光纤布拉格光栅大应变传感器的设计和仿真

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1、第27卷第5期计算机仿真2010年5月文章编号：1006—9348(2010)05—0318—05光纤布拉格光栅大应变传感器的设计和仿真徐文宽，王生(1．中国科学院光电研究院，北京100190；2．中国科学院研究生院，北京100049)摘要：为了解决充气结构，大应变难以测量的问题，使系统得到正确的监测和监控，设计了一种粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)大应变传感器。通过在被测材料和光纤布拉格光栅之间增加过渡材料的方式减小平均应变传递率。由FBG对微小应变的敏感性来测量相应的被测材料的较大应变。基于应变

2、传递理论，用有限元仿真分析的方法对传感器的结构尺寸、材料性能等参数进行优化，实现了0．05％一2％的应变测量范围和0．05％的应变测量精度。为传感器的研制提供了重要依据。关键词：光纤布拉格光栅；应变传递；大应变传感器；有限元分析中图分类号：TP212文献标识码：BDesignandSimulationofaFiberBraggGrating(FBG)Large——strainSensorxuWen—kuan．WANGSheng(1．AcademyofOpto—Electronics，Chinese

3、AcademyofSciences，Beijing100190，China；2．GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)ABSTRACT：AstickupFiberBraggGrating(FBG)large—strainsensorwasdesignedtosolvethedificultproblemonmeasuringthelarge—strainofinflatablestructure．Inthi

4、ssensor，transferringmaterialwasaddedbetweenthemeasuredmaterialandFBGtoreducetheaveragestraintransferringratio，SOthelarge—strainofthemeasuredmate—rialwasdetectedbyFBG’Ssensitivitytosmallstrain．StraintransferringtheoryandFiniteElementsimulationanaly—sis

5、wereemployedtooptimizethesensor’Sdimension，material’Sspecificationandsomeotherparameters，SOthestrainmeasurementrangeof0．05％to2％andthestrainmeasurementresolutionof0．05％werereached．There-suhsareusefulforthedevelopingofthesensor．KEYWORDS：Fiberbragggratin

6、g(FBG)；Straintransferring；Large—strainsensor；Finiteelementanalysis1引言针对应变的传统测量方法主要是应变片式的电测法，这应变是材料和结构的重要物理特性，是监测和监控的重种方法具有耗电、非分布式、容易受到电磁干扰以及测量范要参数。大应变传感器主要应用于工程塑料、柔性材料等具围有限等缺点，因此无法满足充气结构大应变的测量需求。有较大应变的结构的应变测量。本文的研究工作主要是面光纤布拉格光栅传感器相对于电阻应变片和压电材料等电向浮空器的应

7、用。浮空器的主体结构是充气球体，球体材料测法来说有以下优点⋯：轻质量、小体积；高灵敏度、高分辨为柔性织物。在工作状态下，由于内部充气气压的作用，球率；耐腐蚀，耐高温低温性能好；抗电磁干扰；可以实现准分体会产生较大的应变。对球体结构应变分布的在线监测能布式测量。正是由于光纤布拉格光栅传感器具有的众多优够为浮空器的安全运行提供可靠保障，同时也能够为设计人点，近年来，其在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康员提供不可多得的设计参数。目前，国内外在充气结构的应监测，以及石油、能源和化工等领域得到了广泛的

8、应用，技术变分布在线安全监测方面的研究基本停留在提议阶段，实际已经相当成熟。的应用研究还处于空白状态。本文即针对这方面的需求，设计一种新型的粘贴式光纤布拉格光栅大应变传感器用于浮2光纤布拉格光栅传感原理空器球体应变的监测。自1978年K．O．Hill等人首先发现搀锗(Ge)光纤的折射率能够在某些波长的光照射下发生周期性的永久性改变收稿日期：2009—03—25修回日期：2009—03—31以来，人们就一直在研究光纤光栅传感技术，使其应用在—318一各个领域。FBG传感器属于波长调制