第35卷第9期2006年9月光子学报ACTAPHOTONICASINICAVo1．35NO．9September2006安装偏差对光纤布喇格光栅应变测量的影响*谭敏峰朱四荣宋显辉李卓球(武汉理工大学工程力学系，武汉430070)摘要通过理论推导和试验分析研究了安装偏差对光纤应变测量的影响，得到安装误差所带来测量误差的计算公式．发现光纤的轴向与预定安装方向的角偏差越大，测量误差也越大．用光纤光栅进行应变测量时，必须考虑光纤的安装偏差，它直接关系到测量结果的准确性．实际测量中要尽量确保传感器安装方位的准确．关键词光纤布喇格光栅；安装偏差；横向效应；应变中图分类号O348文献标识码A0引言光纤布喇格光栅(FiberBraggGrating)是一种能将被测试件上的应变转换成波长变化的传感元件．作为一种新型敏感元件，其测量技术正日趋成熟口]．光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简单、体积小等优点，这种敏感元件可广泛用于复合材料、大型建筑结构、宇航飞行器、军工产品等结构健康诊断．和电阻应变计一样，光纤同样存在横向效应]．在实际工程中，由于测量的需要，当应变的主向和光栅的轴向存在夹角时，布喇格波长变化将不再满足通常意义下的波长一应变响应关系，而安装误差(即实际安装方位与所需要的安装方位之间存在夹角，简称安装偏差或者角偏差)也会带来测量结果的误差．安装偏差对测量结果准确度的影响，是一个值得研究的问题．1光纤的横向效应在光纤的应变测量中，通常利用的是其轴向应变响应．光纤布喇格光栅的轴向应变灵敏系数一般定义为]：将光纤安装在处于单向应力状态的试件表面，使其轴线与应力方向重合时，布喇格波长的相对变化与沿其轴向的应变之比值，通常记为K，即K~'x-A传感器生产商就是在上述条件下对光栅进行标定，从而提供灵敏系数K．但如果实际使用条件不同于标定条件时(如双向应力场)，由于光纤横向效应的存在，光纤光栅沿栅宽方向的应变可能导致明显的读数误差．这中间存在一个横向灵敏系数．如图1，在一个单向应变场中，给定一个单向应变￡，国家自然科学基金(50238040)资助项目Email：tanminfengwh@126．corn收稿日期：2005—12—19图1横向效应系数的测定Fig、1ThetestofthetransverseeffectScoefficientteSts对于垂直安装的光栅F(￡===0，￡一￡，其中L代表轴向，B代表横向)，布喇格波长变化为l_一Ke￡x(Ke为光栅的横向灵敏系数)对于平行安装的光栅F(￡一￡，￡一0)，布喇格波长变化ZM／／一KL￡x(KL为光栅的轴向灵敏系数)定义光纤的横向效应系数等于其横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比，故有H=zM／／一KB(2)2安装方位对光纤应变测量的影响如图2，在一个双向应变场中，设整个坐标平面内各点应变状态均相同，主应变￡和￡。方向为OX和OY，光纤与X轴夹角．显然，光纤的轴向和横y图2双向应变场中的布喇格光栅Fig．2TheFBGinthetwO-wayplanestrain维普资讯http://www.cqvip.com9期谭敏峰等．安装偏差对光纤布喇格光栅应变测量的影响向分别受到应变的作用，沿其轴向的应变记为e，沿其横向的应变记为e，其波长的变化可表示为一(KLeL+KBeB)(3)式(3)表示，布喇格波长的变化是两部分的迭加，一部分是光栅仅受到e作用时的波长变化，另一部分是光栅仅受到e作用时的波长变化．由式(2)、(3)可得一Kf1+旦垒1。令口一eB／e对于已经安装的光纤布喇格光栅，a表示作用在光栅上的横向应变和轴向应变之比，因此，a与测点的应变场特征和光纤安装方位有关，于是可以得到一KL(1+口H)eL(4)若令K一KL(1+口H)则式(4)可写成一KeL(5)此式与式(1)形式上相同，式(1)只适用于应变第一主向与光纤轴向重合的情况，否则，就只能用式(4)和式(5)．它表明光栅的应变灵敏系数的确定是有前提条件的，除了取决于光栅本身的特性外，还与安装方位、被测点应变场有关．如果使用条件满足应变第一主向与光纤轴向重合，即口一堕一一一。eLeX。此时K一K—KL(1一oH)(6)所以，如光纤的轴向与应变第一主向不重合，它表现出来的灵敏系数将不是K(式(6))，而由式(4)决定的K．如果仍然套用式(6)所确定的K值，那么测得的应变(e测)就会出现误差．比如安装情况如图2之光纤，欲求的应变是沿光纤轴向的e，所以布喇格波长的变化应该由式(5)决定．如果...
