测钢结构时，其应变传递损耗很小；
3）不锈钢材料与一般船体结构用钢的弹性模量比较接近，不容易出现应力集中现象，工程上一般推荐采用不锈钢材料作为光纤传感器的封装材料；
4）将不锈钢片与细径不锈钢管进行焊接固定， 其应变传递损耗很小。
2 试验研究
2.1 静态应变传感特性试验研究
结构模型采用 Q235A 碳钢，由悬臂梁板和底座组成。悬臂梁是一块 800 mm×100 mm×10 mm的钢板； 底座厚度为 25 mm， 底座肘板厚 10 mm。底座通过螺栓固定在刚性平台上， 并采用油压手动式千斤顶放置于悬臂梁自由端来提供垂直向上的力。装置示意图如图4所示(单位： mm)。
应变测点（共8个）布置在悬臂梁上，编号1~4号点为电阻应变片测点，编号5~8号点为光纤应变计测点，方向位置如图5所示(单位：mm)。
通过在悬臂梁自由端顶升千斤顶，可使悬臂梁发生变形，从而得到应变值。悬臂梁自由端的位移从 0 mm 开始，当信号稳定后开始顶升千斤顶，使得悬臂梁自由端位移依次为11，14，18和23 mm。然后，开始逐步卸载，减小位移值，直至回到初始状态。重复上述步骤 3次，并对自由端每一个位移值所对应的 3 次应变测量值进行算术平均，该平均值即为该位移值所对应的应变测量值。由上可知，电阻应变片测量的应变值与位移值线性关系良好，其加载和卸载曲线吻合得很好。图6所示为电阻应变片1号应变测点的加载、卸载曲线。
由于结构模型的对称性，电阻应变片 1~4 号应变测点可分别对应光纤应变计 5~8 号应变测点。图 7 和图 8 分别为电阻应变片 1 号应变测点和光纤应变计 5号应变测点加载和卸载曲线的对比。图中可看出，光纤应变计加载、卸载曲线与电阻应变片曲线较为一致。卸载过程中相同位移对应的应变值2条曲线的最大偏差仅为1.7%，因此，光纤应变计静态应变传感特性试验结果可信。
2.2 动态应变传感特性试验研究
动态应变试验的模型装置与静态应变试验装置相同，主要在悬臂梁自由端采用锤击以产生瞬态激励，记录并对比电阻应变片和光纤应变计的时间信号。
由于电阻应变测量系统和光纤应变测量系统的采样起始时间和采样频率有所差别，各采样点的应变值无法完全吻合，因此，选择将2套系统所采集的前10个波形曲线进行对比，同时还对其峰值平均值进行对比。
如图9所示，电阻应变片1号应变测点和光纤应变计 5号应变测点的波形曲线吻合较好，峰值平均值偏差为 1.1%，因此，光纤应变计动态应变传感特性试验结果可信。
2.3 温度特性试验研究
将解调仪和光纤应变计分别置于 MC-711高低温试验箱和 MHU-225CNSA 高低温试验箱内，并连接好线路。放置光纤应变计的箱内温度设定低温为-10 ℃，高温为80 ℃；放置光纤解调仪的箱内温度设定为25 ℃时，保持恒温1 h。整个过程中，接通电源使产品处于通电工作状态。在不对传感器施加任何应力的情况下，先从低温升至高温，然后再从高温降至低温。期间，选取6个温度间隔来测量传感器的应变输出值，每次升温后至少保持稳定1 h左右，并从-10～80 ℃重复测量3次，记录系统应变输出值。循环温度设定如图 10所示。
图 11 所示为 WF10009 光纤应变计分别经历温度循环 1次，2次和 3次的应变—温度对比曲线。从图11 （a）可以看出，在单次温度循环试验中，光纤应变计保持了良好的应变—温度线性关系，同时升温和降温过程也保持了良好的一致性；从图 11（b）和图11（c）可以看出，每次温度循环具有良好的重复性和一致性。
该光纤应变计的应变—温度曲线的线性回归方程为y=18.17x-440.69， 线性相关度R = 0.999 8，光纤应变计的温度系数β为 18.17με/℃。从光纤应变计的封装结构来看，该型应变计的温度系数与不锈钢材料和粘接胶有关。厂家提供不锈钢材料常温下的线性热膨胀系数为 18 με/℃，该值与温度循环试验测量的温度系数β值极为接近。同时，不锈钢管内采用粘接胶也有一定贡献，但总体影响可以忽略。
3 结语
国内，光纤应变传感技术已在土木建筑、桥梁工程、航空航天和海洋石油平台等结构健康监测中得到应用，而在船体结构健康监测的工程应用领域则报道较少。本文针对某船体结构应力监测系统原理样机所选型的光纤应变计，在实验室条件下建立了悬臂梁模型，并通过静态应变传感特性试验研究、动态应变传感特性试验研究和温度特性试验研究尝试对试验数据的准确性进行初步试验研究，从而验证了光纤应变计在船体结构健康监测中应用的可行性。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
