形变光纤传感器的特性及结构优化

作者:狄海廷;付宜利 刊名:光电子.激光 上传者:云斌

【摘要】提出一种可直接检测结构形变的光强调制型光纤传感器,采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲变形的灵敏度。利用悬臂梁、简支梁和标准圆柱体对传感器的静态特性进行分析,得到传感器的静态输出曲线,并对传感器的灵敏度方向性进行了测试,结果表明,本文传感器可以区分弯曲变形的方向,且变形曲率在-16.67~16.67m-1(对应的弯曲半径为60mm)范围内有较好的线性输出。对传感器进行Monte Carlo光线追迹分析,并结合正交试验法对传感器的光泄漏区结构参数进行了优化分析,结果表明,光泄漏区的深度和齿数对传感器的灵敏度有显著影响,为提高传感器的性能提供了依据。

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1引言可直接测量结构形变的传感器并不多见。应变片可以测量结构表面应变,再根据应变和结构形变之间的关系可间接测量结构的形变大小。然而,应变片的测量范围有限,当结构发生较大的弯*E-mail:sealong_ren@163.com曲变形时,应变片会因过分拉伸而无法恢复原状[1]。利用光纤光栅(FBG)波长检测技术和多芯光纤干涉技术可测量结构的形变大小[2~7],且测量精度高,但价格较为昂贵,检测系统复杂,在实际的工程应用中受到一定的限制。Davis等人[8~10]利用光纤宏弯时的光强变化原理监测动物在进行机械人工呼吸时胸腔轮廓的形变情况,检测方法虽然结构简单且价格低廉,但灵敏度较低。本文提出了一种光强调制型形变光纤传感器,可直接检测结构形变,并采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲变形的灵敏度,在薄结构的形变检测中具有明显的优势,同时具有成本低、测量范围大和结构简单等特点[11~13]。2形变光纤传感器的结构对于表面未经处理的光纤,当其宏弯变形的弯曲半径大于5~10cm时,因弯曲而引起的光损耗很小,甚至可以忽略不计[14]。可见它对弯曲的灵敏度非常低,不足以检测实际工程中负载状态下的结构变形。为了增加光纤对弯曲变形的灵敏度,将一段光纤一侧表面的部分包层和纤芯破坏掉,采用精密铣削的方法在其纤芯表面加工出锯齿形光泄漏区,以增加光纤弯曲时的光泄漏。形变光纤传感器的结构如图1所示。图2为加工出图1形变光纤传感器的光泄漏区Fig.1Lightleakagezoneofthefiber-opticdeformationsensor图2光泄漏区表面放大图Fig.2Partialenlargementfigureofthelightleakagezone的光泄漏区放大图。3形变光纤传感器的特性3.1静态特性曲线由于形变光纤传感器的测量范围很大,在一种实验装置上是很难实现全部测量。因此,必须针对不同的弯曲变形半径采用不同的实验装置。本文将形变光纤传感器按其弯曲变形范围分成3段,即小弯曲变形(弯曲半径大于10m)、较大弯曲变形(弯曲半径在0.2~10m之间)和大弯曲变形(弯曲半径小于0.2m),分别在悬臂梁、简支梁和标准圆柱体3种实验装置上进行测量。图3为采用悬臂梁测量小弯曲变形的原理框图。用柔性较大的粘合剂(硅胶)将传感器的光泄漏区粘贴于悬臂梁上,并用透明胶带固定光纤引线。步进电机通过联轴器驱动丝杠转动,丝杠的转动转化为丝杠螺母的运动,从而实现了丝杠螺母的顶尖推动悬臂梁末端偏移。控制步进电机的正反转即可控制丝杠螺母的移动方向,进而控制悬臂梁末端偏移的方向,以实现传感器的正向弯曲(光泄漏区位于弯曲光纤的凸侧)和负向弯曲(光泄漏区位于弯曲光纤的凹侧)。图3小弯曲变形测量系统原理框图Fig.3Functionalblockdiagramofsmalldeformationmeasurement图4为采用简支梁测量较大弯曲变形的原理框图。将传感器的光泄漏区粘贴于简支梁的中部,由螺旋测微器推动简支梁的中点下移,每移动3mm记录1次传感器的输出。测量正向弯曲输出后,将简支梁反转,以同样的方式得到传感器负向弯曲时的输出数据。对于大弯曲变形,可直接在标准圆柱体上测量。将传感器粘贴于软尺上(在粘贴过程中,要注意确保传感器的光泄漏区表面与软尺的表面平行),然后将3901第6期狄海廷等:形变光纤传感器的特性及结构优化软尺的正、反两面分别靠附于不同直径的圆柱体表面,即可依次测量出传感器在正向弯曲和负向弯曲状态下的输出。图4测量较大弯曲变形的系统原理框图Fig.4Functionalblockdiag

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