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光纤光栅与电阻应变片磁场环境下应变测量的试验研究
申吴文朱萍玉施维许沛胜
(广州大学机械与电气工程学院)
摘要:针对磁场对传感器工作性能的影响,借助等强度标准悬臂梁,研究光纤光栅和电阻应变片在磁场环
境下的应变测量特性。给出2种传感器的应变传感方程,搭建磁场工作环境,分别采用电阻应变片和光纤光栅对
磁场下悬臂梁的应变进行测量。结果表明:在有周期变化磁场工况下,电阻应变片的时域波形产生周期性的脉冲
脉冲大小与变化磁场的强度成正相关关系;光纤光栅传感器的测量结果则始终维持在理论计算值左右,不随磁场
的变化而产生较大波动,证明了光纤光栅的抗电磁干扰特性
关键词:电阻应变片;应变片;光纤光栅;磁场
0引言
光纤光栅传感器利用光纤材料的光敏性,在光纤
在众多工程应变测量中,电阻应变片测量方法是纤芯上建立一种空间周期性折射率分布,使其对特定
获取应变数据的传统手段。目前的工程结构健康监测,波长的入射光具有反射作用,被反射光的中心波长称
如铁路"、风力发电?、机械设备回等,大都处在为布拉格波长,可定义为
电磁场环境中。然而,电阻应变片易受电磁场影响
当环境中有较强电磁场时,共测量结果的准确性无法其中,为布拉格波长:nm为有效折射率:A为光
保证。近年来,光纤光棚作为一种新型的光无源器件,纤光橱周期?
因其抗电磁干扰强、寿命长、复用性好、抗化学腐蚀
只有轴向力作用于光纤光栅且温度变化不大时,
性强等优良特性,在工程结构监测中逐渐发展起来
布拉格波长的漂移为
本文针对在周期变化磁场的情况下,基于等强度
△2=(1-P)4△6
梁应变实验,对光纤光栅传感器和电阻应变片的测量
其中,△λ.为应变引起的中心波长的漂移;P为光纤
结果进行了分析。
1电阻应变片与光纤光栅传感器的工作原理光栅的弹光系数:A为应变的变化
令1-P=K。,K称为光纤光栅相对波长应变灵
1.1电阻应变片的工作原理
敏度系数,当选定光纤光栅后,K。为一定值
电阻应变片的工作原理是将应变量转变为电阻
基于以上分析,光纤光栅中心波长的偏移量与轴
变化量,其传感方程用公式门表示为
向均匀应变呈线性关系?。
dr
2工作特性对比实验
其中,K=1+2x+E,对于特定材料,K0是一个常数,2.1实验装置
λ为压阻系数:为金属丝泊松比;E为金属丝弹性
实验采用等强度标准悬臂梁作为应变主体,当梁
模量:为金属丝应变。
的自由端受竖向力P作用时,等强度梁表面各点的应
1.2光纤光栅传感器的工作原理
变相等。因此,将电阻应变片与光纤光栅粘贴到等强
基金项目:国家自然科学基金项目资助(51105140)
2014年第35卷第4期自动化与信息工程11
度梁的不同位置,所测得的应变值应一致,并与理论传感器上方3cm、5cm、10cm的水平面内,并沿图
值相符。实验装置示意图如图1所示。
中双向箭头的方向作频率为3Hz的往复运动。磁于
电阻应变仪
扰源所产生的磁感线方向与等强度梁上表面垂直,记
计算机
光纤光栅
录不同载荷下的测量结果。悬臂梁上传感器所在位置
解调仪
o00
的理论应变可由式(4)计算。
6P1
sm125-500
磁场运
Ebh
3cm动方向
其中,l、b、h分别为传感器粘贴位置的长、宽、
厚;E为悬臂梁弹性模量;P为集中载荷。
应变片光纤光栅
实验结果分析
3.1应变片数据时域分析
等强度梁自由端施加的力为0N,对应变片测量
数据进行均值对比分析,数据如表1所示。此时理论
计算的应变值为0。
图1应变测?实验装置示意图
表1悬臂梁自由端施加的力为0N时应変片测量值
电阻应变仪采用北京波谱的WS-381,其输出灵序号「干扰距离Am「平均值「最大值最小值
敏度为100E/V,示值误差为士0.1%。电阻应变
无干扰源
3.37c
1.4le
-1.06e6
片型号为BX120-5AA,敏感栅长5mm,宽3mm,
2
-1.49e
7.17e6-6.23e6
基底长9.4mm,宽5.3mm。
-3.60e
3.23e
10
1,25e
-6
1.45e6
光纤光栅传感解调仪为美国MOI的sm125-500,
波长精度为1pm,波长稳定性为1pm,波长量程为
从表1可以看出,1、3组的平均值和2、4组的
80nm(1510~1590nm)。光纤光栅长度为10mm,平均值相差较大,但都不超过4个微应变,可近似约
中心波长155483nm,反射率94.91%。将光纤光栅等于0。而且各组间均值的最大差值为1.83e,可以
粘贴于悬臂梁的上表面,并使光栅的方向与梁轴平行。忽略,故均可视为零。说明实验数据有效。
磁场干扰源为磁吸座
磁干扰距离不同时,电阻应变片的时域波形如图
2.2实验方法
2~图5所示。
首先对悬臂梁上粘贴传感器的部位进行打磨,然
0
后用502胶将电阻应变片及光纤光栅沿与梁上表面中
线平行方向粘贴。粘贴光纤光栅时需施加一定的预应
カ,以保证同梁表面粘贴牢固?。光纤光栅中心位置
距离悬臂梁自由端285mm;应变片中心位置位于距
离悬臂梁自由端255mm处。分别对梁自由端施加0N、
时间/s
1N、3N、5N载荷,同时产生磁干扰源,分别位于
图2无干扰源时电阻应变片的时域波形
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