光纤光栅与电阻应变片磁场环境下应变测量的试验研究.pdf

《光纤光栅与电阻应变片磁场环境下应变测量的试验研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、旦应用技术光纤光栅与电阻应变片磁场环境下应变测量的试验研究申吴文朱萍玉施维许沛胜(广州大学机械与电气工程学院)摘要：针对磁场对传感器工作性能的影响，借助等强度标准悬臂梁，研究光纤光栅和电阻应变片在磁场环境下的应变测量特性。给出2种传感器的应变传感方程，搭建磁场工作环境，分别采用电阻应变片和光纤光栅对磁场下悬臂梁的应变进行测量。结果表明：在有周期变化磁场工况下，电阻应变片的时域波形产生周期性的脉冲，脉冲大小与变化磁场的强度成正相关关系；光纤光栅传感器的测量结果则始终维持在理论计算值左右，不随磁场的变化而产生较大波动，证明了光纤光栅的抗电

2、磁干扰特性。关键词：电阻应变片；应变片；光纤光栅；磁场O引言光纤光栅传感器利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯上建立一种空间周期性折射率分布，使其对特定在众多工程应变测量中，电阻应变片测量方法是波长的入射光具有反射作用，被反射光的中心波长称获取应变数据的传统手段。目前的工程结构健康监测，如铁路-、风力发电[4-、机械设备等，大都处在为布拉格波长，可定义为电磁场环境中。然而，电阻应变片易受电磁场影响，=2n。fr人(2)当环境中有较强电磁场时，其测量结果的准确性无法其中，为布拉格波长；为有效折射率；人为光保证。近年来，光纤光栅作为一种新型的

3、光无源器件，纤光栅周期[刚。因其抗电磁干扰强、寿命长、复用性好、抗化学腐蚀只有轴向力作用于光纤光栅且温度变化不大时，性强等优良特性，在工程结构监测中逐渐发展起来。布拉格波长的漂移为本文针对在周期变化磁场的情况下，基于等强度△=(1一)△(3)梁应变实验，对光纤光栅传感器和电阻应变片的测量其中，△为应变引起的中心波长的漂移；为光纤结果进行了分析。光栅的弹光系数；为应变的变化。1电阻应变片与光纤光栅传感器的工作原理令1一=，K称为光纤光栅相对波长应变灵1．1电阻应变片的工作原理敏度系数，当选定光纤光栅后，为一定值。电阻应变片的工作原理是将

4、应变量转变为电阻基于以上分析，光纤光栅中心波长的偏移量与轴变化量，其传感方程用公式表示为向均匀应变呈线性关系[9]odR一一：=Ko6(1)2工作特性对比实验其中，=l++E，对于特定材料，是一个常数，2．1实验装置为压阻系数；为金属丝泊松比；E为金属丝弹性实验采用等强度标准悬臂梁作为应变主体，当梁模量；s为金属丝应变。的自由端受竖向力P作用时，等强度梁表面各点的应1．2光纤光栅传感器的工作原理变相等。因此，将电阻应变片与光纤光栅粘贴到等强术基金项目：国家自然科学基金项目资助(51105140)2014年第35卷第4期自动化与信息工程

5、11度梁的不同位置，所测得的应变值应一致，并与理论传感器上方3cm、5cm、10cm的水平面内，并沿图值相符。实验装置示意图如图l所示。1中双向箭头的方向作频率为3Hz的往复运动。磁干扰源所产生的磁感线方向与等强度梁上表面垂直，记计算机电阻应变仪录不同载荷下的测量结果。悬臂梁上传感器所在位置的理论应变可由式(4)计算。占：=——(l4‘})JEbh‘其中，，、b、h分别为传感器粘贴位置的长、宽、厚；E为悬臂梁弹性模量；P为集中载荷。3实验结果分析3．1应变片数据时域分析等强度梁自由端施加的力为0N，对应变片测量数据进行均值对比分析，数

6、据如表1所示。此时理论计算的应变值为0。图1应变测量实验装置不意图表1悬臂梁自由端施加的力为0N时应变片测量值电阻应变仪采用北京波谱的WS．3811，其输出灵序号干扰距离／cm平均值最大值最小值敏度为1000u￡／V，示值误差为±O．1％。电阻应变1无干扰源3．37e’81．41e。6．1．06e一23．1．49e7．17e’．6．23e‘片型号为BX120—5AA，敏感栅长51／ln'l，宽3nlnl，35．3．60e一03基底长9．4n3nl，宽5_3llllIl。．23e．3．73e一41O．1．33e’1．25e6．1．45e

7、一光纤光栅传感解调仪为美国MOI的sm125500，波长精度为lpm，波长稳定性为1pm，波长量程为从表1可以看出，1、3组的平均值和2、4组的80nlTI(1510--1590nm)。光纤光栅长度为10IIIITI，平均值相差较大，但都不超过4个微应变，可近似约中心波长1554．883hill，反射率94．91％。将光纤光栅等于0。而且各组间均值的最大差值为1．83e，可以粘贴于悬臂梁的上表面，并使光栅的方向与梁轴平行。忽略，故均可视为零。说明实验数据有效。磁场干扰源为磁吸座。磁干扰距离不同时，电阻应变片的时域波形如图2．2实验方法

8、2～图5所示。首先对悬臂梁上粘贴传感器的部位进行打磨，然后用502胶将电阻应变片及光纤光栅沿与梁上表面中线平行方向粘贴。粘贴光纤光栅时需施加一定的预应力，以保证同梁表面粘贴牢m】。光纤光栅中心位置距离悬臂梁自由端285n