CN102288122A - 一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置和方法，属于计量测试与校准技术领域。装置包括模拟待测板、边界支撑构件、光纤光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)应变传感器、第一传输光缆、光纤光栅解调仪表、上位机、激光镜头、第二传输光缆、激光扫描仪振动测试分析***、激励装置和激励装置连接线。本发明的校准方法方便、快捷，特点是在线校准、原位校准和动态校准，这些特点使得其适合工程应用，可以为粘贴后的裸FBG传感器以及封装后的光纤光栅应变传感器提供动态灵敏系数；本发明也可以应用于检查传感器粘贴是否满足要求，对长期使用后的传感器，其还可以对其灵敏系数进行校正。

Description

一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置和方法，属于计量测试与校准技术领域。

背景技术

光纤光栅，即fiber bragg grating，也即FBG，目前在结构测试领域中的应用越来越多，随着光纤光栅传感器在结构测试领域中应用的增加，如飞机结构的测试、机械结构的测试、大型土木结构的测试，越来越多的工程应用中需要光纤光栅的灵敏度，但是目前尚没有行之有效的在线校准、动态校准、原位校准的方法。由于光纤光栅传感器的灵敏度随着每次粘贴工艺的不同而不同，甚至有时差别会比较大，因此需要对光纤光栅传感器在粘贴后的现场进行在线校准，由于光纤光栅常用于测试动态应变，需要其动态校准和动态灵敏度，而目前尚不存在针对光纤光栅传感器的在线校准方法。

发明内容

本发明的目的是对表面粘贴的光纤光栅传感器进行在线校准，提出一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置和方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，包括模拟待测板、边界支撑构件、光纤光栅应变传感器、第一传输光缆、光纤光栅解调仪表、上位机、激光镜头、第二传输光缆、激光扫描仪振动测试分析***、激励装置和激励装置连接线；

模拟待测板为金属材料或者复合材料的矩形平板，通过螺栓和垫块固定安装在边界支撑构件上，其中两对边固定安装于边界支撑构件上，另外两对边处于自由状态；光纤光栅应变传感器为直径为125um、长度为10-15mm的线状结构，用胶水在模拟待测板的中心位置沿平行于模拟待测板的自由边方向进行表面粘贴；光纤光栅应变传感器的尾纤经连接接头和第一传输光缆的一端连接，第一传输光缆的另一端接入光纤光栅解调仪表的光纤接头；光纤光栅解调仪表通过网线与上位机相连；

光纤光栅解调仪表中的光源发出的宽带激光，经过第一传输光缆和光纤光栅应变传感器的尾纤到达光纤光栅应变传感器，传感器中的光纤光栅对激光进行反射后形成窄带反射光，窄带反射光又经光纤光栅应变传感器的尾纤和第一传输光缆进入光纤光栅解调仪表，光纤光栅解调仪表对窄带反射光信号进行解调，得到反射光中心波长的变化值，再将反射光中心波长的变化值经网线传输到上位机，上位机显示、记录反射光中心波长的变化情况，从而得到光纤光栅应变传感器的实际应变情况；

激光镜头位于光纤光栅应变传感器的正上方，激光镜头通过第二传输光缆与激光扫描仪振动测试分析***相连；激光扫描仪振动测试分析***通过控制激光镜头中的反射镜转动角度来控制激光镜头所发出的激光光束的角度；

激励装置放置在模拟待测板上方的任意位置，其对模拟待测板施加作用力使模拟待测板振动；激励装置中带有力传感器，力传感器发出的电信号通过激励装置连接线与激光扫描仪振动测试分析***相连；

上述激励装置为力锤或者可发出谐形激励信号或者随机激励信号的振动台。

本发明的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其在线校准方法的步骤为：

1)将模拟待测板两对边固定安装于边界支撑构件上，另外两对边处于自由状态；

2)将光纤光栅应变传感器与模拟待测板进行表面粘贴，光纤光栅应变传感器的轴线平行于模拟待测板的自由边；

3)将光纤与第一传输光缆连接，并将第一传输光缆与光纤光栅解调仪表的光纤接头相连，将光纤光栅解调仪表通过网线与上位机连接；

4)将激光镜头安装于光纤光栅应变传感器的正上方，激光镜头在水平面上位置的确定方法为：使激光镜头发出的垂直于水平面的激光光束经过A、B两点连线的中点，所述A、B分别为光纤光栅应变传感器的两个端点；激光镜头与光纤光栅应变传感器的垂直距离的确定方法为：激光镜头发出的激光光束照射到模拟待测板的四个矩形边界线时，激光镜头发出的激光光线与竖直方向的夹角不超过20度；

5)用第二传输光缆将激光镜头与激光扫描仪振动测试分析***相连；

6)选择激励点，安装激励装置，并用激励装置连接线连接激励装置与激光扫描仪振动测试分析***；

7)启动在线校准装置；

8)由操作员控制激励装置对模拟待测板进行连续激励；

9)激光镜头发出的激光在模拟待测板表面扫描，测试其表面的振动速度，扫描点在模拟待测板表面呈网格状，扫描点之间的距离为不大于模拟待测板最小边长的1/10；激光扫描镜头发出的激光在光纤光栅应变传感器两个端点A、B之间的长度范围内扫描点要密集到20个点以上；

10)激光扫描仪器振动测试分析***通过激励装置连接线读取激励装置发出的电信号，结合从激光镜头得到的测试数据，分析得到模拟试验件表面的振动速度分布，并以此计算出模拟待测板在其固有频率振动状态下的光纤光栅应变传感器两个端点A、B范围内的应变，以此应变作为校准源数据；

11)光纤光栅解调仪表对光纤光栅应变传感器反射回来的窄带光信号进行解调，得到反射光中心波长的变化值，再将反射光中心波长的变化值经网线传输到上位机，操作员根据上位机显示的反射光中心波长的变化情况以及光纤光栅应变传感器的初始波长，结合数据分析方法得到模拟待测板在其固有频率振动状态下的中心波长变化值，对照步骤10)得到的校准源数据对光纤光栅应变传感器进行对比和标定，实现光纤光栅应变传感器的在线校准；

上述步骤10)中光纤光栅应变传感器两个端点A、B范围内应变的计算方法为：裸光纤光栅应变传感器两个端点A、B之间连接线的长度在10mm到15mm范围，在此范围之内激光扫描点数目为20点以上，也即扫描点的间距在0.5mm到0.8mm之间；通过对激光扫描仪振动测试分析***的软件进行设置，控制激光镜头在模拟待测板上的扫描角度，实现上述扫描点所规定的加密扫描指标要求；在激光扫描仪振动测试分析***中设置3次平均参数，从而得到模拟待测板表面准确的速度，进而对此数据进行分析计算，得到准确的校准源数据，此校准源数据是按照

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{AB}}=\frac{1}{\mathrm{AB}}\underset{A}{\overset{B}{\∫}}\mathrm{\ϵdl}---\left(1\right)$

计算得到的。其中，ε_AB是光纤光栅应变传感器两个端点A、B范围内的应变，l是AB方向的长度，AB是A、B两点之间的距离，ε是测试和分析得到的A、B范围内对应模拟待测板固有频率的应变模态，其是按照

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\∂}^{2}U}{{\∂}^{2}x}\×\frac{h}{2}---\left(2\right)$

计算得到的。其中，U为激光方法扫描得到的对应模拟待测板固有频率的位移模态，其是由直接测试的速度模态分析得到的，x为模拟待测板沿AB方向的坐标，h为模拟待测板的厚度。

本发明中模拟待测板也可采用四边固定的方式。

本发明是以封装前线状结构的光纤光栅应变传感器为例提出的，其方法具有这样的特点：采用垂直于模拟待测板表面的局部范围内高密集点的横向振动速度分布场，分析得到平行于模拟待测板的纵向应变分布，并通过分析得到校准的应变源；其方法也可以应用于封装后的具有一定宽度的光纤光栅应变传感器。对于封装后的具有一定宽度的光纤光栅应变传感器，其宽度在6mm以内，其长度在25-40mm之间，A、B为其两个端点。这时，加密扫描点的区域这样确定：传感器的两个侧边边界线分别向外侧平移3mm，形成平行于传感器长度方向轴线的两条平行直线，两条平行直线和两条垂向直线样所围成的矩形区域内就是扫描加密区域，在此区域内，加密扫描点的间距不大于0.5mm。对此数据采用同样的本专利所述的方法进行分析，可得到封装后的光纤光栅应变传感器校准应变源。

本发明还可应用于电阻应变片的在线校准，此时装置中光纤光栅应变传感器由电阻应变片取代，第一传输光缆由线缆取代，光纤光栅解调仪表由电阻应变仪取代。

有益效果

本发明的校准方法方便、快捷，特点是在线校准、原位校准和动态校准，这些特点使得其适合工程应用，可以为粘贴后的裸FBG传感器以及封装后的光纤光栅应变传感器提供动态灵敏系数；本发明也可以应用于检查传感器粘贴是否满足要求，对长期使用后的传感器，其还可以对其灵敏系数进行校正。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

其中，1为模拟待测板，2为边界支撑构件，3为光纤光栅应变传感器，4为光纤光栅应变传感器的尾纤，5为第一传输光缆，6为光纤光栅解调仪表，7为激光光束，8为激光镜头，9为第二传输光缆，10为激光扫描仪振动测试分析***，11为激励装置连接线，12为力锤，13为上位机，A、B分别为光纤光栅应变传感器的两个端点；

图2为本发明装置中模拟待测板的俯视示意图；

其中1为模拟待测板，2为边界支撑构件，3为光纤光栅应变传感器，4为光纤光栅应变传感器的尾纤，14为力锤激励点，A、B分别为光纤光栅应变传感器的两个端点；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，如图1和图2所示，包括模拟待测板、边界支撑构件、光纤光栅应变传感器、第一传输光缆、光纤光栅解调仪表、上位机、激光镜头、第二传输光缆、激光扫描仪振动测试分析***、激励装置和激励装置连接线；

上述激励装置采用力锤；

上述光纤光栅应变传感器为线状结构，其直径为125um、长度为15mm；

上述激光镜头为Polytec公司的PSV-400 scanning head；

上述激光扫描仪振动测试分析***为Polytec公司的OFV-5000 vibrometercontroller；

上述光纤光栅解调仪表型号为SM130；

上述模拟待测板的长度为1000mm，宽度为900mm，厚度为25mm；

上述激光镜头在模拟待测板上的非加密区域，其激光扫描点的距离为90mm，在光纤光栅应变传感器的两个端点A、B范围之内扫描点数目加密为30个点，扫描点间距加密为0.5mm。

本实施例中，光纤光栅应变传感器的应变测试的原理可以用公式(3)加以说明：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0}=0.78\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

公式(3)中，Δλ为光纤光栅传感器反射波中心波长的变化，Δλ＝λ_i-λ₀，其中λ_i为i时刻光纤光栅传感器反射波中心波长，λ₀为加载前光纤光栅传感器反射波中心波长，ε为光纤光栅的平均应变，0.78为现有技术中经过计算所规定的系数；

实际上，应用公式(3)得到了光纤光栅传感器的应变，并非模拟待测板表面的应变，而是光纤光栅本身的应变。由于光纤光栅传感器与模拟待测板表面通过胶粘接在一起，胶有一定的厚度，每次粘贴厚度又可能不同，由于剪力滞后效应，光纤光栅传感器应变与模拟待测板表面的应变不同。因此需要找到Δλ＝λ_i-λ₀与ε_AB(模拟待测板表面A、B两点之间的应变)之间的关系，才是对工程有意义的，这也是本发明专利解决的问题，如公式(4)，其中的k通常不等于0.78；

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0}={\mathrm{k\ϵ}}_{\mathrm{AB}}---\left(4\right)$

公式(4)中，ε_AB为模拟待测板上A、B范围内的平均应变，本发明中由激光测试分析方法得到，如公式(5)和公式(6)。

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\∂}^{2}U}{{\∂}^{2}x}\×\frac{h}{2}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{AB}}=\frac{1}{\mathrm{AB}}\underset{A}{\overset{B}{\∫}}\mathrm{\ϵdl}---\left(6\right)$

公式(5)U为激光方法扫描得到的位移模态，x为结构件沿AB方向的坐标，h为结构件的厚度，ε为测试得到的加密扫描范围内的应变模态。

先由公式(5)得到ε，即测试得到的加密扫描范围内的应变模态，再结合公式(6)得到校准应变源ε_AB。

公式(6)中ε是测试得到的加密范围内的应变模态，l是AB方向的长度，AB是A、B两点之间的距离，由激光测试扫描***的测试数据获得。

按照上述，有了ε_AB、Δλ＝λ_i-λ₀、λ₀，结合公式(7)，可以得到灵敏系数k。这样，系数k综合包含了光纤、粘接材料的影响。对于封装后的光纤光栅应变传感器，系数k还包含了封装材料、封装结构的影响。

$k=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0}\×\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{AB}}}---\left(7\right)$

用力锤敲激激励点，使模拟待测板在一定频率范围内发生振动。这时，一方面公式(7)中的Δλ＝λ_i-λ₀可以由解调仪表测试获得；另一方面，ε_AB是由激光扫描测试***这样获得的：由激光镜头扫描获得模拟待测板表面的速度，特别注意的是在AB范围内要加密扫描点，要求在此范围内至少20个点(沿AB方向)。由激光扫描仪器振动测试分析***获得模拟待测板的速度模态、位移模态，由位移模态得到应变模态，并根据公式(5)由局部加密的点得到AB范围内更加精确的应变模态ε，再由应变模态结合公式(6)计算得到ε_AB。最后由公式(7)得到灵敏系数k。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于：

包括模拟待测板、边界支撑构件、光纤光栅应变传感器、第一传输光缆、光纤光栅解调仪表、上位机、激光镜头、第二传输光缆、激光扫描仪振动测试分析***、激励装置和激励装置连接线；

模拟待测板为金属材料的矩形平板，通过螺栓和垫块安装在边界支撑构件上；光纤光栅应变传感器为线状结构，其直径为125um、长度为10-15mm，用胶水在模拟待测板的中心位置沿平行于模拟待测板的自由边方向进行表面粘贴；光纤光栅应变传感器的尾纤经连接接头和第一传输光缆的一端连接，第一传输光缆的另一端接入光纤光栅解调仪表的光纤接头；光纤光栅解调仪表通过网线与上位机相连；

光纤光栅解调仪表中的光源发出的宽带激光，经过第一传输光缆和光纤光栅应变传感器的尾纤到达光纤光栅应变传感器，传感器中的光纤光栅对激光进行反射后形成窄带反射光，窄带反射光又经光纤光栅应变传感器的尾纤和第一传输光缆进入光纤光栅解调仪表，光纤光栅解调仪表对窄带反射光信号进行解调，得到反射光中心波长的变化值，再将反射光中心波长的变化值经网线传输到上位机，上位机显示、记录反射光中心波长的变化情况，从而得到光纤光栅应变传感器的实际应变情况；

激光镜头位于光纤光栅应变传感器的正上方，激光镜头通过第二传输光缆与激光扫描仪振动测试分析***相连；激光扫描仪振动测试分析***通过控制激光镜头中的反射镜转动角度来控制激光镜头所发出的激光光束的角度；

激励装置放置在模拟待测板上方的任意位置，其对模拟待测板施加作用力使模拟待测板振动；激励装置中带有力传感器，力传感器发出的电信号通过激励装置连接线与激光扫描仪振动测试分析***相连；

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于其在线校准方法的步骤为：

1)将模拟待测板两个边固定安装于边界支撑构件上，另外两个边处于自由状态；

2)将光纤光栅应变传感器与模拟待测板进行表面粘贴，光纤光栅应变传感器的轴线平行于模拟待测板的自由边；

3)将光纤与第一传输光缆连接，并将第一传输光缆与光纤光栅解调仪表的光纤接头相连，将光纤光栅解调仪表通过网线与上位机连接；

4)将激光镜头安装于光纤光栅应变传感器的正上方，激光镜头在水平面上位置的确定方法为：使激光镜头发出的垂直于水平面的激光光束经过A、B两点连线的中点，所述A、B分别为光纤光栅应变传感器的两个端点；激光镜头与光纤光栅应变传感器的垂直距离的确定方法为：激光镜头发出的激光光束照射到模拟待测板的四个矩形边界线时，激光镜头发出的激光光线与竖直方向的夹角不超过20度；

5)用第二传输光缆将激光镜头与激光扫描仪振动测试分析***相连；

6)选择激励点，安装激励装置，并用激励装置连接线连接激励装置与激光扫描仪器振动测试分析***；

7)启动在线校准装置；

8)由操作员控制激励装置对模拟待测板进行连续脉冲激励；

9)激光镜头发出的激光在模拟待测板表面扫描，测试其表面的振动速度，扫描点在模拟待测板表面呈网格状，扫描点之间的距离为不大于模拟待测板最小边长的1/10；激光扫描镜头发出的激光在光纤光栅应变传感器两个端点A、B之间的长度范围内扫描点要密集到20个点以上；

10)激光扫描仪振动测试分析***通过激励装置连接线读取激励装置发出的电信号，结合从激光镜头得到的测试数据，分析得到模拟试验件表面的振动速度分布，并以此计算出模拟待测板在其固有频率振动状态下的光纤光栅应变传感器两个端点A、B范围内的应变，以此应变作为校准源数据；

11)光纤光栅解调仪表对光纤光栅应变传感器反射回来的窄带光信号进行解调，得到反射光中心波长的变化值，再将反射光中心波长的变化值经网线传输到上位机，操作员根据上位机显示的反射光中心波长的变化情况以及光纤光栅应变传感器的初始波长，结合数据分析方法得到模拟待测板在其固有频率振动状态下的中心波长变化值，对照步骤10)得到的校准源数据对光纤光栅应变传感器进行对比和标定，实现光纤光栅应变传感器的在线校准。

3.根据权利要求2所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于：

所述在线校准方法的步骤10)中光纤光栅应变传感器两个端点A、B范围内应变的计算方法为：裸光纤光栅应变传感器两个端点A、B之间连接线的长度在10mm到15mm范围之间，在此范围之内激光扫描点数目为20点以上，也即扫描点的间距在0.5mm到0.8mm之间；通过对激光扫描仪振动测试分析***的软件进行设置，控制激光镜头在模拟待测板上的扫描角度，实现上述扫描点所规定的加密扫描指标要求；在激光扫描仪器振动测试分析***中设置3次平均参数，得到模拟待测板表面准确的速度，进而对此数据进行分析计算，得到准确的校准源数据，此校准源数据是按照

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{AB}}=\frac{1}{\mathrm{AB}}\underset{A}{\overset{B}{\∫}}\mathrm{\ϵdl}$

计算得到的；其中，ε_AB是光纤光栅应变传感器两个端点A、B范围内的应变，l是AB方向的长度，AB是A、B两点之间的距离，ε是测试和分析得到的A、B范围内的应变模态，其是按照

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\∂}^{2}U}{{\∂}^{2}x}\×\frac{h}{2}$

计算得到的；其中，U为激光方法扫描得到的位移模态，其是由直接测试的速度模态分析得到的，x为模拟待测板沿AB方向的坐标，h为模拟待测板的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于所述激励装置为力锤或者可发出谐形激励信号或者随机激励信号的振动台。

5.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于所述激光镜头为Polytec公司的PSV-400 scanning head，所述激光扫描仪振动测试分析***为Polytec公司的OFV-5000 vibrometercontroller。

6.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于所述光纤光栅解调仪表型号为SM130。

7.根据权利要求2所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于其校准方法采用垂直于模拟待测板表面的局部范围内高密集点的横向振动速度分布场，分析得到平行于模拟待测板表面的纵向应变分布，并通过分析得到校准的应变源。

8.根据权利要求2所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于：

所述光纤光栅应变传感器为封装后的、具有一定宽度的光纤光栅应变传感器，其宽度在6mm以内，其长度在25-40mm之间，A、B为其两个端点，加密扫描点的区域这样确定：分别过A、B两点做垂直于传感器长度方向轴线的两条垂向直线；传感器的两个侧边边界线分别向外侧平移3mm，形成平行于传感器长度方向轴线的两条平行直线，两条平行直线和两条垂向直线样所围成的矩形区域内就是扫描加密区域，在此区域内，加密扫描点的间距不大于0.5mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于：装置中光纤光栅应变传感器由电阻应变片取代，第一传输光缆由线缆取代，光纤光栅解调仪表由电阻应变仪取代，此时装置用于电阻应变片的在线校准。

10.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅应变传感器的在线校准装置，其特征在于：模拟待测板采用四边固定的方式。

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