CN109211302B - 裸fbg应变传感器的标定***的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤传感领域，公开了一种裸FBG应变传感器的标定用装置、标定***及标定方法。该标定用装置包括标定底板和分别设置在所述标定底板顶部的标定基座和微位移产生装置；所述标定基座和微位移产生装置分别设有定位槽以及与定位槽匹配设置的弹性垫，所述裸FBG应变传感器通过定位槽和弹性垫固定在标定基座和微位移产生装置之间；所述标定基座与标定底板固定连接，所述微位移产生装置可相对于标定底板运动；通过微位移产生装置在标定底板上做相对运动，改变微位移产生装置与标定基座间的距离，进而改变待测裸FBG应变传感器的波长。本发明可以取得良好的线性度和不确定度，为FBG在工程中的应用提供了条件。

Description

裸FBG应变传感器的标定***的标定方法
技术领域
本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种裸FBG应变传感器的标定用装置、标定***及标定方法。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG),是利用光纤材料的光敏特性,以一定的写入技术在裸光纤的一段范围内写入具有周期性折射率的芯内体光栅,其实质作用是在纤芯内形成以共振波长为中心的窄带光学滤波器,宽带光源或可调谐光源输出光经过光栅时,光谱中以光栅的波长为中心的窄带光谱在光栅处被反射而被解调,其他大部分光将发生透射而沿原来方向传输。FBG纤芯在外界温度、应力等物理量的作用下,折射率将发生改变,从而引起光栅反射光中心波长漂移。此特性即为FBG传感器的工作原理,通过检测反射光波长的变化即可得出FBG传感器所处环境待测物理量的变化。
FBG应变传感器作为一种新型传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强，便于实现实时分布式测量等优点，非常适合复杂条件下结构应变信息长期监测工作，被广泛应用于土木结构、海洋工程、航空航天等领域，其对应力、应变、温度及振动等多参量检测有突出的优势,正逐渐取代传统的传感器。
为了保证测量的准确性，FBG应变传感器在使用前需要对其进行应变灵敏度的标定。目前，对于已经封装好的FBG应变传感器的标定已经有了较多可行性方法。一般采用弯矩梁作为基本结构，在标准梁粘贴FBG，通过施加载荷使梁上产生应变，通过计算得到梁表面的应变从而实现FBG传感器的应变特性标定。如公开号为CN207318047U的一种FBG应变传感器动态标定用耦合器和标定装置，公开了标定装置包括等强度梁和振动台，等强度梁的头端固定在支架上，末端与振动台的输出部连接，电阻应变计和FBG传感器粘接在等强度梁上，加速度传感器粘接在等强度梁的末端。
在实际应用中，裸FBG应变传感器的灵敏度系数同样需要得到精确的标定，但是由于裸FBG应变传感器非常脆弱，一旦采用粘贴等传统方法进行安装，很难完好地拆卸下来，并且采用且现有的对已经封装好的FBG应变传感器的标定装置采用的标定方式对裸FBG应变传感器进行标定，存在应变传递率不确定的问题，同时现有的标定装置结构较复杂，涉及的器件较多，成本较高，维护成本高，不能满足工程实际应用的需求。且复杂的标定装置对操作人员的要求严格，需要操作人员具有丰富的操作经验以克服拆卸难、测量精度不准的问题。而精确的灵敏度系数是保证测量结果的精确性和可重复性的重要参数，现有技术尚缺乏对裸FBG应变传感器灵敏度系数更好的标定方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够合理解决应变传递率问题的裸FBG应变传感器的标定用装置，该标定用装置尤其适用于裸FBG应变传感器的标定，操作简便，精确度高。
本发明目的通过以下技术方案实现：
提供一种裸FBG应变传感器的标定用装置，包括标定底板和分别设置在所述标定底板顶部的标定基座和微位移产生装置；所述标定基座和微位移产生装置分别设有定位槽以及与定位槽匹配设置的弹性垫，所述裸FBG应变传感器通过定位槽和弹性垫固定在标定基座和微位移产生装置之间；所述标定基座与标定底板固定连接，所述微位移产生装置可相对于标定底板运动；通过微位移产生装置在标定底板上做相对运动，改变微位移产生装置与标定基座间的距离，进而改变待测裸FBG应变传感器的波长。
进一步地，所述微位移产生装置包括杠杆、滑移台和用于驱动滑移台的分厘卡；杠杆通过支撑组件与标定底板活动连接，所述滑移台设置在杠杆一端的一侧，与杠杆的侧面连接驱动杠杆动作，分厘卡与滑移台连接；所述标定基座设置在杠杆另一端的另一侧，待标定裸FBG应变传感器固定在标定基座和杠杆之间。本方案中，通过旋转分厘卡以驱动滑移台移动，进而驱动与滑移台连接的杠杆的一端移动，使得杠杆以支撑组件为旋转轴进行旋转，实现与杠杆另一端连接的裸FBG应变传感器被拉伸。
进一步地，所述支撑组件包括与标定底板固定连接的旋转轴以及设置在杠杆内部的轴承，所述轴承与旋转轴连接。
进一步地，所述微位移产生装置的调节比例为1:200；即控制杠杆的右侧向上移动200um，杠杆左侧向下移动1um。此调节比例下，调节更方便，精度更高。
进一步地，所述定位槽设有成对设置的定位孔，所述弹性垫采用橡胶垫，所述橡胶垫设有与定位孔匹配设置的安装孔，通过将螺钉穿过匹配设置的定位孔和安装孔，可以实现橡胶垫与定位槽的固定安装，进而实现对裸FBG应变传感器的固定。使用螺钉对定位槽的定位孔和橡胶垫的安装孔进行匹配安装，不仅不影响裸FBG应变传感器的应变传递率，而且拆卸、安装方便。
进一步地，所述标定基座上纵向并列设有多个等级的定位槽，可以通过调节裸FBG应变传感器接入定位槽的等级，进而调节裸FBG应变传感器的栅区长度。
进一步地，所述栅区长度范围为5mm到10mm。
本发明的另一目的在于提供一种裸FBG应变传感器的标定***，包括上述的标定用装置以及与固定在所述标定用装置上的裸FBG应变传感器的一端依次连接的光纤光栅解调仪和上位机。
本发明的再一目的在于提供一种裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，包括步骤：
S1.搭建上述标定***，使标定用装置处于恒温状态；由于在在确定的FBG传感器中，光栅的周期由应变和温度决定，在标定过程中，使得标定用装置处于恒温状态，以避免温度对结果的影响；
S2.设定待标定裸FBG应变传感器的栅区长度；
S3.测量待标定裸FBG应变传感器在自由状态下的中心波长；
S4.使微位移产生装置相对标定基座移动，拉伸裸FBG应变传感器，多次记录拉伸长度与裸FBG应变传感器的波长变化之间的关系；
S5.将记录数值带入其中N为重复测量的次数，s(Kε)为实验结果的标准差，Kεi为第i次试验的应变灵敏度系数，为N次试验的应变灵敏度系数的平均数。
进一步地，所述微位移产生装置包括杠杆、滑移台和分厘卡；所述杠杆与裸FBG应变传感器相连的一侧设有支撑组件，所述杠杆的另一侧与滑移台连接，所述滑移台还与分厘卡连接；所述支撑组件包括与标定底板固定连接的旋转轴以及设置在杠杆内部的轴承，所述轴承与旋转轴过盈配合；所述步骤S4具体包括：
S41.旋转分厘卡，滑移台与杠杆连接处伸长，从而控制杠杆以支撑组件为轴，与滑移台相连的一侧向上旋转，与裸FBG应变传感器相连的一侧向下旋转，进而拉伸裸FBG应变传感器的长度；
S42.单次实验指从0με加载到1000με，每拉伸裸FBG应变传感器2um，即加载200με；重复N次实验，即重复N次从0με加载到1000με，用于提高测量数据的准确性，减小实验误差；
S43.分别记录裸FBG应变传感器的拉伸长度与相应的波长变化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)由于引入非线性因素少，本方法具有极好的线性度；可以实现对光纤的均匀拉伸；
(2)通过将裸FBG应变传感器的两端分别设置在定位槽和橡胶垫之间，再通过固定装置对定位槽和橡胶垫进行固定，该种对裸FBG应变传感器的安装方式，可以避免传统的粘贴式的安装方式对应变传递所造成的影响；
(3)设有多等级定位槽，适用于不同栅区长度的裸FBG应变传感器的灵敏度系数的标定，应用范围广，适用性强；
(4)操作极为简便；
在实际操作过程中，首先拆装简便，重复性能好；待测裸FBG应变传感器一改粘贴的传统方式，采用了特制的定位槽和弹性垫，拆装简便同时不影响应变传递；
其次操作步骤简便，通过旋转分厘卡就可以计算出裸FBG应变传感器的应变长度，观察光纤光栅解调仪、上位机即可得出示数；
设备的维护成本较低,故障率较少；操作简单，只需简单培训就可精准测出实验结果，对实验人员的专业素质无特殊要求；
综上，该方法简单易于实现，成本低、操作简便的同时，采用本发明进行标定可以取得良好的线性度和不确定度，可以实现裸FBG应变传感器的精确标定；本发明非常适用于工程实际应用。
附图说明
图1为所述裸FBG应变传感器标定用装置的结构示意图；
图2为所述裸FBG应变传感器标定用装置C-C面的剖视图；
图3为所述杠杆和标定底板的安装示意图；
图4为所述滑移台和分厘卡的连接示意图；
图5为所述裸FBG应变传感器标定***的结构示意图；
图6为所述裸FBG应变传感器标定方法的流程图。
其中，1-标定底板，2-杠杆，3-滑移台，4-分厘卡，5-标定基座，6-定位槽，7-定位孔，8-旋转轴，9-轴承，10-橡胶垫，11-安装孔，12-裸FBG应变传感器，13-光纤光栅解调仪，14-上位机，15-支撑组件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1至图4所示，提供一种裸FBG应变传感器的标定用装置，包括标定底板1和分别设置在标定底板1顶部的标定基座5和微位移产生装置；标定基座5与标定底板1固定连接，微位移产生装置与标定底板1可做相对移动。微位移产生装置包括杠杆2、滑移台3和分厘卡4；杠杆2与裸FBG应变传感器12相连的一侧设有支撑组件15，杠杆2的另一侧依次与滑移台3和分厘卡4连接。支撑组件15包括与标定底板1固定连接的旋转轴8以及设置在杠杆2内部的轴承9，轴承9与旋转轴8过盈配合。
滑移台3设置在杠杆2一端的一侧，滑移台3与杠杆2的侧面连接驱动杠杆2动作；标定基座5设置在杠杆2另一端的另一侧，待标定裸FBG应变传感器12固定在标定基座5和杠杆2之间。
如图1所示，本标定用装置的工作原理为：旋转分厘卡4，滑移台3与杠杆2连接处伸长，从而控制杠杆2以支撑组件15为轴，与滑移台3相连的一侧向上旋转，如图1所示逆时针旋转；与裸FBG应变传感器12相连的一侧向下旋转，进而拉伸裸FBG应变传感器12的长度。同理，反向旋转分厘卡4，可以缩短裸FBG应变传感器12的长度。裸FBG应变传感器12在杠杆2的作用下可以产生精度为5nm的微位移。其中，杠杆2的比例为1:200，即通过旋转分厘卡4，控制杠杆2与滑移台3的连接侧向上移动200um，杠杆2的另一侧向下移动1um。分厘卡4的精度为1um。在杠杆2上，与滑移台3的连接处设有卡槽，用来限制滑移台3的滑动范围，提高控制精度。
标定基座5和对应的杠杆2处分别设有定位槽6以及与定位槽6匹配设置的橡胶垫10；同时，标定基座5上纵向设有多个等级的定位槽6，可以通过调节裸FBG应变传感器12接入定位槽6的等级，控制裸FBG应变传感器12初始长度，进而调节裸FBG应变传感器12的栅区长度；栅区长度范围为5mm到10mm。定位槽6包括成对设置的定位孔7，橡胶垫10设有与之匹配设置的安装孔11，将裸FBG应变传感器12的一端放置在标定基座5的定位槽6和橡胶垫10之间，裸FBG应变传感器12的另一端放置在杠杆2的定位槽6和橡胶垫10之间，再使螺钉分别穿过定位孔7和安装孔11，将橡胶垫10压紧在对应的定位槽6上，从而对裸FBG应变传感器12的两端进行固定。
通过将裸FBG应变传感器12的两端分别设置在定位槽6和橡胶垫10之间，再通过固定装置对定位槽6和橡胶垫10进行固定，该种对裸FBG应变传感器12的安装方式，可以避免传统的粘贴式的安装方式对应变传递所造成的影响。而使用螺钉对定位槽6的定位孔7和橡胶垫10的安装孔11进行匹配安装的安装方式，不仅不影响裸FBG应变传感器12的应变传递率，而且拆卸、安装方便。
设有多等级定位槽6，适用于不同栅区长度的裸FBG应变传感器12的灵敏度系数的标定，应用范围广，适用性强。
本实施例的裸FBG应变传感器标定用装置，适用于对裸FBG应变传感器标定的应用；改变了传统的粘贴法产生对FBG应变传感器的应变，巧妙地设计了以杠杆、滑移台、分厘齿组成的微位移装置以实现对光纤的均匀拉升，引入非线性因素少，使得后续对裸应变传感器的标定，能够以最低的成本、最简易的操作实现精准的标定测量，有效克服了现有技术无法避免的应变传递率不确定问题、实际难以拆卸的问题。本裸应变传感器标定用装置，结构简易、采用通用件构成，成本低廉，操作简便同时结果可靠，非常适用于工程实际应用，具有推广价值。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1的区别之处在于，还提供一种裸FBG应变传感器12的标定***，包括实施例1中的标定用装置以及与固定在所述标定用装置上的裸FBG应变传感器12的一端依次连接的光纤光栅解调仪13和上位机14。光纤光栅解调仪发出的光经过与之相连的裸FBG应变传感器的反射后,具有特定中心波长的反射光再次进入光纤光栅解调仪，解调出FBG的中心波长，并传输到上位机上进行显示。
本实施例的标定***，采用实施例1的标定用装置产生并测量裸FBG应变传感器应变，利用光纤光栅解调仪和上位机，可视效果好，操作便捷简单。
实施例3
如图6所示，本实施例提供一种裸FBG应变传感器的标定方法，包括步骤：
S1.搭建标定***，该标定***包括实施例1中的标定用装置、光纤光栅解调仪13和上位机14；
为了避免温度对标定结果的影响，使标定***处于恒温状态。
S2.通过调节待标定的裸FBG应变传感器12接入的定位槽6等级，设定待标定裸FBG应变传感器12的栅区长度；具体地，将待标定的裸FBG应变传感器的两端分别固定在标定基座和杠杆的橡胶垫下面，再将螺钉穿过定位槽对橡胶垫进行固定。
S3.将裸FBG应变传感器与光纤光栅解调仪相连，测量待标定裸FBG应变传感器12在自由状态下的中心波长；
具体地，使光纤光栅解调仪13发出的光经过与之相连的裸FBG应变传感器12的反射后,具有特定中心波长的反射光再次进入光纤光栅解调仪13，进而解调出FBG的中心波长，并传输到上位机14上进行显示。
S4.使微位移产生装置相对标定基座5移动，拉伸裸FBG应变传感器12，多次记录拉伸长度与裸FBG应变传感器12的波长变化之间的关系；
其中，微位移产生装置包括杠杆2、滑移台3和分厘卡4；所述杠杆2与裸FBG应变传感器12相连的一侧设有支撑组件15，所述杠杆2的另一侧与滑移台3连接，所述滑移台3还与分厘卡4连接；所述支撑组件15包括与标定底板1固定连接的旋转轴8以及设置在杠杆2内部的轴承9，所述轴承9与旋转轴8过盈配合。
步骤S4具体包括：
S41.慢慢转动旋转分厘卡4，滑移台3与杠杆2连接处伸长，从而控制杠杆2以支撑组件15为轴，与滑移台3相连的一侧向上旋转，与裸FBG应变传感器12相连的一侧向下旋转，如图1箭头所示旋转，进而拉伸裸FBG应变传感器12的长度；本实施例中，每拉伸2um也就是每加载200με，观察光纤光栅解调仪的示数，记录裸FBG应变传感器的波长变化，从0με开始直至拉伸1000με；
S42.重复步骤S42N次，以克服单次测量的偶然性；
单次实验为从0με加载到1000με，每拉伸裸FBG应变传感器2um，即加载200με；重复N次实验，即重复N次从0με加载到1000με，用于提高测量数据的准确性，减小实验误差；
S43.分别记录每次实验裸FBG应变传感器12的拉伸长度与相应的波长变化。
S5.在确定的FBG传感器中，光栅的周期由应变和温度决定。由光纤光栅传感原理可知，中心波长的漂移量可表示为ΔλB＝Kεε+KTΔT。式中：Kε为FBG传感器的应变灵敏度系数，KT为FBG传感器的温度灵敏度系数，ε为FBG传感器所受应变，ΔT为所受温度变化量。当温度变化为0时，那么中心波长的漂移量可以写为：ΔλB＝Kεε。可以看出，在理论上，应变与波长漂移量成线性关系。计算应变灵敏度系数的公式为其中N为重复测量的次数，s(Kε)为实验结果的标准差，|为第i次试验的应变灵敏度系数，为N次试验的应变灵敏度系数的平均数。
将记录的数值带入上式中进行计算。
本发明针对传统FBG标定方法不适合裸FBG应变传感器应变灵敏度系数标定的问题，提出了一种简易的适合裸FBG应变传感器标定的方法，该方法简单易于实现，便于裸FBG传感器拆装，避免了粘贴安装产生的不易确定的应变传递问题。该标定方法可以取得良好的线性度和不确定度，为FBG在工程中的应用提供了条件。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，其特征在于，所述标定***包括标定用装置以及与固定在所述标定用装置上的裸FBG应变传感器的一端依次连接的光纤光栅解调仪和上位机，所述标定用装置包括标定底板和分别设置在所述标定底板顶部的标定基座和微位移产生装置；所述标定基座和微位移产生装置分别设有定位槽以及与定位槽匹配设置的弹性垫，所述裸FBG应变传感器通过定位槽和弹性垫固定在标定基座和微位移产生装置之间；所述标定基座与标定底板固定连接，所述微位移产生装置可相对于标定底板运动；通过微位移产生装置在标定底板上做相对运动，改变微位移产生装置与标定基座间的距离，进而改变待测裸FBG应变传感器的波长；
所述标定方法包括：
S1.搭建所述的标定***，使标定用装置处于恒温状态；
S2.设定待标定裸FBG应变传感器的栅区长度；
S3.测量待标定裸FBG应变传感器在自由状态下的中心波长；
S4.使微位移产生装置相对标定基座移动，拉伸裸FBG应变传感器，多次记录拉伸长度与裸FBG应变传感器的波长变化之间的关系；
S5.将记录数值带入其中N为重复测量的次数，s(Kε)为实验结果的标准差，Kεi为第i次试验的应变灵敏度系数，/>为N次试验的应变灵敏度系数的平均数。
2.根据权利要求1所述的裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，其特征在于，所述微位移产生装置包括杠杆、滑移台和用于驱动滑移台的分厘卡；杠杆通过支撑组件与标定底板活动连接，所述滑移台设置在杠杆一端的一侧，与杠杆的侧面连接驱动杠杆动作，分厘卡与滑移台连接；所述标定基座设置在杠杆另一端的另一侧，待标定裸FBG应变传感器固定在标定基座和杠杆之间。
3.根据权利要求2所述的裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，其特征在于，所述支撑组件包括与标定底板固定连接的旋转轴以及设置在杠杆内部的轴承，所述轴承与旋转轴连接。
4.根据权利要求2或3所述的裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，其特征在于，所述微位移产生装置的调节比例为1:200。
5.根据权利要求1所述的裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，其特征在于，所述定位槽设有成对设置的定位孔，所述弹性垫采用橡胶垫，所述橡胶垫设有与定位孔相匹配的安装孔，通过将螺钉穿过定位孔和安装孔，以实现橡胶垫与定位槽的固定安装，进而实现对裸FBG应变传感器的固定。
6.根据权利要求1或5所述的裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，其特征在于，所述标定基座上纵向并列设有多个等级的定位槽，可以通过调节裸FBG应变传感器接入定位槽的等级，进而调节裸FBG应变传感器的栅区长度。
7.根据权利要求6所述的裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，其特征在于，所述栅区长度范围为5mm到10mm。
8.根据权利要求7所述的裸FBG应变传感器的标定***的标定方法，其特征在于，所述微位移产生装置包括杠杆、滑移台和分厘卡；所述杠杆与裸FBG应变传感器相连的一侧设有支撑组件，所述杠杆的另一侧与滑移台连接，所述滑移台还与分厘卡连接；所述支撑组件包括与标定底板固定连接的旋转轴以及设置在杠杆内部的轴承，所述轴承与旋转轴过盈配合；所述步骤S4具体包括：
S41.旋转分厘卡，滑移台与杠杆连接处伸长，从而控制杠杆以支撑组件为轴，与滑移台相连的一侧向上旋转，与裸FBG应变传感器相连的一侧向下旋转，进而拉伸裸FBG应变传感器的长度；
S42.单次实验为从0με加载到1000με，每拉伸裸FBG应变传感器2um，即加载200με；重复N次实验，即重复N次从0με加载到1000με，提高测量数据的准确性，减小实验误差；
S43.分别记录裸FBG应变传感器的拉伸长度与相应的波长变化。
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