某型Fabry-Perot光纖應變計的傳感特性試驗
2016-2-3 來源：中國艦船研究設計中心 作者：肖邵予 汪浩
摘要：光纖應變傳感技術在國外已廣泛應用于船體結構健康監測之中，而在國內鮮有工程實際應用的嘗試，究其原因，光纖傳感器的結構封裝是影響光纖傳感技術工程化應用的重要因素。針對某船體結構應力監測系統原理樣機所選型的Fabry-Perot光纖應變計，介紹其測量原理，建立封裝結構試驗模型，并對該結構開展了靜態應變傳感特性、動態應變傳感特性以及溫度特性的試驗研究。分析結果表明，該型光纖應變計靜態、動態應變測量結果與基于電阻應變片的電測法結果偏差小于2%，從而驗證了光纖應變計測量數據的準確性。同時，應變—溫度的關系曲線也表現出良好的一致性和線性，這表明該型光纖應變計的封裝結構能滿足艦船溫度環境條件。
關鍵詞： Fabry-Perot； 光纖應變計； 光纖傳感； 船體結構； 健康監測
0 引言
應變測量是土木建筑、石油工業、汽車、航天飛行器和船舶等結構健康監測中的重要測量項目。近30 年來，隨著光纖傳感技術的飛速發展，以光波為載體、光纖為媒質來感知和傳輸外界被測信號的光纖傳感技術在很多場合已取代基于電阻應變片的電測法，并應用到結構健康監測中去。由于光纖傳感技術具有抗電磁干擾、電絕緣、本質安全、便于復用以及便于成網等優點，現已成為傳感領域最重要的技術之一，并形成了一個龐大的產業和穩定的研究領域。其中，從上世紀90年代起，國外已將光纖傳感技術應用到船體結構健康監測中。
光纖傳感器不同于傳統傳感器，其裸光纖非常纖細，抗剪能力差，除要考慮光纖傳感的基本原理外，其傳感器的封裝工藝也必須滿足工程應用需求，這是因為封裝工藝一方面能夠保護傳感器，以增加其在安裝和使用過程中的存活率，另一方面封裝工藝還能改變傳感器的應變傳遞特性。因此，光纖傳感器結構封裝是影響光纖傳感技術工程化應用的主要原因之一。美國、日本、英國、加拿大、荷蘭等國在光纖傳感器研制領域已處于領先地位，這些國家基本實現了光纖傳感器的產業化和工程化，而國內主要集中在一些研究單位，仍未完成由實驗室向產品過渡的階段。
國內武漢理工大學、天津大學等高校已經開展光纖傳感技術在船體結構監測應用的相關研究。侯超針對集裝箱船的結構特點，以光纖傳感技術為基礎對集裝箱船的疲勞和應力集中部位監測進行研究，從理論角度論證了光纖應變傳感器在船體結構監測中應用的可行性。王為指出光纖傳感器結構封裝設計是船體結構健康監測的關鍵技術之一，并選用 Micron Optics 公司的 2 型點焊式應變計開展傳感器性能試驗研究。梁文彬針對船體結構特點提出了一種簡易的表面粘貼式光纖應變計結構封裝方案，并對幾種不同封裝材料和粘接膠進行對比試驗。本文針對某船體結構應力監測系統原理樣機所選型的Fabry-Perot（F-P）光纖應變計，在實驗室條件下分別對其進行靜態應變傳感特性、動態應變傳感特性以及溫度特性的試驗研究。
1 Fabry-Perot光纖應變計原理
1.1 測量原理
Fabry-Perot 光纖應變計是基于 Fabry-Perot（簡稱 F-P）白光干涉原理，將 F-P 空腔作為應變傳感元件。其結構原理圖如圖 1 所示，可先在精密加工平整的兩光纖端面制備反射鏡，然后將制備好的2根光纖插入微細管內，由此可在2個反射鏡間形成 F-P腔。隨后，將光纖與微細管進行焊接或粘接以形成F-P光纖應變計。當試件受力發生變形時，試件上的光纖應變計也隨之變形， F-P腔長變化與被測應變的關系為： 
式中：光纖應變計長度 L 為兩焊接或粘接點的間距，μm；d為F-P腔長，μm。
式中：光纖應變計長度 L 為兩焊接或粘接點的間距，μm；d為F-P腔長，μm。
1.2 信號解調原理
F-P 光纖應變計的信號解調技術有很多種，目前白光正交干涉法是相對比較成熟的技術，其信號解調原理如圖2所示。
圖中可見，白光光源發出的白光通過光纖進入充當功率分配器的耦合器，第1路輸出通過光連接器連接到信號解調模塊的前面板。第2路輸出則不做使用。白光通過光纖應變計調制后反射的光信號先經過一個圓柱鏡進行擴展，當擴展成均勻的光柱后，即照射在Fizeau干涉儀上。Fizeau干涉儀有一個楔形空腔，當該楔形空腔某一點的寬度等于應變計 F-P空腔的長度時，該點反射的光強最大。因此，當光纖應變計 F-P空腔長度因外界作用而產生變化時，Fizeau 干涉儀上能產生最強反射光的位置會隨之改變，且最強反射光在CCD上的投射位置也會因此改變。隨后，通過讀出 CCD 上最強反射光的位置就可以計算光纖應變計F-P空腔長度，并通過公式（1）計算出外界作用的應變。
1.3 封裝結構
本文所選用的光纖應變計采用不銹鋼管和不銹鋼片聯合的封裝形式。該光纖應變計由一根細徑不銹鋼管（直徑約1 mm）焊接在不銹鋼片（厚度0.15 mm）上，該不銹鋼片則作為基片點焊于被測鋼結構表面。組成F-P空腔的2根光纖則采用特殊膠粘接在不銹鋼管內，其結構如圖3所示（單位：mm） 。
綜上所述，該型光纖應變封裝形式特點如下：
1）不銹鋼片與被測鋼結構件采用點焊方式進行連接，相比膠粘方式更為牢固可靠；
2）與一般船體結構用鋼厚度相比，不銹鋼片0.15 mm的厚度很薄，其剛度與被測鋼結構相比而言可以忽略，當將其點焊于被測鋼結構時，其應變傳遞損耗很小；
3）不銹鋼材料與一般船體結構用鋼的彈性模量比較接近，不容易出現應力集中現象，工程上一般推薦采用不銹鋼材料作為光纖傳感器的封裝材料；
4）將不銹鋼片與細徑不銹鋼管進行焊接固定， 其應變傳遞損耗很小。
2 試驗研究
2.1 靜態應變傳感特性試驗研究
結構模型采用 Q235A 碳鋼，由懸臂梁板和底座組成。懸臂梁是一塊 800 mm×100 mm×10 mm的鋼板； 底座厚度為 25 mm， 底座肘板厚 10 mm。底座通過螺栓固定在剛性平臺上， 并采用油壓手動式千斤頂放置于懸臂梁自由端來提供垂直向上的力。裝置示意圖如圖4所示(單位： mm)。
應變測點（共8個）布置在懸臂梁上，編號1~4號點為電阻應變片測點，編號5~8號點為光纖應變計測點，方向位置如圖5所示(單位：mm)。
通過在懸臂梁自由端頂升千斤頂，可使懸臂梁發生變形，從而得到應變值。懸臂梁自由端的位移從 0 mm 開始，當信號穩定后開始頂升千斤頂，使得懸臂梁自由端位移依次為11，14，18和23 mm。然后，開始逐步卸載，減小位移值，直至回到初始狀態。重復上述步驟 3次，并對自由端每一個位移值所對應的 3 次應變測量值進行算術平均，該平均值即為該位移值所對應的應變測量值。由上可知，電阻應變片測量的應變值與位移值線性關系良好，其加載和卸載曲線吻合得很好。圖6所示為電阻應變片1號應變測點的加載、卸載曲線。
由于結構模型的對稱性，電阻應變片 1~4 號應變測點可分別對應光纖應變計 5~8 號應變測點。圖 7 和圖 8 分別為電阻應變片 1 號應變測點和光纖應變計 5號應變測點加載和卸載曲線的對比。圖中可看出，光纖應變計加載、卸載曲線與電阻應變片曲線較為一致。卸載過程中相同位移對應的應變值2條曲線的最大偏差僅為1.7%，因此，光纖應變計靜態應變傳感特性試驗結果可信。
2.2 動態應變傳感特性試驗研究
動態應變試驗的模型裝置與靜態應變試驗裝置相同，主要在懸臂梁自由端采用錘擊以產生瞬態激勵，記錄并對比電阻應變片和光纖應變計的時間信號。
由于電阻應變測量系統和光纖應變測量系統的采樣起始時間和采樣頻率有所差別，各采樣點的應變值無法完全吻合，因此，選擇將2套系統所采集的前10個波形曲線進行對比，同時還對其峰值平均值進行對比。
如圖9所示，電阻應變片1號應變測點和光纖應變計 5號應變測點的波形曲線吻合較好，峰值平均值偏差為 1.1%，因此，光纖應變計動態應變傳感特性試驗結果可信。
2.3 溫度特性試驗研究
將解調儀和光纖應變計分別置于 MC-711高低溫試驗箱和 MHU-225CNSA 高低溫試驗箱內，并連接好線路。放置光纖應變計的箱內溫度設定低溫為-10 ℃，高溫為80 ℃；放置光纖解調儀的箱內溫度設定為25 ℃時，保持恒溫1 h。整個過程中，接通電源使產品處于通電工作狀態。在不對傳感器施加任何應力的情況下，先從低溫升至高溫，然后再從高溫降至低溫。期間，選取6個溫度間隔來測量傳感器的應變輸出值，每次升溫后至少保持穩定1 h左右，并從-10～80 ℃重復測量3次，記錄系統應變輸出值。循環溫度設定如圖 10所示。
圖 11 所示為 WF10009 光纖應變計分別經歷溫度循環 1次，2次和 3次的應變—溫度對比曲線。從圖11 （a）可以看出，在單次溫度循環試驗中，光纖應變計保持了良好的應變—溫度線性關系，同時升溫和降溫過程也保持了良好的一致性；從圖 11（b）和圖11（c）可以看出，每次溫度循環具有良好的重復性和一致性。
該光纖應變計的應變—溫度曲線的線性回歸方程為y=18.17x-440.69， 線性相關度R = 0.999 8，光纖應變計的溫度系數β為 18.17με/℃。從光纖應變計的封裝結構來看，該型應變計的溫度系數與不銹鋼材料和粘接膠有關。廠家提供不銹鋼材料常溫下的線性熱膨脹系數為 18 με/℃，該值與溫度循環試驗測量的溫度系數β值極為接近。同時，不銹鋼管內采用粘接膠也有一定貢獻，但總體影響可以忽略。
3 結語
國內，光纖應變傳感技術已在土木建筑、橋梁工程、航空航天和海洋石油平臺等結構健康監測中得到應用，而在船體結構健康監測的工程應用領域則報道較少。本文針對某船體結構應力監測系統原理樣機所選型的光纖應變計，在實驗室條件下建立了懸臂梁模型，并通過靜態應變傳感特性試驗研究、動態應變傳感特性試驗研究和溫度特性試驗研究嘗試對試驗數據的準確性進行初步試驗研究，從而驗證了光纖應變計在船體結構健康監測中應用的可行性。
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