CN117889898B - 一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，应用于结构健康监测技术领域。包括应变传感器、双金属温度传感器、第一FBG和第二FBG；温度传感器包括基底和应变传递梁，应变传递梁设置在基底上，应变传递梁上设置有第一FBG，热膨胀效应引起基底的长度发生变化，通过应变传递梁传递给第一FBG，应变传递梁的距离可调节，适应不同测试环境所需灵敏度；应变传感器为环形，设置在温度传感器的外侧，应变传感器上设置圆形空心孔和柔性铰链，柔性铰链处设置有第二FBG。本发明的双参量FBG传感器应变灵敏度和温度灵敏度高，抗振性能好，响应不受频率的影响，在复杂工作环境下仍具有良好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，更具体的说是涉及一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器。
背景技术
应变、温度测量对于机械工程、油气勘探、航空航天、地震监测等长期处于振动环境下的监测研究具有重要意义，也是对关键基础设施进行灾害预警和科学管理的重要检测内容，能够实现广泛的工程应用。现有的单一参量测量的检测方式主要利用电磁类传感器，其具有量程大、技术较为成熟等优点，但是电磁类传感器容易受到电磁干扰，并且寿命短、不适用于长期监测。目前，基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术的温度、应变双参量测量是该领域的重要研究方向之一。FBG作为一种光学传感元件，具有体积小、传输损耗低和电磁绝缘等优点，能够在恶劣的环境下替代电磁类传感器，提高远程在线监测的能力。
近年来，FBG传感技术不断发展，且FBG的中心波长同时受到应变和温度的影响，所以应变、温度测量一直是研究热点。现有的FBG传感器中，主要有以下几种：基于少模光纤(FMF)和FBG组成的双参量温度应变传感器，由一段单模光纤(SMF)通过一段FMF偏移拼接制成，温度灵敏度为-34.3 pm/℃和10.7 pm/℃，应变灵敏度为-2 pm/µε和0.67 pm/µε；具有混合结构的紧凑型光纤传感器，将FBG和温度无关的FP干涉仪相结合，可以实现应变和温度的识别，应变和温度灵敏度分别为2.1 pm/µε和7.82 pm/℃；以FBG为敏感元件的柔性铰链应变传感器，传感器采用桥式位移放大结构，增大被测物体的位移和变形，应变灵敏度为1.8870 pm/με；基于光纤光栅的新型可焊接应变传感器，传感器可以直接焊接到金属结构上，由毛细管不锈钢管和热固性环氧树脂粘接的传感元件组成，其应变灵敏度为1.2 pm/µε；采用热膨胀系数大的铝合金作为FBG温度传感器衬底材料并设计应变解耦结构，避免应变影响对温度测量造成误差，温度灵敏度为27.3 pm/°C；基片式温度传感器封装结构，在5-100 Hz频率下，FBG波长漂移量在1.5 pm以内，封装在10-60℃范围内具有线性温度响应，灵敏度为40.4 pm/℃，约为裸光纤的4倍。虽然现有的FBG传感器已经实现应变、温度双参量测量，但是测量性能不足一直是阻碍传感器发展的瓶颈问题。因此，如何提供用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，解决现有的FBG传感器应变、温度双参量测量性能不足的瓶颈问题，满足振动环境下应变和温度的同时测量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，包括应变传感器、双金属温度传感器、第一FBG和第二FBG；其中，温度传感器包括基底和应变传递梁，应变传递梁设置在基底上，应变传递梁上设置有第一FBG，热膨胀效应引起基底的长度发生变化，通过应变传递梁传递给第一FBG，提高第一FBG的温度灵敏度系数，应变传递梁的距离可调节，适应不同测试环境所需灵敏度；应变传感器为环形，设置在温度传感器的外侧，应变传感器上设置圆形空心孔和柔性铰链，应变传感器的上方柔性铰链处设置有第二FBG。
可选的，应变传感器的直径为34mm，第二FBG的两端通过点胶固定。
可选的，应变传感器的应变增敏倍数k为：
；
式中，L AB为应变传感器的直径，ΔL AB 为应变传感器的直径变化量，L CC ， 为出FBG点胶固定位置之间的距离，ΔL CC ， 为第二FBG点胶固定位置之间的距离变化量。
可选的，温度传感器的结构热膨胀引起的第一FBG应变ε为：
；
式中，α 1为基底的热膨胀系数，α 2为应变传递梁的热膨胀系数，ΔT为温度变化值，L 1为应变传递梁固定点之间的长度，L 2为第一FBG传感光纤长度；
第一FBG中心波长变化为：
；
式中，λ B 为第一FBG中心波长，Δλ B 为第一FBG中心波长变化量，P e 为光纤弹光系数，为光纤热光系数；
第一FBG温度灵敏度系数K T 为：
；
将应变传递梁固定点之间长度L 1与第一FBG传感光纤长度L 2的比值、基底的热膨胀系数α 1和应变传递梁的热膨胀系数α 2作为温度传感器的关键参数。
可选的，基于温度传感器的关键参数确定温度传感器的设计参数，分别取L 1/L 2的值为0-6，基底的热膨胀系数α 1的值为从0.510-6/℃到30/>10-6/℃、应变传递梁的热膨胀系数α 2的值为从0.5/>10-6/℃变化到30/>10-6/℃，将上述数值代入应变ε和温度灵敏度系数K T 的计算公式，分别得到L 1/L 2、基底的热膨胀系数α 1、应变传递梁的热膨胀系数α 2对第一FBG应变量ε和第一FBG温度灵敏度系数K T 的影响，确定温度传感器的设计参数。
可选的，温度传感器的基底上还设置有耳片。
可选的，应变传感器的材料为304钢，基底的材料为7075铝，应变传递梁的材料为4J36因瓦合金。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，具有以下有益效果：本发明的双参量FBG传感器应变灵敏度和温度灵敏度高，抗振性能好，响应不受频率的影响，在复杂工作环境下仍具有良好的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的光纤光栅传感器结构示意图；
图2为本发明的应变传感器柔性铰链示意图；
图3为本发明的应变传感器的等效模型图；
图4为本发明的温度传感器的等效模型图；
图5为本发明实施例中应变传递梁固定点之间长度与FBG传感光纤长度的比值对温度灵敏度系数分析结果图；
图6为本发明实施例中基底的热膨胀系数对温度灵敏度系数分析结果图；
图7为本发明实施例中应变传递梁的热膨胀系数对温度灵敏度系数分析结果图；
图8为本发明实施例中光纤光栅传感器的x方向总变形云图；
图9为本发明实施例中光纤光栅传感器温度分布仿真结果图；
图10为本发明实施例中力对FBG中心波长的影响结果图；
图11为本发明实施例中应变对FBG中心波长的影响结果图；
图12为本发明实施例中不同温度下FBG中心波长拟合曲线图；
图13为本发明实施例中20℃时FBG波动曲线图；
图14为本发明实施例中30℃时FBG波动曲线图；
图15为本发明实施例中40℃时FBG波动曲线图；
图16为本发明实施例中双参量FBG传感器的幅频特性曲线图；
图17为本发明实施例中原理样机的应变和温度中心波长拟合曲线；
图中：1-应变传感器、11-柔性铰链、12-圆形空心孔、2-温度传感器、21-基底、22-应变传递梁、23-耳片、3-第一FBG、4-第二FBG。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，如图1所示，包括应变传感器1、双金属温度传感器2、第一FBG3（光纤布拉格光栅）和第二FBG4；其中，温度传感器2包括基底21和应变传递梁22，应变传递梁22设置在基底21上，应变传递梁22上设置有第一FBG3，热膨胀效应引起基底21的长度发生变化，通过应变传递梁22传递给第一FBG3，提高第一FBG3的温度灵敏度系数，应变传递梁22的距离可调节，适应不同测试环境所需灵敏度；应变传感器1为环形，设置在温度传感器2的外侧，应变传感器1上设置圆形空心孔12和柔性铰链11，应变传感器1的上方柔性铰链11处设置有第二FBG4。
在本发明实施例中，应变传感器1上设置的柔性铰链11的具体形状如图2所示；圆形空心孔12可以避免应力集中导致材料出现断裂或者产生疲劳裂纹。
进一步的，应变传感器1的直径为34mm，第二FBG4的两端通过点胶固定。
在本发明实施例中，应变传感器1的等效模型如图3所示，当传感器受到拉伸力作用时，表面产生的应变为：
；
进一步的，应变传感器1的应变增敏倍数k为：
；
式中，L AB为应变传感器1的直径，ΔL AB 为应变传感器1的直径变化量，L CC ， 为出第二FBG4点胶固定位置之间的距离，ΔL CC ， 为出第二FBG4点胶固定位置之间的距离变化量。
应变传感器1的应变主要集中在第二FBG4点胶固定位置之间，而其他区域无明显变形，因此应变传感器1的直径变化量ΔL AB 与第二FBG4点胶固定位置之间的距离变化量Δ L CC ， 相等；因为L CC ， 为粘贴光纤的长度，则L AB大于L CC ， ，所以比值大于1，这是提高第二FBG4应变灵敏度的基本原理。
在本发明实施例中，温度传感器2的等效模型如图4所示，当温度变化ΔT时，光纤长度的变化量ΔL可表示为。
进一步的，温度传感器2的结构热膨胀引起的第一FBG3应变ε为：
；
式中，α 1为基底21的热膨胀系数，α 2为应变传递梁22的热膨胀系数，ΔT为温度变化值，L 1为应变传递梁22固定点之间的长度，L 2为第一FBG3传感光纤长度；
第一FBG3中心波长变化为：
；
式中，λ B 为第一FBG3中心波长，Δλ B 为第一FBG3中心波长变化量，P e 为光纤弹光系数，为光纤热光系数；
第一FBG3的温度灵敏度系数K T 为：
；
将应变传递梁22固定点之间长度L 1与第一FBG3传感光纤长度L 2的比值、基底21的热膨胀系数α 1和应变传递梁22的热膨胀系数α 2作为温度传感器2的关键参数。
在本发明实施例中，P e =0.22，=6.5×10-6/°C，λ B =1550nm，由于温度的变化，基底21和应变传递梁22的长度会有所改变，长度的变化也会因其热膨胀系数的不同而有所差异，第一FBG3中心波长随之产生差值。第一FBG3受到应变量越大，中心波长漂移量也就越大。因此，为实现高灵敏度的温度测量，可以选择合适基底21和应变传递梁22的长度和材料，参数选择对于温度灵敏度的大小至关重要。
进一步的，基于温度传感器2的关键参数确定温度传感器2的设计参数，分别取L 1/L 2的值为0-6，基底21的热膨胀系数α 1的值为从0.5×10-6/°C到30×10-6/°C、应变传递梁22的热膨胀系数α 2的值为从0.5×10-6/°C变化到30×10-6/°C，将上述数值代入应变ε和温度灵敏度系数K T 的计算公式，分别得到L 1/L 2、基底的热膨胀系数α 1、应变传递梁的热膨胀系数α 2对第一FBG3应变量和第一FBG3温度灵敏度系数K T 的影响，确定温度传感器的设计参数。
在本发明实施例中，将应变传递梁22固定点之间长度L 1与第一FBG3传感光纤长度L 2的比值、基底21的热膨胀系数α 1和应变传递梁22的热膨胀系数α 2的分析结果分别如图5、图6、图7所示，可以看出，L 1/L 2的值和基底21的热膨胀系数α 1越大温度灵敏度越高，而随着应变传递梁22的热膨胀系数α 2增加，温度灵敏度越来越小。为确保传感器达到理想的温度灵敏度，基底21选用热膨胀系数较高的材料，应变传递梁22选用热膨胀系数较低的材料。考虑到传感器以小型化为目标以及光栅栅区有效长度，选取L 1/L 2的值为6、5、4三种。
进一步的，温度传感器2的基底21上还设置有耳片23。如果实际应用过程中温度传感器2受到y方向的形变，可以将耳片23进行固定避免y方向形变对光纤光栅测温时造成的影响，最终使结构应变只能传递到耳片23部分，能够达到应变解耦目的。
进一步的，应变传感器1的材料为304钢，基底21的材料为7075铝，应变传递梁22的材料为4J36因瓦合金。
更进一步的，在本发明实施例中，采用Solidworks软件对传感器进行建模，并利用ANSYS Workbench软件对传感器进行仿真分析，设置传感器模型材料参数和网格划分等操作，使用静应力分析和静态热分析工具，通过仿真云图对传感器结构进行分析，以验证传感器在实际使用中的性能。传感器零件材料属性如表1所示：
表1
对模型进行网格化处理。传感器左端固定，右端为自由端。在传感器基片自由端施加水平方向的拉力F x 为20 N，得到传感器的x方向总变形云图，如图8所示。对温度分布进行仿真，选择稳态热分析，设定基片温度为40℃，温度分布结果如图9所示。传感器的变形趋势是对称的，应变主要集中在应变传感器1区域，其中上下x方向上柔性铰链11是变化最大的部分，而温度传感器2的应变主要集中在耳片23结构上，其他区域没有产生明显的应变，这说明应变传感器1部分几乎承担了整个测量区域的变形。而稳态热仿真中光纤光栅粘贴放置处应变传递梁22的温度达到39.996℃，并且应变传递梁22的温度分布均匀，能够较好传导基底21底部的温度。而应变传感器1粘贴光纤处几乎没有温度变化，所以温度变化不会对应变效果造成干扰。
更进一步的，在本发明实施例中，对传感器进行性能测试，光纤应变测试系统主要由拉伸机、FBG解调仪和计算机组成，其中拉伸机采用东莞泓进检测仪器有限公司HYA-PC-1011B型号，最大力值为5 kN，有效测力范围为0.4%-100%(0.5级)，分辨率为最大负荷的1/300000，采样频率400次/秒，适用于金属及非金属材料的测试，FBG信号解调仪采用北京为韵科技有限公司MWY-FBG-CS800型号，其采样频率最高可达1 kHz，利用上述设备搭建应变传感器1测试系统。为得到双参量FBG传感器应变参量的线性度和灵敏度，设置载荷范围为0N至2 kN，步长为200 N，待中心波长稳定后，对实验数据进行记录，载荷加至最高后同样以200 N的步长卸载并记录数据。上述过程为一个周期，实验重复进行三次，分别得到载荷对FBG中心波长漂移量的影响和应变对FBG中心波长漂移量的影响，测量结果如图10和图11所示，其中图10为力对FBG中心波长的影响，图11为应变对FBG中心波长的影响；可以看出，本实施例中应变传感器1的灵敏度达到3.056 pm/με，为裸FBG的2.62倍，而温度传感器2几乎与裸FBG灵敏度相同，应变变化不会对温度测量效果造成干扰。
更进一步的，在本发明实施例中，对传感器进行温度性能测试，光纤温度测试系统主要温控箱、FBG解调仪和计算机组成。其中温控箱采用天津中科美其有限公司的MQTH1000F-2N型温控箱。可实现-70℃至170°C之间的温度测量，精度为±0.01℃，波动度不超过±0.5℃，偏差不超过±2.0℃，能够充分满足本实验对高精度温度控制的要求。设置温控箱初始温度为-20℃，以10℃为一个步长升高至40℃，待达到测量温度点，箱内温度示值稳定后，传感器在保持该温度放置半小时，记录光纤光栅解调仪显示当前的反射中心波长值。然后，按照相同操作步骤从40℃以10℃为一个步进降低回-20℃，完成一次循环，如此，共循环3次。实验过程中记录了7组不同温度时的裸FBG、应变传感器1、温度传感器2(L 1/L 2不同)和应变传感器1的FBG波长不同温度时变化情况，得到FBG中心波长拟合曲线如图12所示；双参量FBG传感器与裸FBG在测量物体表面温度时，温度传感器2的灵敏度更高，应变传感器1几乎与裸FBG灵敏度相同，温度变化不会对应变效果造成干扰。在基底21与应变传递梁22材料相同的情况下，L 1/L 2值越大，其灵敏度也越大。在基本满足测量量程的同时，可根据不同应用需求调节温度灵敏度系数。
根据以上结果进行FBG在恒定温度下中心波长的变化情况实验，以评估其恒温波动度。波动度越小，说明其测量结果越可靠，而传感器的表现也更加稳定。由于传感器所处环境相同，在本发明实施例中L 1/L 2=6 mm，选择了20℃、30℃、40℃三个温度点，对FBG的恒温波动性进行了测试，并对其波动性进行了深入的分析。图13、图14、图15分别为L 1/L 2=6 mm温度传感器2FBG在20℃、30℃、40℃三个温度点下的波动曲线。可以看出，在0~1800秒传感器中心波长处于上升阶段，在1800~2500秒时波长趋于稳定，在3500秒时记录中心波长的数据。在20℃、30℃、40℃三个温度点下，中心波长上下跳动均不超过5 pm，温度波动上下不超过0.1℃，这表明传感器波动度较小，稳定性较好。
更进一步的，在本发明实施例中，对传感器进行振动性能测试，在机械工程、油气勘探、航空航天、地震监测等长期处于振动环境中传感器会受到外界的影响，为保证传感器后续工作正常进行，自身必须具备足够的抗振能力。因此，对该传感器进行振动试验测试，双参量FBG传感器用螺丝固定在振动台上。由于模拟环地震环境下工作，所以加速度设置为0.2 g，将振动信号的频率调整在5 Hz-100 Hz的范围内，初始采样点为5 Hz，后续频率分每5 Hz采样一次。分别记录每个频率下波长的中心波长漂移量。双参量FBG传感器的幅频特性曲线如图16所示，可以看出，在5-100 Hz的频率范围内，传感器的幅频率特性曲线相对平坦，双参量FBG传感器的应变、温度部分FBG波长漂移量均在1 pm以内，响应不受频率的影响，工作振动环境下仍具有良好的性能。
更进一步的，在本发明实施例中，对双参量FBG原理样机性能进行测试，在复杂环境实际工程需求时，传感器安装困难。而现有双参量FBG传感器应用场景存在局限性，只能进行表面应变和温度的测量，所以在结合测试环境及工程实践经验后，基于上述双参量FBG传感器设计工程样机整体结构，对双参量FBG传感器进行筒式保护。原理样机主要由一个空心密封圆筒和双参量FBG传感器组成，将原理样机(在本实施例中L 1/L 2=6 mm)分别放置于应变测试系统和温度测试系统中并分别以同样的方式进行测试。得到应变和温度中心波长拟合曲线如图17所示。由图17实验数据可得，应变灵敏度为1.73 pm/με，温度灵敏度为42.61pm/℃，原理样机应变、温度灵敏度都低于双参量FBG传感器，经分析主要原因是为了增加原理样机的保护性，设置的筒壁过厚，传感器置于筒底，导致外界的应力和温度不能很好的传导到原理样机的内部。
本发明实施例中的双参量FBG传感器与其他论文应变、温度传感器2的性能研究的比较如表2所示：
表2
可以看出，本发明实施例提出的双参量FBG传感器具有较高的灵敏度和较好的性能，并在加速度0.2 g，频率5-100 Hz范围内，响应不受频率的影响，可以在复杂工作环境下仍具有良好的性能，应变灵敏度为3.06 pm/µε，约为裸FBG的2.62倍，双参量FBG传感器温度灵敏度为50.2 pm/℃，约为裸FBG的4.97倍。在5-100 Hz抗振性能测试中，双参量FBG传感器的应变、温度部分FBG波长漂移量均在1 pm以内。但在原理样机测试中性能相较于双参量FBG传感器有所下降，所以工程方案可以进一步改进原理样机筒尺寸、传感器结构设计，使其能够早日应用于复杂环境下的在线监测和故障诊断中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，其特征在于，包括应变传感器、温度传感器、第一FBG和第二FBG；其中，温度传感器包括基底和应变传递梁，应变传递梁设置在基底上，应变传递梁上设置有第一FBG，热膨胀效应引起基底的长度发生变化，通过应变传递梁传递给第一FBG，提高第一FBG的温度灵敏度系数，应变传递梁的距离可调节，适应不同测试环境所需灵敏度；应变传感器为环形，设置在温度传感器的外侧，应变传感器上设置圆形空心孔和柔性铰链，应变传感器的上方柔性铰链处设置有第二FBG；
应变传感器的直径为34mm，第二FBG的两端通过点胶固定；
应变传感器的应变增敏倍数k为：
式中，LAB为应变传感器的直径，ΔLAB为应变传感器的直径变化量，LCC'为出FBG点胶固定位置之间的距离，ΔLCC'为出第二FBG点胶固定位置之间的距离变化量；
温度传感器的结构热膨胀引起的第一FBG应变ε为：
式中，α1为基底的热膨胀系数，α2为应变传递梁的热膨胀系数，ΔT为温度变化值，L1为应变传递梁固定点之间的长度，L2为第一FBG传感光纤长度；
第一FBG中心波长变化为：
式中，λB为第一FBG中心波长，ΔλB为第一FBG中心波长变化量，Pe为光纤弹光系数，ξf为光纤热光系数；
第一FBG温度灵敏度系数KT为：
将应变传递梁固定点之间长度L1与第一FBG传感光纤长度L2的比值、基底的热膨胀系数α1和应变传递梁的热膨胀系数α2作为温度传感器的关键参数。
2.根据权利要求1所述的一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，其特征在于，基于温度传感器的关键参数确定温度传感器的设计参数，分别取L1/L2的值为0-6，基底的热膨胀系数α1的值为从0.5×10-6/℃到30×10-6/℃、应变传递梁的热膨胀系数α2的值为从0.5×10-6/℃变化到30×10-6/℃，将上述值代入应变ε和温度灵敏度系数KT的计算公式，分别得到L1/L2、基底的热膨胀系数α1、应变传递梁的热膨胀系数α2对第一FBG应变量ε和第一FBG温度灵敏度系数KT的影响，确定温度传感器的设计参数。
3.根据权利要求1所述的一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，其特征在于，温度传感器的基底上还设置有耳片。
4.根据权利要求1所述的一种用于应变与温度双参量测量的光纤光栅传感器，其特征在于，应变传感器的材料为304钢，基底的材料为7075铝，应变传递梁的材料为4J36因瓦合金。
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