基片式光纤光栅应变传感器的应变传递研究分析.doc

基片式光纤光栅应变传感器的应变传递研究 摘要：为了实现光纤光栅传感器对基体表面应变的准确监测，本文以基片式光纤光栅传感器为研究对象，推导了基片式光纤光栅应变传感器所测应变与基体应变之间的关系，即应变传递系数表达式。实验上，将实验室封装的铜基片式应变传感器黏贴在圆柱形试件上，测定了该传感器的应变传递系数。结果表明，理论所得的应变传递系数与实验所测的应变传递系数之间的误差很小，证明了应变传递系数推导的合理性，为基片式传感器的封装和使用提供了理论指导。 关键词：光纤光学；基片式光纤光栅器；应变传递；传感器的封装；黏贴长度 OCIS：060.2370；060.3735；060.3738 中图分类号： TN253 文献标识码： Research on Strain Transfer of Surface FBG Sensor ZHANG Gui-hua，CHAI Jing，LI Xu-juan，MI Xu-feng, LI Yi, HAO Lei （School of Energy Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an, Shaanxi 710054，China） Abstract: To monitor accurately strain of surface of host materials, taking the surface FBG sensor as example, the relationship between the strain measured by the surface FBG sensor and the actual strain of the host material is deduced. The general expression of strain transfer coefficient of the surface FBG sensor is got. In experiment, the copper slice packaged FBG sensor by authors adheres to the cylindrical sample surface and its strain transfer coefficient is got. The experiment result is proved that the error of the strain transfer coefficient between in theory and in experiment is small and the theoretical derivation of the strain transfer coefficient is rational. The research results provide the theory guidance for the FBG sensor package and application. Keywords: fiber optics；surface FBG sensor; strain transfer; sensor package；adherence length OCIS：060.2370；060.3735；060.3738 1引言 光纤光栅是这几年迅速发展起来的一种新型的传感器，由于其具有灵敏度高、重量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、便于复用组网而在结构的健康监测[1-2]、地下工程[3]、航天工程[4]、石油井下的勘测[5]等领域中有着广泛的应用前景。 光纤光栅易脆断，在实际的监测中经常需要进行封装，封装的方法有基片式封装、管式封装和嵌入式封装。但是无论何种封装方式，光纤与基体之间都存在多层介质，使得光纤光栅所测得应变与基体的应变不同，即存在应变传递的问题。对于这个问题国内外已有许多学者做了研究，如Ansari[6]假定埋入式光纤传感器黏贴中心的应变与基体应变相同而得出光纤的轴向应变；李东升[7]修正了光纤传感器黏贴中心的应变与基体应变相同的假设，认为光纤传感器黏贴中心的应变变化率与基体应变变化率相同，导出了埋入式传感器各点的应变；周智[8]导出了有保护层的光纤光栅应变传感问题，即埋入式光纤光栅传感器多层应变传递的应变表达式。吴永红[9]等,通过构造静定应变传递特征方程,得到光纤光栅封装结构统一的应变传递关系,建立了光纤光栅标准化埋入式封装设计的基本理论模型。梁德志[10]等人通过有限元分析了埋入式光纤光栅传感器所测应变与实际应变并不相同。但大多数研究都是针对埋入式的光纤光栅传感器的应变传递研究，对于表面黏