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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185

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"

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