一种对光纤传感器、光纤光栅应变参数的校准的方法

摘要

一种对光纤传感器、光纤光栅应变参数校准的方法，采用位移测量法，将精密位移传感器和光纤传感器相结合的方式制作标准传递件产生标准应变量，间接达到对光纤传感器、光纤光栅应变参数的校准，其特征在于，标准传递件包括“凹”字形光学支架、标准光纤传感器、精密位移传感器、位移传感器控制器，“凹”字形光学支架由光学滑轨导槽、固定端、自由端组成，自由端、固定端上方刻有“V”形槽，位移传感器的底座和滑轨由螺栓固定，横向上和光学支架的自由端连接，通过数据线和位移传感器控制器相连接。

说明书

技术领域

本发明涉及对光纤传感器、光纤光栅应变参数的校准的方法。

背景技术

基于布里渊散射式的光纤传感器(光纤陀螺光纤环)和基于光纤光 栅的应变传感器(FBG)，广泛应用于航空航天器件的姿态控制、精确 制导及大型桥梁建筑的健康检测领域。将布里渊散射系数、波长漂移 量和光纤所承受的应变联系起来。这些方法存在仪器昂贵，难以溯源 等缺点。现有的校准测试方法，大多是采用比对测量的方式，测试精 度难以保证。光纤环内部的应力分布状况及其质量直接影响着光纤陀 螺的精度和稳定性，是制约国内当前高精度光纤陀螺的重要因素。目 前国内还没有成熟商用的光纤环应力分布测试系统，主要依赖进口。 如何对光纤环内部的应力分布进行测试和标定，解决应变溯源性问题 也是当前应变传感器领域的重要研究课题，对FBG的应变进行精确 标定也是当前研究热门之一。

目前国内外关于光纤应变传感器应变参数的校准方法介绍很少， 这些方法大都是通过其他方式得到一个应变量作为标准应变参考量， 参考电阻应变片的校准方法，主要有弹性模量法、等强度梁法等。

弹性模量法是将待测的光纤传感器粘贴在特定弹性材料制作的 拉伸试件上，然后利用拉力机对试件进行拉伸。金属材料载弹性范围 内，正应力σ正比于正应变ε，此规律称为胡克定律，用公式表示如 下：σ＝Eε

式中E称为弹性模量，其中σ＝ΔP/A，A为试件截面面积，ε为拉 伸试件应变量。在测量载载荷作用下产生的应变值，则应变量可按下 式计算：$ϵ=\frac{\mathrm{\Delta P}}{E·A}$

等强度梁如图1所示，梁厚为h，梁长为L，固定端宽为B，自由 端宽为b。梁的截面成等腰三角形。将光纤应变传感器粘贴于悬臂梁 的的上下表面，如果在悬臂梁的自由端施加一个可控的竖直向下的压 力，由材料力学可知梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意 位置的应变也相等，其应变公式为

$ϵ=\frac{6\mathrm{FL}}{{\mathrm{EBh}}^2}$

弹性模量法、等强度悬臂梁法是电阻应变片传感器的测量中的常 用方法，其中弹性模量法在工程中应用较多，但测量精度不高，等强 度悬臂梁法常用在实验室测量中，测量精度较高，但不适合大应变量 的测量，测量范围较为狭窄，难以满足当前工程应用中大应变量的测 量需求。

发明内容

针对上述缺点，本发明采用精密位移传感器结合光纤传感器制作 光纤应变标准件的方式，将应变溯源到长度，测量精度能够得到保证， 为当前的光纤传感器校准测量提供一种便捷、精确的服务。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本方法采用位移测量法，将精密位移传感器和光纤传感器相结合 的方式制作标准传递件产生标准应变量，间接达到对光纤传感器、光 纤光栅应变参数的校准。光纤应变传递件主要包括“凹”字形光学支 架、标准光纤传感器、精密位移传感器、位移传感器控制器等。“凹” 字形光学支架由光学滑轨导槽、固定端、自由端组成。自由端、固定 端上方刻有“V”形槽。位移传感器的底座和滑轨由螺栓固定，横向 上和光学支架的自由端连接，通过数据线和位移传感器控制器相连 接。

首先将待测的标准光纤传感器粘贴端切剥、清洁预处理后，裸光 纤表面粘贴在光学支架的“V”形槽上面。粘胶剂一般选用采用环氧 树脂、氰基丙烯酸盐粘合剂等杨氏模量比较大的化学试剂。粘贴过程 中，光纤传感器自然无应力，保证粘贴的光纤沿光纤应变传递件轴向 偏差不超过0.1mm。

通过位移传感器系统操作界面控制位移传感器移动拉伸光纤传 感器，精密位移传感器为普爱纳米位移技术有限公司(PI)制造的 N216.2A位移促动器，步进精度可达10nm。在拉伸长度为ΔL的情况 下，根据应变定义，位移传感器给光纤传感器施加的外在应变为ΔL/L。 光纤传感器的一端和光纤传感器应力测试仪器相连，将应变测试仪器 所测试的拉伸过程中光纤的应变和理论值ΔL/L进行比对，达到对光 纤传感器应力测试仪器的计量校准，通过量值传递对其它光纤传感器 的应变量测量校准。

发明中，标准光纤传感器的选择对标准应变量的获取有着至关重 要。对于光纤光栅传感器(FBG)，要求所选取的标准FBG的反射谱较 为稳定，中心波长的长期(1h)稳定性不超过1pm。基于布里渊散射式 的光纤传感器(光纤环)，应变参量的校准步骤和FBG基本类似，选用 温度性能较为稳定的保偏光纤环作为标准件，布里渊散射式应力分析 仪在标准光纤两端注入泵浦光、激励光进行应变校准。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。

图1等强度梁

图2光纤应变传递件结构图

其中：1--固定端，2-“凹”字光学支架，3-标准光纤传感器，4-自由 端，5-精密位移传感器，6-拉伸方向

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当 理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护 范围。

本方法采用位移测量法，将精密位移传感器和光纤传感器相结合 的方式制作标准传递件产生标准应变量，间接达到对光纤传感器、光 纤光栅应变参数的校准。光纤应变传递件主要包括“凹”字形光学支 架2、标准光纤传感器3、精密位移传感器5、位移传感器控制器等。 “凹”字形光学支架2由光学滑轨导槽、固定端1、自由端4组成。 自由端、固定端上方刻有“V”形槽。位移传感器的底座和滑轨由螺 栓固定，横向上和光学支架的自由端连接，通过数据线和位移传感器 控制器相连接。

首先将待测的标准光纤传感器粘贴端切剥、清洁预处理后，裸光 纤表面粘贴在光学支架的“V”形槽上面。粘胶剂一般选用采用环氧 树脂、氰基丙烯酸盐粘合剂等杨氏模量比较大的化学试剂。粘贴过程 中，光纤传感器自然无应力，保证粘贴的光纤沿光纤应变传递件轴向 偏差不超过0.1mm。

标准光纤传感器黏贴在“凹”字光学支架上，通过位移传感器系 统操作界面控制位移传感器移动拉伸光纤传感器，精密位移传感器为 普爱纳米位移技术有限公司(PI)制造的N216.2A位移促动器，步进精 度可达10nm。在拉伸长度为ΔL的情况下，根据应变定义，位移传感 器给光纤传感器施加的外在应变为ΔL/L。光纤传感器的一端通过光纤 连接器和光纤传感器应变测试仪器相连，将应变测试仪器所测试的拉 伸过程中光纤的应变ε和理论值ΔL/L进行比对，达到对光纤传感器应 变测试仪器的计量校准，通过量值传递对待测光纤传感器的应变量进 行测量校准。

发明中，标准光纤传感器的选择对标准应变量的获取有着至关重 要的作用。对于光纤光栅传感器(FBG)，要求所选取的标准FBG的反 射谱较为稳定，中心波长的长期(1h)稳定性不超过1pm。基于布里渊 散射式的光纤传感器(光纤环)，应变参量的校准步骤和FBG基本类 似，选用温度性能较为稳定的保偏光纤环作为标准件，布里渊散射式 应力分析仪在标准光纤两端注入泵浦光、激励光进行应变校准。