表面粘贴光纤光栅传感器的应变传递分析.pdf

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1、表面粘贴光纤光栅传感器的应变传递分析 郭伟;李新良;宋昊【摘 要】光纤光栅传感器粘贴于航空结构的基体表面后,基体结构的真实应变与光纤光栅传感器测得的应变之间存在一个传递系数.本文根据应用环境,建立了“基体结构胶粘体光纤传感器”的应变传递简化模型,推导了裸光纤光栅传感器测得的应变与结构基体实际应变的比值,即应变传递率,并对影响传递率的各种参数进行分析和模拟,根据实际条件得到了粘贴的最佳参数.【期刊名称】计测技术【年(卷),期】2011(031)004【总页数】4 页(P1-4)【关键词】光纤光栅传感;表面粘贴;应变传递;应变测量【作 者】郭伟;李新良;宋昊【作者单位】中航工业北京长城计量测试技术

2、研究所,北京 100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095【正文语种】中 文【中图分类】TP212.14 0 引言 1978 年，加拿大通信研究中心的 Hill 等人首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一个永久性可实现反向模式间耦合的光纤光栅，即光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）1。1993 年，他们又用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，使光纤光栅真正走向实用化和产业化。光纤光栅传感器相比传统电类传感器具有无可比拟的优势，具有更宽广的应

3、用领域。光纤光栅传感是利用光波传输信息，不会受到电磁干扰的影响，安全可靠。光纤光栅结构简单灵巧，为特殊场合的测量提供了方便，尤其适合埋入复合材料内部形成智能材料。光纤传感将传感与传输融合为一体，并且可以在一根传输光纤上串接多个光纤光栅传感器，如温度、应变、压力等，组成传感网络;由于光纤传输的损耗很小，可以进行长距离的传输，通过波分复用或时分复用的方式可以构成分布式光纤光栅传感网络，这是传统机械类、电类分立型传感器无法实现的。光纤光栅传感技术已经大量应用于桥梁、大坝等建筑领域结构应变的监测中2。光纤光栅传感的特点决定了其在航空航天领域的结构应变监测方面具有很好的应用前景。在国外已经有成功的应用案

4、例3，国内在这个方面的研究才刚起步，在飞行器方面的应用大都处于实验室研究阶段。对航空结构应变的监测主要是采用表面粘贴的方式，目前，还没有比较成熟的粘贴工艺，采用不同的粘贴工艺将会影响到传感器对基体应变的感应，导致基体结构沿光栅粘贴方向的应变与光纤光栅传感器所反映的应变不一致。因此，有必要研究光纤光栅传感器表面粘贴的应变传递规律，分析影响应变传递的各种因素。1 应变传递规律分析 对 FBG 传感器的应变传递规律已有相关学者展开了研究，如大连理工大学的周广东、李东升4，哈尔滨工业大学的周智5等人，这些学者仅对埋入式光纤光栅传感器的应变传递影响参数进行了分析，对表面粘贴式光纤传光栅感器应变传递的研究

5、还比较少。针对目前的应用情况，本文对表面粘贴式光纤光栅传感器的应变传递规律进行理论研究及分析。如图 1 所示，粘贴长度要稍长于光栅的长度，为 2L。光栅是在光纤上进行激光刻写后形成的，其特性改变不大，可以将两者等同处理，只是光栅段是敏感部位，能反映应变的信息，而光纤段不敏感。粘贴的胶体成方体，取其对称轴右侧的一半对其进行研究。图 1 表面粘贴裸光栅纵向截面示意图 图 2 中，胶体的宽度为 D，胶体上表面距离光纤的中心为 R，光纤的中心为坐标原点。图 2 表面粘贴裸光栅横截面观察示意图 图 3 为取图 1 对称轴右半部分进行分析，对称轴处为 x 方向坐标原点，光栅中心处为 r 方向的坐标原点;取

6、微元段 dx 进行受力分析。图 3 剪切力传递示意图 在分析中做如下假设:胶体材料均为线弹性，基体仅沿光纤轴向均匀拉伸，通过胶体使光纤产生形变，光纤光栅只承受基体沿其粘贴方向传递的力;光纤只包括纤芯和包层，认为它们的材质基本相同，可一同处理;光纤光栅与胶体，胶体与基体的接触良好，没有相对滑移;粘贴 FBG 后对基体结构没有影响。为所取研究对象所受的正应力，（x，r）为各层之间的剪应力，下标 g，c 和m 分别代表光纤光栅、胶体和基体;rg 为光纤光栅的半径。对图 3 所取的光栅微元段进行受力分析，可得对胶体进行分析，取图 3 所示的微元段，横截面如图 2 中胶体部分所示为研究对象。光纤光栅与胶

7、体的弹性模量相差比较大（一般有 4 个数量级），光纤光栅与胶体同步变形，因此可以认为，可得 2 仿真分析 由式（12），（13）可以看出，影响应变传递率的因素有:裸光纤光栅的半径、光纤的弹性模量、胶体的剪切模量、光纤光栅与基体之间胶体的厚度以及粘贴长度和粘贴宽度。裸光纤光栅的半径与光纤的弹性模量一般是一个定值，下面的分析不考虑这两个因素变化的情况;在各因素一定的情况下，靠近粘贴中心处的传递率有最大值，离中心距离越远得到的传递率越小。在同一粘贴位置处，其它因素一定的情况下，胶层的厚度越薄，应变传递率越大;胶体的剪切模量越大，应变传递率越大;胶粘贴的宽度越大，应变传递率越大。表 1 影响应变传递率

8、因素及仿真参数胶体宽度 D 胶体剪切模量 Gc 裸光栅半径 rg光栅与基体之间胶体厚度 rmrg 光纤弹性模量 Eg 粘贴长度 2L 分析的基体点坐标 x 4 mm 9.3 MPa 62.5 m 100 m 72 GPa 15 mm 2 mm 在下面仿真分析中，相关参数如表1，只假定其中单个参数变化，而其它参数保持不变。模型中光栅的长度为 10 mm，粘贴长度稍长于光栅的长度，为 15 mm;材料为线弹性，基体受力方向与光纤光栅粘贴方向一致。光纤光栅仅承受基体传递的应力。当胶体剪切模量 Gc 变化，其它参数取表 1 中的数值时，得到的应变传递率图形如图 4。图 4 应变传递率随胶体剪切模量 G

9、c 的变化 由图 4 可以看出，胶体剪切模量越大，得到的应变传递率也越大;当剪切模量为 10 MPa 时，应变传递率已经达到并超过 97%。根据实际应用情况，快速、常温固化、胶泥状的环氧树脂胶更适合于光纤光栅的粘贴，其剪切模量一般不超过10 MPa。综合实用性和经济性等因素，光纤光栅的粘贴可以选择环氧树脂胶。由图 5 可以看出，胶体宽度过小会导致应变传递率很低，增加胶体宽度能增大应变传递率。当宽度达到 5 mm 时，应变传递率已达到 98%;表面粘贴 FBG 传感器所测得的应变值是粘贴部位的平均应变，如果胶体的宽度太大，则会增加粘贴部位的面积，从而测得的应变值不能很好的反映粘贴部位点的应变情况

10、。粘贴宽度的选择与具体测量的情况有关，当宽度大于 5 mm 后，应变传递率增加量已经非常小，综合考虑宽度对应变传递率的影响与粘贴面积与测量精度之间的关系，对大多数应用情况，胶体宽度可以选择 5 mm 左右。由图 6 可以看出，应变传递率随着胶体厚度的增大而减小;胶体厚度与粘贴工艺水平有直接的关系，受现有粘贴工艺水平的限制，厚度可以控制在100 m 左右，此时应变传递率达到 97%。光纤光栅的长度一般为 10 mm，图 7 为取对称的一边来分析所得到的关系图。可以看到，在光栅坐标越大的地方，应变传递率越小;在光栅的边缘处应变传递率为75%。由图 8 可以看出，应变传递率随粘贴长度的增大而增大，粘

11、贴长度与胶体宽度有相似的规律。仿真分析时是假定 FBG 的长度为 15 mm，在沿光纤光栅方向上粘贴胶体的边缘处应变传递比较复杂。一般的光栅长度为 10 mm，在粘贴时粘贴长度可以选择 15 mm，此时应变传递率将达到 95%。图 5 应变传递率随胶体宽度 D 的变化 图 6 应变传递率随厚度 rmrg 的变化 图 7 光栅的不同位置与应变传递率的关系 3 结论 图 8 粘贴长度与应变传递率之间的关系 当影响参数选择表 1 中的数值时，应变传递率为 99.8%。在工程实际的粘贴中，以上参数受各种条件的限制。综合以上分析及现有的材料、工艺水平等因素的限制，可选择如表 2 所示的粘贴参数。表 2

12、应用中粘贴的参数选择影响参数胶体剪切模量粘贴宽度光栅与基体间胶体的厚度粘贴长度参数值 10 MPa 5 mm 左右 100 m 15 mm左右 以上分析结果是基于所建的模型进行理论分析、计算、仿真得出的，今后还需要设计相应的试验对分析结果进行验证，并结合实际的工程应用得到相关参数的合理值。参考文献 1Hill K O，Fujii Y，Johnson D C，et alPhotosensitivity in opticalfiber waveguide:application to reflection filter fabrication JApplPhysLett，1978（10）:32 2

13、PhilippMNellen，Andreas Frank，Rolf Bronnimann，Urs SennhauserOptical fiber Bragg grating for tunnel surveillanceC Sensory phenomena and measurement instrument for smartstructures and materials:Proceedings of SPIENewport Beach:2000，3968:36.3Wolfgang Ecke，Stephan Grimm，et alOptical Fiber Grating Sensor Network Basing on High-Reliable Fibers and Components for Space2 craft Health MonitoringJSPIE，2001，4328:160167.4李东升，李宏男埋入式封装的光纤光栅传感器应变传递分析 J力学学报，200537（4）:435441.5周智，李冀龙，欧进萍埋入式光纤光栅界面应变传递机理与误差修正 J哈尔滨工业大学学报，2006，38（1）:4954.