光纖琺珀應(yīng)變計應(yīng)力溫度影響實驗分析

1、光纖琺珀應(yīng)變計應(yīng)力溫度影響實驗分析摘要:對157 nm激光微加工技術(shù)制作的全光纖琺珀應(yīng)變計進行了實驗分析。介紹了光纖FP應(yīng)變 計的制作過程與工作原理,并開展了應(yīng)變計的加載和溫度測試試驗。實驗表明該光纖FP應(yīng)變計粘貼 于懸臂梁后，線性度和重復(fù)性較好,在溫升過程中，由于懸臂梁的熱膨脹造成了光纖應(yīng)變計的熱輸出。 通過采用對稱貼片耦合求解方法進行熱輸出補償，光纖應(yīng)變計的熱輸出減小為補償前的2.1%,為變溫 環(huán)境下的高精度測量提供了解決方案。關(guān)鍵詞：光纖應(yīng)變計;琺珀;應(yīng)變測量;溫度補償Experiment Analysis of Strain and Temperature Influenceon Fi

2、ber Optic Fabry-Perot Strain GageAbstract：This paper describes the research about all-fiber Fabry-Perot strain gage which is manufactured by 157 nm laser micromachining system.The fabrication process and working principle of the fiber FP strain gage were introduced, and the loading and temperature t

3、ests were carried out.The tests results show that the fiber optic gages installed on the cantilever beam have good linearity and repeatability. Due to the thermal expansion of the cantilever beam during the temperature rise test, there exists obvious thermal output of the fiber optic strain gages.Th

4、e thermal output of the fiber optic strain gauge is reduced to 2.1% before compensation by means of symmetrical patch coupling solution, which provides a solution for high-precision measurement under variable temperature environment.Keywords：fiber optic strain gage；Fabry-Perot；strain measurement；tem

5、perature compensation0引言平在惡劣環(huán)境下高精度測量提供了一種技術(shù)方案。風(fēng)洞是進行空氣動力學(xué)研究與飛行器研制的最 基本的試驗設(shè)備由,而應(yīng)變天平是風(fēng)洞氣動力試驗中 最重要的儀器。應(yīng)變天平結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可供應(yīng)變計安裝 的空間小，且天平常應(yīng)用于強電磁干擾、高溫、水、粉 塵、油污等惡劣環(huán)境。受限于電阻應(yīng)變計固有屬性, 電阻天平難以從根本上消除電磁和高溫等環(huán)境影響， 難以實現(xiàn)強電磁和高溫環(huán)境下的高精度應(yīng)變測量。 而光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、可靠 性高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航天航空、航海、土木工 程、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域回，光纖應(yīng)變傳感為應(yīng)變天 國內(nèi)外已有多家機構(gòu)開展了光纖天平

6、技術(shù)的研究，所 采用的光纖應(yīng)變計以光纖琺珀（FP）應(yīng)變計和光纖布 拉格光柵（FBG）為主。印度科學(xué)院6、美國AEDC、 南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)網(wǎng)等高校和研究機構(gòu)均開展了 光纖天平的應(yīng)用驗證與光纖天平結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等工 作;在國內(nèi)，中國空氣動力研究與發(fā)展中心與電子科 技大學(xué)聯(lián)合開展了光纖應(yīng)變計的研制和光纖天平的 風(fēng)洞試驗研究皿。本文主要開展了基于157 nm準分子激光皿加工 制作的光纖FP應(yīng)變計的實驗研究，在懸臂梁上測試 了光纖應(yīng)變計的靜態(tài)加載特性和溫度輸出特性，基于 測試結(jié)果分析了光纖應(yīng)變計的熱輸出來源，提出了對 稱耦合求解的溫度補償方法，該方法能夠有效地減小 熱輸出，提供光纖應(yīng)變計的應(yīng)變測量精度。

7、該研究初步分析了光纖天平的基本性能，為下一步光纖應(yīng)變計 在多（六）分量天平的應(yīng)用提供技術(shù)保障。1光纖FP應(yīng)變計光纖FP應(yīng)變計采用157 nm激光微加工系統(tǒng)制 作，如圖1所示,加工裝置由激光模塊、光學(xué)模塊、控制 模塊和三坐標機構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。157 nm激光經(jīng)光學(xué) 模塊整形匯聚，通過控制模塊和三坐標機構(gòu)的準確控 制，能定位在單模光纖端面，刻蝕出一定寬度和深度 的凹腔，再與另一支單模光纖熔接，形成FP腔，即制 作成了光纖FP應(yīng)變計。采用157 nm激光加工法制 作光纖FP應(yīng)變計工藝流程少，制作的應(yīng)變計結(jié)構(gòu)簡 單，尺寸小。圖1激光加工系統(tǒng)光纖FP腔的工作原理為多光束干涉，但由于激 光刻蝕的光纖端面反射

8、率較低,經(jīng)多次透射反射后光 線強度很低，因而可用雙光束干涉近似模擬多光束干 涉。入射光經(jīng)FP腔反射后的強度可表示為4&2R 1_-cos（出 7&(1)式中:7反射光強度;7為入射光強度;R為FP腔的反 射率;；為FP腔的長度;&為入射光的波長。(1)圖2為光纖FP應(yīng)變計的反射光譜。圖2光纖應(yīng)變計反射光譜圖反射光譜與FP腔的長度密切相關(guān)，光纖FP應(yīng)變 計受拉（壓）應(yīng)力作用時,FP腔變長（短）,應(yīng)變計的反 射光譜相位變化，信號解調(diào)儀檢測其相位變化，通過 校準得到相位與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，可求解應(yīng)變計的 應(yīng)變。圖2光纖應(yīng)變計反射光譜圖2實驗與結(jié)果分析采用圖1所示的激光加工系統(tǒng)制作了 2支光纖FP應(yīng)變計

9、。光纖應(yīng)變計的靜態(tài)實驗在懸臂梁上進行, 懸臂梁材料為馬氏體實效鋼（00Ni18Co8Mo5TiAl）,應(yīng) 變量與加載量關(guān)系為0.198 /go用陶瓷膠將應(yīng)變計 1和應(yīng)變計2粘貼在等強度梁的上下表面的對稱位 置,實驗裝置如圖3所示。其中應(yīng)變計輸出信號用相 位解調(diào)儀測量，相位分辨率為10-4 rad。2.1應(yīng)變計加載和溫升測試在懸臂梁上進行了 3次靜態(tài)加卸載測試,2支應(yīng) 變計的輸出曲線如圖4所示。光纖應(yīng)變計輸出與載荷 的線性度較好，線性系數(shù)均優(yōu)于0.999,2支應(yīng)變計的 輸出重復(fù)性均優(yōu)于1%，加載與卸載的滯后均小于0.1%。2支應(yīng)變計3次加卸載平均靈敏度分別為1.66X10-3、1.62x10-3

10、 rad/因此該光纖應(yīng)變計的應(yīng)變分辨率約為0.06pg、王犀太鋼包應(yīng)變計1 1L辨率約為0.06pg、王犀太鋼包應(yīng)變計1 應(yīng)變計2 T-應(yīng)變計2 應(yīng)變計2第一次加載 第二次加載 第三次加載 第一次加載 第二次加載 第三次加載圖4安裝后應(yīng)變計載荷輸出曲線第一次加載 第二次加載 第三次加載 第一次加載 第二次加載 第三次加載將懸臂梁置于水浴裝置中進行升溫實驗,2支應(yīng) 變計的溫度輸出曲線如圖5所示。粘貼安裝后的應(yīng)變 計相位輸出與溫度的線性相關(guān)性較好，應(yīng)變計的溫度 靈敏度（一次擬合）分別為9.23 x 10-3、1. 066 x 10-2 rad/e o2.2數(shù)據(jù)分析根據(jù)光纖FP應(yīng)變計靜態(tài)加卸載和溫升

11、實驗數(shù)據(jù)可圖5安裝后應(yīng)變計溫度輸出曲線知，粘貼后的應(yīng)變計的輸出信號與載荷量線性系數(shù)優(yōu)于 0.999,測量重復(fù)性優(yōu)于1%,應(yīng)變分辨率為0.06 可適 合于高精度應(yīng)變測量。溫度每變化i e，應(yīng)變計1與 應(yīng)變計2的溫度靈敏度是應(yīng)變靈敏度的56倍，故光 纖應(yīng)變計的輸出信號受溫度影響較應(yīng)變影響更為嚴 重。因而，為提高光纖FP應(yīng)變計在變化溫度場中應(yīng) 變的測量精度，須采取一定的溫度補償措施。當(dāng)只考慮應(yīng)變計和等強度梁的熱膨脹并忽略粘 貼劑對應(yīng)變計的影響時，安裝在等強度梁上的光纖FP 應(yīng)變計熱輸出如圖6所示。按上述應(yīng)變計熱輸出原理 分析,安裝前后應(yīng)變計的溫度靈敏度見表1#懸臂梁 材料的熱膨脹系數(shù)為10.8x10

12、86/e，光纖的熱膨脹系 數(shù)為 5.5x1087/C #應(yīng)變計安裝后應(yīng)變靈 敏度/ (rad $7安裝后溫度靈)敏度/ (rad - C1)僅考慮梁與光纖 熱膨脹的溫度 靈敏度/ (rad - C1)11.66x109.23X1031.7X10221.62S1031.066X1021.66X102僅考慮梁與光纖熱膨脹的應(yīng)變計溫度靈敏度大 于測量值,說明溫度對應(yīng)變計輸出的影響不僅包括應(yīng) 變計和基底材料的熱膨脹，還可能與其他因素有關(guān), 如陶瓷膠粘貼情況等。盡管影響應(yīng)變計熱輸出的因素多，但懸臂梁上對 稱位置的應(yīng)變計溫度輸出相關(guān)性較好，如圖7所示。 因此，可采用對稱耦合求解的補償方法對應(yīng)變計溫度 輸出進行修正，以消除或減小光纖FP應(yīng)變計的熱輸 出。為了驗證對稱耦合求解方法的可行性，進行了第 二次溫升實驗，溫升約60 e，補償前后應(yīng)變計2溫度 輸出曲線如圖8所示。由圖8可知，對稱耦合求解效 果明顯，補償后應(yīng)變計60 e溫度變化的熱輸出是補 償前熱輸出的2.1%；補償后應(yīng)變計熱輸出僅為應(yīng)變計 滿量程(200 $)的4.1%。圖8補償前后應(yīng)變計2溫度輸出曲線3結(jié)論圖8補償前后應(yīng)變計2溫度輸出曲線本文對157 nm激光加工的光纖FP應(yīng)變計進行 了實驗研究,將光纖FP應(yīng)變計安裝于懸臂梁，測試其 加卸載特性和