摘要：为了提高光纤光栅测量应变的测量范围与测量精度，该文对基片式光纤光栅传感器应变传递理论及其有限元分析应力分布进行了阐述，并对光纤光栅应变传感器的制作工艺进行了探索。封装工艺与普通基片式光纤光栅传感器的不同是在制作时加载确定的预紧力，用等强度梁对预应力基片式光纤光栅传感器进行测试并标定，得到传感器灵敏度为0.88 pm/με，线性度为0.996，传递效率为74%。并在MTS拉伸试验机上进行预紧力基片式光纤光栅传感器、裸光纤光栅传感器与电阻应变计压缩对比实验研究，实验表明，预拉伸制作工艺提高了光纤光栅测量压缩应变的线性度与测量范围。
关键词：基片式；光纤光栅；应变传感器；预拉伸；线性度；灵敏度
Abstract:In order to improve the fiber Bragg grating strain measurement range and measurement accuracy,the strain transfer theory and finite element analysis of stress distribution of substrate type optical fiber grating sensor was discussed in this paper,and the fabrication process of fiber grating strain sensor was investigated.The difference between the encapsulation technology and common substrate optical fiber grating sensor was that the certain pre-tightening force was loaded during the production process.The measurement and calibration of the pre-stress substrate fiber Grating sensor was carried out by the equal strength beam.The sensor sensitivity of 0.88 pm/με,linearity of 0.996,and transfer efficiency of 74% were obtained.The comparative experimental study on the substrate pre-tightening fiber Bragg grating sensor,bare optical fiber grating sensor and the resistance strain gauge compression was carried out on MTS.The results showed that the pre-stretching process improved the linearity and measurement range of the fiber Bragg grating measuring compressive strain.
Key words:substrate;fiber Bragg grating(FBG);strain sensor; prestretching;linearity;sensitivity
0 引言
在材料性能与结构力学性能领域，应变测量是最主要的测试指标，飞机机翼的结构受力检测，电测法已被普遍使用，但是，线缆质量大，不能抗电磁干扰且寿命较短，而光纤光栅传感器测量具有结构简单、抗电磁干扰、高测量精度、波长编码等优点,有广阔的应用前景[1-2]。
在实际工程中，对本质脆弱的光纤光栅进行封装保护和提高灵敏度都是进行封装工艺的研究目的。目前，国内、外对光纤光栅的封装工艺都集中在裸光纤光栅封装、埋入式封装、金属化封装和基片式封装[3-4]。现有光纤光栅应变传感器一般在测量拉伸情况下，测试范围大，线性度较好，但在测量压缩力时，测量范围小，超过一定压缩测量范围，光栅反射谱测量会出现啁啾或双峰现象。
本文设计了一种能够测量较大范围的基片式光纤布喇格光栅应变传感器，在传统应变传感器的工艺上进行改进，并在实验室环境对传感器进行标定，测试传感器压缩性能。该应变传感器能够为机翼机构拉伸压缩提供有效、可靠的测试手段。
1 理论基础
1.1 光纤光栅应变传感原理
当宽带光在光纤布喇格光栅(FBG)中传输时产生模式耦合,满足布喇格条件的反射光波长[5]为
λB=2Λ·ηeff
(1)
式中：ηeff为导模的有效折射率；Λ为光栅周期。当光纤布喇格光栅受到外力作用时,由于弹光效应及光栅周期引起光纤布喇格光栅λB 的偏移为
λB=2Λ·Δηeff+2ΔΛ·ηeff
(2)
在轴向应力作用下,λB相对偏移量与轴向应变ε之间的关系为
=Kεε=(1-pe)ε
(3)
式中：pe为光纤的有效弹光系数；Kε=1-pe为应变灵敏度。
本实验测试压缩性能，λB会发生红移现象。
1.2 光纤光栅应变传感器应变传递理论模型
图1为基片式FBG一般结构。假设，传感器所用材料都是线弹性，纤芯与包层有相同的机械性能且基片式光纤布喇格光栅传感器与被测试验件无相对滑移，得出光纤光栅与试验件的粘结平均应变传递关系，最终得到应变传递系数。图1中，dσn、dσg、dσc、dσj分别为光纤粘结层、光纤布喇格光栅、基底、基底粘结层微单元的轴向应力；τng、τgc、τcj、τjm分别为各相邻层间的剪切应力；b为传感器的宽度；2L为传感器粘结长度；γg为光栅半径[6-9]。
图1 传感器截面图及光纤光栅传感器的轴向力分析
在基片式光纤光栅应变传感器沿x方向任取微元，对各层进行力学分析，根据力学平衡和边界条件ε(-L)=ε(L)=0，最终得到光纤光栅应变与被测试验件之间轴向应变传递关系为
(4)
其中
(5)
式中：n、g、c、j分别为光栅粘结层、光纤光栅层、基底层和基底粘结层；E为该层材料的弹性模量；G为该层材料的剪切模量；h为该层材料的厚度，由理论推导得出在传感器材料确定情况下，h与L是影响应变传递效率主要因素。
1.3 传感器结构设计
为了对传感器进行保护，且达到预期的目的，本文设计了一种新型光纤光栅应变传感器基片，如图2所示。设计思路为将栅区固定在基片中间的槽内，两侧的半圆耳有助于在施工期间增大胶粘面积，使传感器使用性能更佳[10]。
图2 基片式光纤光栅结构示意图
2 实验与讨论
2.1 传感器的制备工艺
对于应变传感器，当压缩超过一定的范围，一旦胶装层出现瑕疵，光纤光栅传感器反射谱会出现啁啾或双峰现象。拉伸测试情况下，聚酰亚胺涂覆层光纤光栅拉伸范围远大于金属受拉伸载荷，且拉伸线性度良好，对于检测金属结构飞机机翼有较大的余量。但在压缩情况下，测量范围较小，为了提高基片式光纤光栅传感器测量压缩荷载范围，本文对预拉伸工艺进行探索。
在封装过程中，针对光纤光栅与金属基底之间应变传递研究，考虑到粘接层必须满足的几点要求[11]，即：
1) 能将光纤与基材良好粘接，蠕变低。
2) 固化后有一定韧性，强度高。
3) 长期稳定性好，耐老化，能适应恶劣环境[9]。
选用热固性环氧树脂胶353ND，这种环氧胶对多种溶剂和化学品具有优异的抵抗性，是一种理想的用于固定光纤、金属、玻璃、陶瓷和多数塑料的粘接剂，适合于飞机机翼应变测量的环境。353ND主要特性参数如表1所示[12]。
表1 环氧树脂353ND
封装过程：353ND胶的固化需要加热平台，光纤光栅的预紧力需要通过橡胶夹具来实现，因为橡胶夹具能够提供普通的光纤夹具提供不了的大摩擦力。所以，将光纤光栅用橡胶夹具固定在加热台上，静置等待光纤光栅中心波长稳定。旋转橡胶夹具微分头对光纤光栅施加预紧力，让光纤绷直，在光纤的一端熔接光纤跳线(APC)，连接到解调仪上，时刻读取光纤光栅的中心波长值。将基底放置在加热平台上，使光纤光栅的栅区平行置于基底的槽内，使用小段聚酰亚胺胶带固定基底，防止因其他意外导致走形。由于353ND环氧树脂胶在80 ℃下需要固化30 min，且铝7075-T6的热膨胀系数高于光纤，故设定加热平台温度为80 ℃，升温完成后，继续转动夹具微分头，当光纤光栅中心波长增大2 nm时停止转动，等待中心波长稳定。使用高温环氧树脂353ND灌满整个基底槽，等待1 h后，关闭加热平台等待其降温至室温，在这一过程中，缓慢卸载夹持力，整个过程中无啁啾、无双峰或多峰现象。
由于实验环境未进行严格的温度控制，最后得到制备的传感器中心波长增大约2 nm，由于实验室裸光纤光栅的封装的应变灵敏度为1.14 pm/με，预紧残留应力约为1 700 με。
2.2 基片式光纤布喇格光栅传感器标定实验
标定系统采用放大式自发射(ASE)宽带光源与解调仪通过光纤环形器进行连接，解调仪测得光纤光栅反射谱，透射谱可以在光纤光栅尾端连接光谱仪进行透射谱观察，对等强度梁施加应力，应力传递到光纤光栅，通过解调光纤光栅中心变化，进而得到光纤光栅中心波长与应变之间的传递关系。光纤光栅3 dB带宽0.4 nm、栅区长度为10 mm，同时进行了反射谱左右旁瓣的切趾，且中心波长为1 539.980 nm；光源为1 520～1 595 nm波段稳定输出ASE光源，功率为-55 dB，解调仪为高速光纤光栅解调仪，测试所用的分辨率为1 pm；使用光纤环形器；标定所采用等强度梁,标定范围为0～1 000 με,通过旋转微分头改变等强度梁施加特定的应变。其基本测量原理如图3所示。
图3 光纤光栅应变测量原理
实验中，使用的等强度梁材料为铝7075T6，厚为2 mm，长为28 mm，应变范围为0～1 000 με；螺旋测微器测量范围为0～25 mm，精度0.01 mm，测量应变精度为0.4 με。在将测量点位置打磨并清洁后,用低温环氧树脂DP420将基片式光纤光栅传感器粘结被测件,旋转微分头使等强度梁尖端每次上升0.5 mm达到最大测量范围，按照同样步骤反向卸载，并记录数据，重复试验4次[13]，实验现场如图4所示，对测得数据进行拟合，如图5所示，拟合直线参数如表2所示，得到加载预应力传感单元平均灵敏度为0.851 pm/με，卸载预应力传感单元平均灵敏度为0.862 pm/με，其中a+，b+，c+，d+表示力的持续加载过程，a-,b-,c-,d-表示力的持续卸载过程。
图4 基片式光纤光栅应变标定现场图
图5 基片光纤光栅中心波长与应变关系曲线
表2 传感器标定试验数据处理参数
2.3 基片式光纤布喇格光栅传感器压缩实验
由以上的等强度梁试验可以发现，由于等强度梁加载应变的局限性，在超过1 000 με后，挠度曲线与等强度梁线性形变不是线性关系，为此，在MTS拉伸试验机上进行压缩实验，使用高精度电阻应变计进行对比。结合课题，由于飞机机翼结构可认为是许多板材结构[14]，为了模拟有效的压缩性能，使用两块70 mm×100 mm×4 mm板材，鉴于飞机材料多为铝7075-T6，该实验仍采用这种材质。光纤光栅应变传感器及电阻应变计的贴片方式如图6所示，夹持位置为金属片上下两端。
图6 试验现场贴片方式
对测试数据进行分析，图7(a)为实验加载位移传感器测得的压缩位移与压缩载荷关系曲线。在匀速加载1/3时间时位移与加载才是线性关系，采集卡记录电阻应变计测量应变值，同时解调仪解调基片式FBG中心波长，并用LabVIEW上位机软件保存中心波长随时间变化的值。由图7 (b)、(c)可知，从电阻应变计的值可得出试验件的左、右压缩应变量不一致，这是由于试验件加工精度与制造误差引起的。电阻应变计测量值可以验证预紧力封装形式的传感器的测量精度，基片式光纤光栅应变计反映了整个加载过程，原始中心波长1 528.201 nm，拟合线性加载(a～b段线性良好)区间y=-0.89×10-3x+1 537.986,灵敏度0.89 pm/με,正向压缩线性度(R-Square)为0.996。由于封装时不能完全保证胶层厚度，由理论传递模型的应变传递关系可知即式(3)，胶层厚越薄，应变系数越大，手工操作不能完全保证环氧树脂胶的厚度一致，压缩试验得到传感器灵敏度比在等强度梁标定的灵敏度提高0.3 pm/με，传递效率为74%。
图7 压缩过程拟合曲线
为了验证预拉伸工艺在压缩过程中的线性度，对基片式光纤布喇格应变传感器、电阻式应变计和无加载预紧力裸光纤光栅传感器进行对比试验，在2#试验件上将基片式光纤布喇格应变传感器与裸光纤光栅传感器进行对称粘贴,同时将电阻应变计对称粘贴在基片式光纤布喇格应变传感器两侧。
图8为基片式与裸贴式光纤光栅中心波长与微应变关系曲线。对测试数据进行分析，利用传统测试方法电阻应变计，得到较好压缩线性度，在线性加载区间段，基片式光纤光栅应变计很好地反映了加载情况，原始中心波长为1 538.096 nm，在测量2 000 με范围内的正向压缩R-Square为0.996, 拟合线性加载(a～b)区间得到y=-8.8×10-4x+1 538.26,灵敏度为0.88 pm/με；裸贴式光纤光栅灵敏度很高，可达1.16 pm/με，符合在等强度梁上的标定结果[13]，但从压缩加载过程来看，未加预紧力封装的裸光纤光栅在1 500 με后线性度不是很好，数据处理结果得到未加预紧力封装的裸光纤光栅传感器的正向压缩线性度为0.879。
图8 基片式与裸贴式光纤光栅中心波长与微应变关系曲线
本次使用Ibsen解调仪，解调原理采用高斯拟合方式后寻峰算法得到中心波长值，若光纤光栅反射谱发生微小的啁啾现象并不能观测出来，但线性度良好说明了预紧力封装形式的可靠性。对比试验得到基片式光纤光栅应变传感器在施加预紧力的工艺规范下，不但压缩线性度高，而且提高了测量压缩应变范围。
3 结束语
本文针对飞机机翼结构测量，对光纤光栅传感器制作工艺进行探索，光纤光栅两端施加拉伸预紧力后封装，此种基片式封装形式传递效率约为74%，验证了有限元仿真结果。分别用等强度梁与MTS机上对封装后的基片式光纤光栅应变传感器进行了压缩加载测试，最终得出传感器在承受压缩应变2 000 με内的线性度为0.996,灵敏度为0.88 pm/με，且有效地消除了传感器制作中出现的光纤光栅反射谱的3 dB波长范围变大,光纤光栅反射谱出现偏峰与啁啾现象。
