光纤光栅与电阻应变片应变测量的对比分析

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1、2001年9月传感技术学报第3助光纤光栅与电阻应变片应变测量的对比分析张伟刚〔，’，梁龙彬“)，赵启大‘”，开桂云‘”，刘志国‘工’，董孝义‘”王述祖‘“，，张大煦‘“)，李欣‘“’，叶锦亭‘“，『”南开大学信.息技术科学学院，‘，，天津市政府，‘，，津市建筑科学研究院，天津300071)摘要:基于公强度标准梁应变实验，对光纤光姗与电阻应变片两种应变刚量方法进行了实脸对比结果表明，光纤光橱方法应变侧量数据的线性度、灵敏度与理论计算值符合得很好光纤光橱方法测量应变是可行的、有效的.关键词:光纤光橱，应变，电阻应变片，311量方法中国分类法:TP212.14文献标识码:A文章编号

2、:10041699(2001)03-0200-061引言在工程应变测量试技术中，应变测量仪器的设计与开发一直是一个热门课题.电阻应变片测量方法是获取应变试验数据的一种荃本传统手段.然而，电阻应变片因易受环境(如电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等)影响、寿命短等原因，其应用受到一定程度的限制，近年来，光纤光栅作为一种新型的光无源器件，因其抗干扰性(如电磁场、湿度、化学腐蚀等)强、寿命长、复用性好(如WDM与TDM)等优良特性，在光纤激光器DJ、光传感器[-j及声光调制器C,.,J等方面的研制与开发日益受到重视.将光纤布拉格光栅(FBG)粘贴到被测体上，可设计、开发新型的应变测量仪器

3、，对楼房、桥梁、铁路、水库、大坝、隧道实施荷载、位移等力学量的实V,.'测量与监控.为了验证光纤光栅测量方法的有效性与可靠性，本文基于等强度标准梁应变实验，对光纤光栅与电阻应变片两种测量方法进行了实验对比分析.研究表明，光纤光栅测量左法是有效的，可靠的.本文研究的结果，对于掌握两种测量方法的特点与适用范围，以及进一步研究、开发实用的新型应变传感器测量仪器具有重要的参考价值，2实验结构il:n原理2.1实验装置由于等强度梁表面各点的应变处处相等，我们将电阻应变片与光纤光栅粘贴到等强度梁的不同位置，两.呻方法的应变测量值应当一致，并应与理论计算值相符合.应变实验结构如图1所示.来

4、店日期:2001-01一[s修稿日期2001.05-09天津市科技攻关项11(编号003104011).天津市建工集团总公司资助项月万方数据第3期张伟刚，奥龙彬等:光纤光栩与电肚应变片应变侧量的对比分析201图1应变侧女实验示意图实验用的等强度标准梁为65Mn弹簧钢，由天津市建筑科学研究院提供，其杨氏模量取值范围为(1.8^-2.0)X10'MPa.梁长l,=600mm,梁固定端宽度6=72mm,厚度h一5.5mm.实验送用3mmX20mm,12012刻蚀型电阻应变片，使其电阻丝轴与梁轴平行，各4个电阻应变片对称粘贴于梁的上下表面，电阻应变仪型号为YJ22.光纤光姗是我们自行

5、研制的，采用的相位掩膜法在高掺锗光敏光纤上写人，其中心波长分别为a,=1547.1nm和X,=1552.56nm，反射率均大于90，反射带宽约为。.4nm.使光纤光栅轴向与梁轴平行，尽量靠近电阻应变片附近对称粘贴于梁的上下表面.光纤光栅反射波长的移动r用Av6361型光纤光谱仪OSA(OpticalSpectrumAnalyzer)RI量，波长分辨率为。.1run,，波长读数精度为。.01mm.BBS(BroadbandSource)为自制宽带光源;产生不同应变的荷载P是由标准硅码来施加的，施力点在梁的自由端.为了计算等强度标准梁表面的理论应变值，找们在一些位置使用大量程百分

6、表精确测定其位置的挠度，其精度为。.01mm,测量范围C-50mm.2.2应变理论汁算由于等强度标准梁材料的扬氏模量艺测量误差较大，我们应用测量挠度的方法来计算等强度梁的应变值，图2为等强度悬臂梁示意图.设L,b沛分别为梁长、梁固定端宽度和厚度.悬臂梁受荷载尸的作用而弯曲，当挠度Y不大时，等强度梁的曲率半径P可为一常量，根据材料力学知识，由菏载尸、梁的性质(杨氏模量E)及几何尺寸，可求得等强度悬臂梁上各点的应变为:6I.(l)Ebh'尸(2图2)等强度梁应变分析示意图由式(1)可知，应变不仅与梁的几何尺寸有关，而且与材料的杨氏模量E有关，而式‘2)表示应变仅与粱的几何尺寸有关

7、。与材料的杨氏模量E无关为避免杨氏模量引进较大的计算误差，我们应用公式(2)来计算应变，但是公式中Y是梁末端〔末端I.处)的挠度值，应用千分表不易9.!量.由于受力弯曲的等强度梁表面的曲率处处相等，通过分析几何关系，等强度梁的应变可由梁上任意位1(1)的挠度y来求得:h(3)c一!P耳-"'Y万方数据202传感技术学报2o,uF'式中/是侧量点距等强度梁<无荷载时)固定端处的距离.在等强度梁使用范围内，挠度、远小于I.于是有一th，一、尸式中:K为等强度梁的应变荷载灵敏度.式(4)提供了一种在不必确知材