年月第卷第期航空精密制造技术卜月叹心动明劝价’君脚阳口‘技术交流封装材料对光纤光栅应变传感器的影响’刘春红,赵印明,陈爽,张大鹏,宋娜,张宁宁中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所,北京摘要本文设计并制作了两种分别用钦合金和柔性高分子材料封装的光纤布拉格光栅应变传感器,并利用悬臂梁校准装置对两种传感器的应变特性测试。试验结果表明,柔性高分子材料封装传感器的线性度及重复性优于钦合金封装的传感器,但其应变灵敏系数小于钦合金封装传感器的应变灵敏系数。【关键词光纤布拉格光栅应变特性封装材料【中图分类号」咫文献标识码文章编号一一一一,一,,卿,《【」哪肛叮卿眼,「”」鳍脚引言近年来随着光纤光栅写入技术的成熟,光纤光栅已进人批量化生产。以光纤光栅为传感元件的光纤传感器以其抗电磁干扰、耐高温、耐腐性强、体积小、复用能力强和能实现准分布式测量等优点在传感领域受到了广泛的关注,尤其是它在对航空、航天等的应变和应力分布状况进行测量时具有传统传感器电阻应变片无法比拟的优势〔’〕。但由于裸光纤纤细、质脆、尤其是剪切能力差,直接将光纤光栅作为传感器在工程实际中遇到了布设工艺上的难题。因此,对裸进行封装,是将传感器在实际应用中推广的一个重要环节,对于研制满足航空、航天领域需要的体积小、质量轻传感器具有重要的意义。本文提出了两种不同材料封装的光纤布拉格光栅应变传感器,并对两种传感器的传感特性进行了对比试验研究。应变传感原理’国防技术基础资助项目已有研究证明,温度产生的热效应和应变产生的·口《航空精密制造技术》年第卷第期力效应可认为是相互独立的。假设光纤光栅仅受轴向应变作用,温度保持不变,轴向应变引起的光栅布拉格波长变化为△二△毋毋△均匀轴向应变是指对光纤光栅只受到拉伸或压缩应变,则轴向应变可表示为二△二△利用材料张量凡与应变系数今的关系。二,二毋,则得△了二一△凡淤把式和代人中有△入二,一鲁·△走··、△·、‘毋,‘由于切应变为零,应变张量矩阵凡可用轴向应变。表示为式形式二一胭一胭,式中声为纤芯材料泊松比。最后得到轴向应变引起的波长的相对变化为△二一。·式中,尸。为有效弹光系数,且。二合·奋〔尸,一尸,,对掺锗石英光纤,有二、,二讲二、‘·,由式可得。二·。则式可写成△二·由可见,相对波长漂移的应变灵敏系数为,为常数,所以恒温条件下波长漂移与轴向应变呈理想线性关系。光纤光栅所允许的应变可达到,即当超过时,光纤即发生断裂。采用如图所示的设计结构,对裸光纤进行封装,封装结构由线切割加工方法加工,尺寸为。具体封装方式如下将光栅放入封装结构中间凹槽中,通过工装夹持传感器,将光栅两端的光纤用环氧胶固定在钦合金结构上,制作成金属封装的光纤光栅应变传感器。点胶处点胶处钦合金片光姗图钦合金封装结构高分子弹性材料封装传感器采用如图所示的设计结构,对裸光纤进行封装,封装结构由热压成型方法加工,尺寸为、。具体封装方式如下在传感器夹持工装上预固定封装结构,将光栅放人封装结构中间凹槽中,从中间孔注人流动性好的环氧胶,待胶固化后,制作成柔性封装的光纤光栅应变传感器。点胶孔高分子基底光据图柔性高分子弹性材料封装结构试验结果与分析传感器封装经验表明传感器体积越小,越容易与被测构件紧密的结合,作为测试构件应变的传感器对被测构件性能的影响就越小〔’〕,因而就越能真实反应构件的应变。因此,本文设计的两种传感器封装尺寸均比较小。钦合金材料封装传感器试验装置与仪器利用标定后的悬臂梁对两种材料封装的光纤光栅应变传感器的应变传感特性进行试验。本试验所用的光纤光栅波长解调系统为公司的解调仪,用动态应变放大器测量电阻应变片,试验所用光纤光栅为单模光纤,反射率大于,带宽小于。悬臂梁材料是,长,宽,厚。封装材料对光纤光栅应变传感器的影响试验结果用丙酮和酒精清洗悬臂梁,然后在距离矩形悬臂梁根部。处的上表面分别沿轴线方向粘贴两种传感器和应变片,传感器在悬臂梁上的布设如图所示。其中采用钦合金金属封装,采用柔性高分子材料封装。一一一刁矩形悬臂梁分子材料比较软,弹性好,被测件的变形能有效的传递给光栅。从图、图中可以看出,的重复...
