一種表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器的標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖光柵測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器的標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感器以其許多獨(dú)特的優(yōu)勢，如體積小、重量輕、抗電磁干擾，同時(shí)易于大規(guī)模組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分布式測量等，逐漸取代傳統(tǒng)的電類傳感器，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。目前光纖光柵已經(jīng)成功的應(yīng)用在航空航天、海洋平臺、土木橋梁、大跨度空間結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用過程中，表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器對應(yīng)變的靈敏度會(huì)由于粘貼基底材料及粘貼劑不同引起應(yīng)變傳遞率不同而變化，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致光纖光應(yīng)變柵測量值偏離待測件應(yīng)變真實(shí)值。
[0003]目前，表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器的標(biāo)定方法沒有考慮應(yīng)變實(shí)際測量過程中粘貼基底材料及粘貼劑對光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)變靈敏度的影響，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)變測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。而光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)的可靠性，決定著光纖光柵應(yīng)變測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)的標(biāo)定對實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)變測量是非常重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的就是要提出一種適合工程應(yīng)用且可靠的表貼式光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)的標(biāo)定方法。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案:一種表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器的標(biāo)定方法，其包括如下步驟:
[0006]步驟一:選擇一個(gè)與待測件材料相同的標(biāo)準(zhǔn)件；
[0007]步驟二:在標(biāo)準(zhǔn)件上表面中央位置處進(jìn)行表面處理，去除表面油脂及雜質(zhì)后水平方向粘貼光纖光柵應(yīng)變傳感器，并布設(shè)一個(gè)光纖光柵溫度傳感器在其旁邊，光纖光柵溫度傳感器處于懸空不受力狀態(tài)，光纖光柵溫度傳感器兩端用3M膠帶固定；
[0008]步驟三:將粘貼好傳感器的標(biāo)準(zhǔn)件靜置48小時(shí)后，放在恒溫槽的槽內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)件處于無約束狀態(tài)；
[0009]步驟四:將光纖光柵傳感器與光纖光柵解調(diào)儀相連，監(jiān)測光纖光柵傳感器的波長變化；
[0010]步驟五:調(diào)節(jié)恒溫槽的溫度，恒溫保持一段時(shí)間后調(diào)節(jié)恒溫槽溫度，根據(jù)待測件實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度范圍完成一次升降溫循環(huán)；
[0011]步驟六:利用有限元分析方法得出溫度變化引起的標(biāo)準(zhǔn)件熱脹冷縮表面產(chǎn)生的應(yīng)變；
[0012]步驟七:光纖光柵傳感器波長的變化由應(yīng)變和溫度兩個(gè)因素共同影響，由光纖光柵傳感原理可知，Δ λ =Δ λ ε + Δ λτ=ΚΕ*ε +Κτ*Τ，其中，Δ λ為光纖光柵傳感器中心波長的變化，Λ λ ￡為應(yīng)變引起的光纖光柵傳感器波長的變化，Λ λ τ為溫度引起的光纖光柵傳感器中心波長的變化，KeS光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)，ε表示光纖光柵傳感器測量點(diǎn)處應(yīng)變大小，Kt為光纖光柵溫度傳感器溫度靈敏度系數(shù)，T表示光纖光柵傳感器測量點(diǎn)處溫度變化，所述的光纖光柵應(yīng)變傳感器受應(yīng)變和溫度的共同作用，而光纖光柵溫度傳感器處于懸空不受力狀態(tài)，只受溫度變化影響，通過光纖光柵溫度傳感器可以去除溫度變化對光纖光柵應(yīng)變傳感器的影響，獲得應(yīng)變對光纖光柵應(yīng)變傳感器的影響，應(yīng)變靈敏度系數(shù)Ke 通過以下公式即可求出；Κ Ε = [I Δ λ Ε「Λ λ τι I /1 ε 11 + Δ λ ε2- Δ λ Τ21 / ε 21 +...+ I Δ λεη-Λ λΤη|/| ε J]/η
[0013]其中，η為設(shè)定的溫度變化工況數(shù)，Λ λ “表示第一個(gè)工況下光纖光柵應(yīng)變傳感器波長變化，Λ λ T1表示第一個(gè)工況下光纖光柵溫度傳感器波長變化，ε 1表示第一個(gè)工況下通過有限元分析標(biāo)準(zhǔn)件由于熱脹冷縮表面產(chǎn)生的應(yīng)變大小，其他以此類推，通過對各個(gè)工況過程求得光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)累加求均值來確定最終的光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)。
[0014]進(jìn)一步的，光纖光柵應(yīng)變傳感器粘貼在與待測件相同材料的標(biāo)準(zhǔn)件上，表面處理后沿水平方向粘貼，光纖光柵溫度傳感器布置在光纖光柵應(yīng)變傳感器附近。
[0015]進(jìn)一步的，標(biāo)準(zhǔn)件表面的應(yīng)力由溫度變化引起材料自身熱脹冷縮產(chǎn)生。
[0016]進(jìn)一步的，由于溫度變化標(biāo)準(zhǔn)件自身熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力由有限元分析得出。
[0017]本發(fā)明的標(biāo)定方法的優(yōu)點(diǎn)是:
[0018](I)、本發(fā)明采用了和待測件相同材料的標(biāo)準(zhǔn)件，光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定過程中傳感器的粘貼效果模擬了實(shí)際應(yīng)用過程的效果，即標(biāo)準(zhǔn)件表面產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞到光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳遞率和實(shí)際應(yīng)用場合類似，實(shí)際應(yīng)用過程中光纖光柵應(yīng)變測量受待測件材料和粘貼劑不同引起應(yīng)變傳遞率不同影響比較小。
[0019](2)、本發(fā)明光纖光柵沿著標(biāo)準(zhǔn)件水平方向粘貼，恒溫槽內(nèi)溫度穩(wěn)定，標(biāo)定過程受溫度波動(dòng)干擾比較小，標(biāo)準(zhǔn)件熱脹冷縮產(chǎn)生的表面應(yīng)力均勻，對于光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)求取多次均值，減小了實(shí)驗(yàn)誤差。標(biāo)定過程操作簡單，貼近于實(shí)際應(yīng)用，為光纖光柵傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)變測量的準(zhǔn)確性提供了保障。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1-計(jì)算機(jī)，2-光纖光柵解調(diào)儀，3-恒溫槽、4-標(biāo)準(zhǔn)件、5-光纖光柵溫度傳感器、6-光纖光柵應(yīng)變傳感器。
[0021 ] 圖2為光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度傳感器粘貼方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。
[0023]本發(fā)明表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定方法利用有限元分析材料熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)變大小來實(shí)現(xiàn)光纖光柵應(yīng)變傳感器靈敏度系數(shù)的標(biāo)定。如圖1所示，本發(fā)明光纖光柵應(yīng)變傳感器的標(biāo)定方法的標(biāo)定系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)1、光纖光柵解調(diào)儀2、恒溫槽3、標(biāo)準(zhǔn)件4、光纖光柵溫度傳感器5、光纖光柵應(yīng)變傳感器6。如圖2所示，光纖光柵應(yīng)變傳感器沿水平方向粘貼在標(biāo)準(zhǔn)件，光纖光柵溫度傳感器布設(shè)在光纖光柵應(yīng)變傳感器附近，處于懸空不受力狀態(tài)，光柵兩端用3M膠帶固定。標(biāo)準(zhǔn)件的材料保證與實(shí)際應(yīng)用中待測件材料相同，尺寸可以根據(jù)恒溫槽的大小來確定。根據(jù)待測件實(shí)際的工作環(huán)境確定恒溫槽的溫度范圍，恒溫保持一段時(shí)間后調(diào)節(jié)溫度，通過溫度變化引起材料的熱脹冷縮來改變標(biāo)準(zhǔn)件表面的應(yīng)力大小，光纖光柵解調(diào)儀記錄整個(gè)過程光纖光柵傳感器的波長變化。光纖光柵應(yīng)變傳感器水平粘貼在標(biāo)準(zhǔn)件表面，利用有限元分析法來獲得溫度變化標(biāo)準(zhǔn)件表面產(chǎn)生的應(yīng)變。通過光纖光柵傳感原理，可計(jì)算出光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。
[0024]本發(fā)明的表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定方法具體步驟如下:
[0025]步驟一:選擇一個(gè)與待測件材料相同的標(biāo)準(zhǔn)件；
[0026]步驟二:在標(biāo)準(zhǔn)件上表面中央位置處進(jìn)行表面處理，去除表面油脂及雜質(zhì)后水平方向粘貼光纖光柵應(yīng)變傳感器，并布設(shè)一個(gè)光纖光柵