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1、两种表面粘贴式光纤光栅应变传感器性能比较1111孙丽岳川云冯燕忠陈博文1（沈阳建筑大学110168）摘要：在结构健康监测中，粘贴式光纤光栅应变传感器常应用于表面应变监测当中。本文介绍了两种表面粘贴式光纤光栅应变传感器，并对这两种传感器的封装方式和应变传递过程进行比较。基片式光纤光栅应变传感器体积小，安装方便，但由于使用基体材料直接封装光纤光栅,粘接胶、基体材料以及被测材料的弹性模量不同,因而出现应变传递损耗。夹持式传感器由于胶粘剂没有直接封装光纤光栅区域，消除了胶粘剂对传感器应变传递的影响，而且该传感器具有应变放大机制，测量精度超过了裸光纤光栅，而且通过调节封装工艺中的参数，可以改
2、变传感器的应变灵敏度系数，但封装工艺相当复杂。关键词：光纤光栅、基片式传感器、夹持式传感器1引言光纤光栅传感器是最近几年发展较为迅速的传感器之一，具有本质防爆，抗电磁干扰和高精度等优点，因而成为健康监测中传感器研究的重点。单模光纤的外径(纤芯和包层)仅为125με，自身抗剪能力很差，再加之光栅写入时紫外光使无涂敷的光纤变脆，因此很容易脆断。同时外界的水分等也易使光栅特性发生改变，因此光栅写入后必须封装，然后才能应用。封装主要考虑如何保护纤细的光纤光栅，并将其集成在结构中进行准确的测量。对于不同的测量要求，需要开发相应的封装方式以适应不同的基体形式。基片式传感器是将光纤光栅粘贴在带有
3、小槽的金属基片上,然后再粘贴于被测物表面进[1,2]行检测,通常用于船舶、航空器等。该传感器的封装是光栅与被检测物体之间存在着包裹层或衬底层以及黏结剂，正由于这些材质的弹性模量与光纤的弹性模量有差别,所以使得光纤光栅所测得的应变并非实际物体的应变量。夹持式光纤光栅应变传感器是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，将夹持件粘贴或者是焊接在被测结构表面。本文在理论上分析了该传感器的应变传递率。这种光纤光栅应变传感器通过改变封装工艺参数可以调节应变传递率。2．光纤光栅的工作原理光纤光栅是将通信用光纤的一部分,利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光法而制成的一种纤芯折射率周期性变
4、化的光栅。通常的光会全部穿过光纤光栅而不受影响,只有特定波长的光(中心波长λ)在光栅处反射后会按原路返回。光纤光栅中心波长λ为：BBλB=2neffΛ（1）式中,n为光纤纤芯有效折射率;Λ为光栅周期。eff光纤光栅中心波长取决于光栅周期和光纤有效折射率,任何使这两个参量发生改变的物理量都将引起光栅布拉格波长的漂移。应变和温度是能够直接改变布拉格波长的物理量。当光栅受到外力作用时,光栅的周期会发生变化,同时由于光弹效应也会导致光栅折射率变化。当不考虑外界温度影响时:2Δλ⎧n⎫=⎨1−[]p12−ν()p11+p12⎬ε（2）λ⎩2⎭式中,Δλ为波长变化;p与p为光弹常数;ν为泊松比
5、;ε为应变。11122⎧n⎫令Kε=⎨1−[]p12−ν()p11+p12⎬λ,得:⎩2⎭Δλ=K•ε（3）Bε式中K为光纤光栅应变传感灵敏度系数。对于纤芯是纯石英的光纤情况,中心波长为1550εnm附近的光纤光栅,K约等于1.2pm/με。ε3.两种传感器的封装方式3.1基片式传感器为解决因光纤的圆柱型结构所带来的粘贴问题,引入了粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器。如图1所示。在获取结构表面的应变中,传感器与结构表面的粘贴是非常重要的因素,直接将光栅粘贴于结构表面是困难的。图1金属基片式传感器示意图[5]把光栅粘贴于基片(敏感元件)传感面的小槽内。在传感时,将贴光纤Bragg光栅
6、的金属基片粘贴于被测基体的表面。光纤光栅金属基片式封装结构主要由金属薄片、光纤光栅、胶粘剂。该封装结构的基本思想是将光栅封装在刻有小槽的金属薄片上，通过金属薄片将结构的应变传到光栅上。金属薄片是传递结构应变的直接载体，因此需要它尽可能薄。小槽的主要目的是增大光栅与金属薄片的接触面积，使其形成有机的整体，同时起到保护光栅的作用。2.2夹持式传感器为了克服光纤光栅应变传感器对胶粘剂的品质要求较高、应变损耗大以及无法实现焊接[3]安装的缺点，文献提出了夹持式封装的光纤光栅应变传感器。图2夹持式光纤光栅应变传感器夹持式封装技术的主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结
7、构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅。图2为夹持封装的光纤光栅应变传感器。该方式封装的传感器可根据实际需要改变标距长度。这种新型的光纤光栅传感器封装方式，综合利用了细径管保护式和夹持式封装的思路，采用细径管封装光纤光栅两端，避免使用胶粘剂接触光纤光栅区域，消除了多峰值现象;使用细径管密封保护光纤光栅区域。这种传感器将同时兼有细径管保护式和夹持式的优点，既可以埋入结构中也可以通过辅助构件构成夹持式传感器。由于胶粘剂没有直接封装光纤光栅区域，消除了胶粘剂对传感器应变传递的影
