2018, Vol. 39
光纤光栅应变传感器抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀能力强、性能稳定、安全性能好[1-3], 已广泛应用于健康检测、交通运输、石油勘测、航空航天, 以及大型结构工程等领域[4-5].以Bragg光栅为基础的光纤光栅传感技术虽然取得了很大成功, 然而在发展中也遇到了瓶颈问题[6], 如波长解调成本高、解调速度低、光强解调受光源稳定性的影响大、测量范围小等, 这些问题在一定程度上限制了该项技术的发展与应用.
为扩大光纤光栅应变传感器的测量范围, 文献[7]采用一种弯梁结构, 结构应变基于两点之间距离的变化; 微动可调平移台的位移达到14 mm(对应基长190 mm), 相当于7%的应变.但是这种弯梁结构的光栅工作范围过大, 不利于解调, 也不利于复用, 因此不利于实用化.
与传统单级测量方法不同, 多级传感系统可减少各级系统使用率, 提高设备使用寿命, 更为实际有效地提高测量范围, 对实际生产应用有重要意义.本文在利用双光纤光栅强度解调的基础上, 提出一种基于伸缩杆结构的可实现多级应变测量的方法, 并进行理论分析和实验验证.
1 光纤光栅应变多级传感系统 1.1 伸缩杆结构光纤光栅多级传感系统图 1为伸缩杆结构光纤光栅多级传感系统结构图，由4级悬臂梁组成4级传感系统.每级悬臂梁对应一组解调设备, 解调出的光强信号反映该悬臂梁的应变情况.光源经过分光器进入4组解调设备.施加载荷后, 4级传感系统分别输出相应光强信号, 经算法分析可计算出当前载荷质量.
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图 1 伸缩杆结构光纤光栅多级传感系统 Fig.1 Extendable rod multi-level structure of fiber Bragg grating sensing system |
传感器箱体结构如图 2所示.
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图 2 传感器箱体结构图 Fig.2 Sensor enclosure structure 1—砝码; 2—支撑弹簧; 3—伸缩杆; 4—悬臂梁; 5—限位杆; 6—悬臂梁紧固件; 7—悬臂梁位置调节孔; 8—顶部称重板 |
顶部称重板8用于放置载荷.悬臂梁4有四级, 用悬臂梁紧固件固定于箱体四壁, 高度分别相差3 mm(理论上此范围在线性区间), 均采用等强度梁.光纤光栅分别粘贴于每级悬臂梁的上下表面, 并从紧固件6的过孔中穿出，连接到解调装置.支撑弹簧2使载荷重力以线性比例传递给悬臂梁.每级悬臂梁各对应一个伸缩杆3及限位杆5.伸缩杆具有伸缩功能, 该杆受力较小时锁定在伸长状态, 受力较大时可收缩.限位杆限定每级悬臂梁工作在各自的工作范围内, 不因载荷过大而发生塑形变形.
传感系统伸缩杆结构如图 3所示.外杆2固定于箱体的称重板上; 内杆4与悬臂梁接触, 传递载荷重力.限位小球6可在限位弹簧3作用下锁定内杆与外杆的位置, 当限位弹簧受力较大收缩时, 限位小球进入外杆内部的导轨中, 内杆进入外杆中, 伸缩杆收缩.卸载后, 内杆4在复位弹簧1作用下, 使限位小球回到限位孔内, 使伸缩杆恢复至锁定状态.套筒5可保证内杆不脱落.
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图 3 伸缩杆结构图 Fig.3 Extendable rod structure 1—复位弹簧; 2—外杆; 3—限位弹簧; 4—内杆; 5—套筒; 6—限位小球 |
伸缩杆在受力不同时具有两种状态:锁定状态和缩入状态.当只有悬臂梁作用于伸缩杆时, 伸缩杆受力较小, 限位小球卡在凹槽中, 内外杆相对位置锁定, 见图 4a.当悬臂梁形变接触到限位杆时, 伸缩杆受力较大, 限位小球从限位孔中弹出, 进入导轨, 伸缩杆自动收缩, 见图 4b.
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图 4 伸缩杆的位置状态 Fig.4 Position of the extendable rod (a)—悬臂梁作用时伸缩杆锁定状态；(b)—限位杆作用后伸缩杆缩入状态. |
1) 工作时, 上方称重板受载荷重力作用向下运动, 与之相连的伸缩杆随之运动.伸缩杆最初处于锁定状态, 顶在第1级悬臂梁上, 使其变形; 粘贴于第1级悬臂梁上的光纤光栅反射光谱发生移动, 经过解调系统解调, 可计算出载荷质量.
伸缩杆规格相同, 由于各悬臂梁之间有高度差, 故当载荷质量较小时, 第2, 3, 4级悬臂梁没有进入工作状态; 当其解调系统输出光强变化超过2 nW时(最小分辨力为1 g, 最小输出变化0.6 nW, 2 nW对应略大于3 g的过渡裕量), 则认为悬臂梁进入工作状态.
2) 为保证每级悬臂梁测量曲线的线性度, 将每级线性测量上限标定为悬臂梁挠度为3 mm时(实际线性测量范围大于此值), 即相邻两级悬臂梁高度差为3 mm.当载荷质量较大时, 第1级悬臂梁的线性测量范围已达标定上限ΔI10, 此时应使第1级悬臂梁停止工作, 第2级悬臂梁进入工作状态.设置各级悬臂梁下方限位杆与其高度差为3.5 mm(略大于3 mm, 提供一定测量裕度).第1级悬臂梁向下运动接触到限位杆时, 使伸缩杆收缩, 悬臂梁不再继续变形, 第2级悬臂梁此时已处在工作位置.实际载荷对应的光强改变量为第2级悬臂梁当前光强改变量ΔI2加上第1级悬臂梁在变形3 mm时的光强改变量ΔI10(该数据已经过标定).
3) 若测量范围仍然不够, 则可扩大测量范围到第3级直至第4级.
4) 当载荷撤离测量系统时, 在复位弹簧和支撑弹簧的作用下, 使伸缩杆、箱体回到初始位置.称重板与箱体连接处的阻尼弹簧可有效减小到达稳定过程的系统振荡.
相邻两级传感系统在工作范围过渡时, 若处理不当易产生误差.图 5为第1级传感系统向第2级传感系统过渡的数据处理流程.ΔI(m)为载荷实际产生的光强改变量, ΔI1max为第1级线性测量范围最大值.第3级, 第4级工作时数据处理方法同图 5.
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图 5 第1级传感系统向第2级过渡的数据处理流程 Fig.5 Data processing of the transition from the first level sensor system to the second level one |
根据文献[8-9]可知, 单级悬臂梁自由端顶点所受到的正应力F与其挠度关系为
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(1) |
式中:w为悬臂梁自由端顶点的挠度; L为梁的长度; E和I分别为梁的弹性模量和惯性矩.
悬臂梁自由端顶点所受正应力与两光纤光栅中心波长漂移量的关系为
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(2) |
式中:Pe为光纤光栅的有效弹光系数, 对于普通石英光纤, Pe可取0.22;λa，λb为上、下表面光纤光栅中心波长；h，b为悬臂梁的厚度和宽度.式中无温度项T, 理论上该方法可实现温度补偿.悬臂梁对载荷提供的支持力远小于弹簧提供的弹力, 但二者竖直方向变形量相同.故支撑弹簧弹力FT与悬臂梁挠度及载荷质量关系如式(3)所示, k为支撑弹簧劲度系数，m为砝码质量，g为重力加速度.
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(3) |
因此可得波长漂移量Δd:
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(4) |
除了砝码质量m, 其他各参量与悬臂梁的设计参数及光纤光栅的材料有关, 均为定值, 因此波长漂移量与砝码质量成线性相关关系.
2.2 输出光强信号与波长漂移量分析本文设计的多级系统共有4组解调装置, 均采用光强解调方案.第1级解调光路见图 6.
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图 6 第1级光纤光栅解调光路 Fig.6 Fiber Bragg grating demodulation optical path of the first level |
解调装置主要由宽带光源、解调光路、光功率计组成.经解调光路进入光功率计的光信号强度为
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(5) |
式中:k0为光功率波动相关系数; ρ为宽带光源的光谱密度, 实验中, 解调系统所用光源带宽远大于传感光纤光栅的反射谱带宽, 且所用光纤光栅反射谱带宽处在光源中心位置, 因此可认为, 在光纤光栅的频谱变化范围内ρ是均匀的; R(λ)是上下两传感光栅合成的反射谱密度函数.
文献[10]给出了光纤光栅反射谱理论分析模型:
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(6) |
式中:R0为反射谱强度峰值; λ0为反射谱强度等于R0时对应的波长值; Δλ为反射谱的3 dB带宽.悬臂梁上下表面光纤光栅相对反射强度仿真曲线如图 7所示.实际解调输出光强为二者功率重叠部分:
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(7) |
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图 7 光纤光栅的相对反射强度仿真曲线 Fig.7 Simulating curves of relative reflection intensity of the fiber Bragg grating |
光强与波长的关系为超越函数, 已知中心波长漂移量可求其数值解.理论仿真得其关系曲线如图 8所示.
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图 8 输出光强Iopt与波长漂移Δd关系及其拟合曲线 Fig.8 Relationship between the output intensity and the wavelength drift and the fitting curve |
由图 8可以看出, 两光纤光栅中心波长漂移量大于0.2 nm时的仿真曲线线性度较差.将0~0.2 nm的数据作直线拟合, 求出的拟合曲线Iopt=-1.183 2Δd+0.350 9, 相关指数R2=0.997.因此设计时令Δdmax≤0.2 nm.
3 实验测试与分析实验设计的4级悬臂梁以有机玻璃为材料, 相关参数分别为:L=200 mm, b=40 mm, h=2 mm.实验时, 先固定第1级悬臂梁, 使其与对应的伸缩杆相接触, 然后固定其他3级悬臂梁, 使其高度各差3 mm.维持光源恒定, 施加载荷为0时, 测得第1级输出光强为358.2 nW, 对系统施加0到1.6 kg砝码, 每次增加20 g, 待系统稳定后, 记录解调系统的各级光功率计检测值, 并将其变化量ΔIopt与输出光强初始值I0作比值处理.
作出施加载荷质量与相对光强改变量关系曲线, 在保证测量精度的前提下, 用最小二乘法对其进行拟合, 其中第1级解调系统相对光强改变量与载荷关系及其拟合曲线如图 9所示.
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图 9 第1级相对光强与载荷关系及其拟合曲线 Fig.9 Relationship between relative light intensity and load of the first level and its fitting curve |
求得拟合方程为ΔIopt/I0=0.001 7 m+0.023 4, 相关系数R2为0.996.当载荷为400 g时, 上下两光栅中心波长差为0.191 nm, 由图 9可看出, 第1级传感系统在0~400 g的测量范围内, 测量灵敏度为0.6 nW/g.其余3级传感系统输出曲线特性与第1级相同, 分别对应测量区间400~800 g, 800~1 200 g, 1 200~1 600 g, 拟合方程相关系数均在0.99以上.该结果验证了多级传感测量系统具有较好的应力响应性能, 且可有效扩大测量范围.
4 结语1) 基于伸缩杆结构的光纤光栅多级传感系统可对温度漂移影响进行自补偿.
2) 在保证测量分辨力及灵敏度的同时扩大了传感器的测量范围.
3) 传感器结构紧凑, 易于多路复用.
4) 传感系统测量范围大, 系统稳定性高, 调整结构参数后, 有望应用于汽车载荷动态称重领域.
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