吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (5): 1682-1688.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180842

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温度解耦大量程光纤光栅应变传感器

闫光1,2(),卢建中1,2,张开宇1,2,孟凡勇1,2,祝连庆1,2()   

  1. 1. 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100192
    2. 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
  • 收稿日期:2018-08-13 出版日期:2019-09-01 发布日期:2019-09-11
  • 通讯作者: 祝连庆 E-mail:584851848@qq.com;zhulianqing@sina.com
  • 作者简介:闫光(1979-)男,副教授,硕士生导师.研究方向:光纤传感与光电器件.E-mail：584851848@qq.com
  • 基金资助:
    北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目(HT20170510);“长江学者与创新团队发展计划”项目(IRT_16R07);国家自然科学基金面上项目(51675053)

Temperature decoupling large range fiber Bragg grating strain sensor

Guang YAN1,2(),Jian-zhong LU1,2,Kai-yu ZHANG1,2,Fan-yong MENG1,2,Lian-qing ZHU1,2()   

  1. 1. Instrument Science and Optoelectronic Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China
    2. Beijing Laboratory of Optical Fiber Sensing and System, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100016, China
  • Received:2018-08-13 Online:2019-09-01 Published:2019-09-11
  • Contact: Lian-qing ZHU E-mail:584851848@qq.com;zhulianqing@sina.com

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摘要：

飞机载荷参数测试中，部分结构会产生较大的应变集中点，为解决飞机结构大量程应变监测问题，提出了一种温度增敏、应变减敏的光纤光栅大量程应变传感器。分析了光纤光栅传感理论，设计了一种新型传感器基底结构，并对其进行有限元分析。对封装完成的传感器进行了温度标定、温度重复性及应变标定试验。试验结果表明：在10~60 ℃的环境下，封装完成的光纤光栅应变传感器温度灵敏度达到44.959 pm/℃，较裸光纤增敏4.5倍，线性度达到0.999；同一温度下中心波长变化量在±4 pm；在0~2000 με的条件下，应变灵敏度为0.79 pm/με，较裸光纤减敏1.52倍，线性度达到0.999，多次应变循环重复性为±5 pm。封装完成的传感器具有较好的灵敏度和一致性，能满足飞机结构大量程应变的精确测量，在飞机应变集中结构的监测中具有发展前景。

关键词: 仪器仪表技术, 飞机载荷谱, 温度解耦, 光纤光栅, 应变传感器

Abstract:

In the test of aircraft load parameters, some structures will produce large strain concentration points. In order to solve the problem of large-scale strain monitoring of aircraft structure，a temperature-sensitized, strain-reducing fiber grating large-range strain sensor is proposed. The fiber Bragg grating sensing theory is analyzed, and a new sensor base structure is designed and analyzed by finite element method. The temperature-calibration, temperature repeatability, and strain calibration tests were performed on the packaged sensor. The results show that in the environment of 10~60 °C, the packaged fiber grating strain sensor has a temperature sensitivity of 44.959 pm/°C, which is 4.5 times stronger than bare fiber and has a linearity of 0.999. The central wavelength change at the same temperature is ±4 pm. Under the condition of 0~2000 με, the strain sensitivity is 0.79 pm/με, which is 1.52 times lower than that of bare fiber, the linearity is 0.999, and the repeatability of multiple strain cycles is ±5 pm. The packaged sensor has good sensitivity and consistency, meets the accurate measurement of the aircraft's large-scale strain, and has a promising future in the monitoring of aircraft strain concentration structure.

Key words: technology of instrument and meter, aircraft load spectrum, temperature decoupling, fiber grating, strain sensor

中图分类号: 

  • TP212.9

图1

温度解耦大量程应变传感器结构设计"

表1

环氧树脂胶DP420主要参数"

名 称 参 数
“A”组分与“B”组分 2∶1
粘接度/24 ℃ 45000CPS
重叠剪切强度/24 ℃ 4500SPI

图2

有限元分析"

图3

传感器温度模块标定实验"

图4

传感器温度重复性标定"

图5

温度与中心波长偏差关系曲线"

图6

传感器温度重复性偏差曲线"

图7

拉伸件及3种传感器布局"

图8

应变标定系统图"

图9

拉力与中心波长偏移量关系曲线"

图10

传感器应变重复性偏差曲线"

1 李飞, 周占廷, 谢帅 . 试验设计在飞机载荷谱飞行实测中的应用[J]. 航空科学技术, 2017, 28(4): 43-46.
Li Fei , Zhou Zhan-ting , Xie Shuai . Application for design of experiment in aircraft load spectrum flight measurement[J]. Aeronautical Science and Technology, 2017, 28(4): 43-46.
2 王少杰, 徐赵东, 李舒, 等 . 基于应变监测的连续梁支承差异沉降识别[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2016, 46(4): 1090-1096.
Wang Shao-jie , Xu Zhao-dong , Li Shu , et al . Differential settlement identification of pier for continuous beam based on strain monitoring[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2016, 46(4): 1090-1096.
3 闫楚良 . 飞机载荷谱实测技术与编制原理[M]. 北京: 航空工业出版社, 2010.
4 Ryu C Y , Lee J R , Kim C G , et al . Buckling behavior monitoring of a composite wing box using multiplexed and multi-channeled built-in fiber Bragg grating strain sensors[J]. Ndt & E International, 2008, 41(7): 534-543.
5 王义平, 唐剑, 尹国路, 等 . 光纤光栅制作方法及传感应用[J]. 振动, 测试与诊断, 2015, 35(5): 809-819.
Wang Yi-ping , Tang Jian , Yin Guo-lu , et al . Fabrication method and sensing application of FBG[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2015, 35(5): 809-819.
6 Kim J H , Shrestha P , Park Y , et al . Application of fiber Bragg grating sensors in light aircraft: ground and flight test[C]⫽Ofs2014, International Conference on Optical Fiber Sensors, Santander Spain, 2014: 1-4.
7 陈勇, 刘保林, 刘焕淋, 等 . 基于光纤布拉格光栅的载荷定位与检测方法[J]. 机械工程学报, 2016, 52(18): 8-15.
Chen Yong , Liu Bao-lin , Liu Huan-lin , et al . Load location and measurement system based on fiber Bragg grating sensor[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(18): 8-15.
8 Davis C , Tejedor S , Grabovac J , et al . High-strain fiber Bragg gratings for structural fatigue testing of military aircraft[J]. Photonic Sensors, 2012, 2(3): 215-224.
9 吴晶, 吴晗平, 黄俊斌, 等 . 用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器[J]. 光学精密工程, 2014, 22(2): 311-317.
Wu Jing , Wu Han-ping , Huang Jun-bin , et al . Large range FBG sensor for ship structure health monitoring[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(2): 311-317.
10 闫光, 庄炜, 刘锋, 等 . 具有增敏效果的光纤光栅应变传感器的预紧封装及传感特性[J]. 吉林大学学报： 工学版, 2016, 46(5): 1739-1745.
Yan Guang , Zhuang Wei , Liu Feng , et al . Preload package and characteristics of a sensitizing effect sensor based fiber Bragg grating (FBG)[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2016, 46(5): 1739-1745.
11 王楚虹 . 基片式光纤光栅应变传感器金属化封装的关键技术[D]. 重庆: 重庆大学光电工程学院, 2017.
Wang Chu-hong . Key technology of metallic package for surface-mounted fiber Bragg grating strain sensor[D]. Chongqing: College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, 2017.
12 覃荷瑛, 沈全喜, 钟英杰 . 基于光纤光栅传感器的大应变碳纤维板应力监测研究[J]. 铁道建筑, 2018, 58(4): 53-56.
Qin He-ying , Shen Quan-xi , Zhong Ying-jie . Research on stress monitoring of large-strain carbon fiber plate using fiber Bragg grating sensor[J]. Railway Engineering, 2018, 58(4): 53-56.
13 朱星盈, 刘化利, 倪屹, 等 . 新型双环减敏式光纤布拉格光栅应变传感器[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(3): 174-178.
Zhu Xing-ying , Liu Hua-li , Ni Yi , et al . New double-loop desensitization FBG strain sensor[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2018, 55(3): 174-178.
14 王正方, 王静, 隋青美, 等 . 靶式光纤光栅流速传感器在裂隙水模型试验中的应用[J]. 吉林大学学报： 工学版, 2012, 42(6): 1569-1575.
Wang Zheng-fang , Wang Jing , Qing-mei Sui , et al . Application of target-type FBG flow velocity sensor in fracture water model test[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2012, 42(6): 1569-1575.
15 Nicolas M J , Sullivan R W , Richards W L . Large scale applications using FBG sensors: determination of in-flight loads and shape of a composite aircraft wing[J]. Aerospace, 2016, 3(3): 18-32.
16 刘寒冰, 时成林, 谭国金 . 考虑剪切滑移效应的叠合梁有限元解[J]. 吉林大学学报： 工学版, 2016, 46(3): 792-797.
Liu Han-bing , Shi Cheng-lin , Tan Guo-jin . Finite element solution of composite beam with effect of shear slip[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2016, 46(3): 792-797.
[1] 王家序,蒋倩倩,李俊阳,韩彦峰,张雷,唐挺. 双圆弧谐波传动柔轮齿形参数多目标优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1194-1202.
[2] 仇艳凯, 李宝仁, 杨钢, 曹博, 刘真. 新型液压消声器吸收液压系统压力脉动的机理和特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1085-1091.
[3] 吴疆, 徐壮, 刘丽佳, 嵇艳鞠, 李肃义. 基于环绕式血氧探头的睡眠呼吸暂停综合征检测装置原型设计与开发[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(2): 640-644.
[4] 杨诚, 宋萍, 彭文家, 金昊龙, 潘志强. 基于混合总线的装甲车辆实车综合测试系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 186-198.
[5] 柏德恩, 全齐全, 李贺, 陈雅文, 邓宗全. 伺服加载的谐波减速器启动力矩测试系统[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1804-1810.
[6] 杨诚, 宋萍, 彭文家, 邓高寿, 刘雄军. 装甲车辆综合测试系统上位机平台设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1796-1803.
[7] 王天皓, 王忠福, 王雨蒙, 杨开宇, 高印寒, 马喜来. 基于混沌多项式展开法的线束串扰统计模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(5): 1568-1576.
[8] 陈赫, 杨智君, 吴昭春, 冯志刚, 赵科佳, 李抵非, 田地. 标准失真模拟分量视频信号源及其校准方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1159-1164.
[9] 刘晓为, 李海, 翁睿, 张海峰, 赵军. 应用静电力矩改善新型转子式陀螺的动态特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(3): 850-854.
[10] 林君, 赵越, 蒋川东, 王应吉. 基于优化Block反演的地面磁共振测深新方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 530-539.
[11] 张飞, 单忠德, 任永新, 聂军刚, 刘丰. 缸盖缺陷检测系统线阵相机现场标定方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 540-545.
[12] 訚耀保, 原佳阳, 傅俊勇. 先导阀前腔串加阻尼孔的新型双级溢流阀特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(1): 129-136.
[13] 于生宝, 苏发, 郑建波, 朱占山. 基于LabVIEW的瞬变电磁接收系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1725-1731.
[14] 林君, 杨宇, 胡雪岩, 王世隆. 基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1718-1724.
[15] 申茂冬, 程德福, 安战峰, 王一, 赵静. 五棱台式全张量磁梯度探头侧面倾角优化方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1732-1738.
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