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基于FBG的双环减敏型超低温应变传感器研究

2024-12-04 22 上传者：管理员

摘要：针对超低温环境下航天火箭燃料贮箱大应变健康监测困难的难题，提出一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的双环减敏型超低温应变传感器。实验中采用低温胶进行封装处理，分别对传感器在常温和液氮环境下进行了应变测试，在（0～490）×10-6测量范围内，传感器应变灵敏度分别为0.18 pm/10-6和0.67 pm/10-6,减敏比为2.68,所设计的传感器在超低温环境下具有良好的应变减敏特性。

关键词：
光纤传感器
光纤光栅
应变减敏
有限元分析
超低温
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光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)传感器相比于传统电学传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰等优势[1,2],已经在多种领域结构监测中得到广泛应用[3～8],是解决重大航天装备超低温环境下健康监测难题的先进技术[9,10]。航天火箭发射时，燃料贮箱会受到较大冲击，且传感器由于剧烈的温差变化。由于光纤各材料层热膨胀系数不同，导致不同材料层之间产生较大的弹性应变，因此需要对传感器进行减敏封装设计。

FBG应变传感器的结构主要是基片式、管式和盒式等[11～13],基片式FBG应变传感器由于其在材料、结构和封装优势，在不同领域得到了广泛的应用。在低温应变研究方面，王强等人[14]提出一种超低温宽温域环境下的FBG传感器应变灵敏度系数标定方法。Wang Y L等人[15]通过磁控溅射和电镀工艺相结合，研制一种用于低温应变测量的耐用金属封装FBG传感器。在传感器结构制作方面，闫光等人[16]提出一种应变减敏的FBG大量程应变传感器，较裸光纤减敏1.52倍。朱星盈等人[17]设计一种双环减敏式结构，仿真结果表明应变减敏比约为3.5。目前FBG应变传感器在超低温环境下应变监测领域研究较少，且减敏结构大多应用于常温。

针对上述问题，本文根据在超低温环境下航天火箭燃料贮箱结构大应变监测的需求，设计一种基于FBG的双环减敏型超低温应变传感器，对其有限元仿真分析。采用低温胶封装传感器的方法，分别在常温和液氮温度环境下对比有无基片下的应变灵敏度。

1、超低温环境应变传感系统原理

设计超低温环境下应变实验系统示意如图1所示，系统由放大自辐射(amplified spontaneous emission, ASE)源，环形器，光谱分析仪(optical spectrum analyzer, OSA)和等强度梁组成。ASE发出的光经过环形器入射到固定于等强度梁上的FBG减敏应变传感器，所处环境为液氮温度，其反射光经环形器到达OSA,旋转微分头对等强度梁进行应力测试。

图1超低温实验系统示意

设计的双环阶梯结构长为40 mm,宽为13 mm,如图2(a)所示。对其进行力学分析，假设结构中每个部分受到的应力近似相等，对基片施加大小为F的力，基片长度的为L,变化量为ΔL,总应变为ε;阶梯结构长度为L1,变化量为ΔL1,刚度为K,弹性模量为E,横截面积为A,宽度为d,所受应变为ε1;两端圆弧长度为L2,变化量为ΔL2,所受应变为ε2,光纤应变为εF。根据力学平衡关系得到式(1)并推导式(2),环形结构刚度关系为式(3),其中，I为环形结构的极惯性矩，r为环形的半径。由式(2)和式(3)可得总应变ε与FBG应变εF的关系，两者之间存在线性关系。基片中间部分采用三段阶梯结构，受到应力时，应变与各段的横截面积成反比

F=KΔL1,KΔL2=EεF(1)采用Ansys仿真软件对设计的基片有限元分析，基片材料为304不锈钢。首先进行网格划分，将一端固定约束，另一端施加指定位移0.04 mm。图2(b)和图2(c)为仿真得到的293 K下基片结构应变结果，应变主要分布在双环当中，中间部分经过阶梯结构后进一步减小，设计的传感器结构具有良好的减敏效果。图2(d)为77 K下应变结果，由于温度的变化导致材料发生热膨胀现象，77 K下光栅部分产生的应变比293 K有所变大，但是依然具有良好的减敏效果。

图2减敏应变传感器结构及应变分析

图3为基片式FBG应变传感器横向截面图和轴向应力传递原理，包括被测物体、基片粘贴层、基片、光纤粘贴层和光纤5层。图中σg,σf,σa,σb分别为5层的轴向应力，τfg,τga,τab,τbc为各相邻层面之间的剪切应力，dσ为各层面的微单元轴向应力，基片的宽度为B,粘接长度为2S。

图3基片式FBG传感器结构及应变传递示意

对基片式FBG应变传感器各层进行力学分析，根据力学平衡关系，传感器中光纤在粘贴长度上轴向平均应变传递系数式(6)。其中k如式(7)所示，E为各层的弹性模量，h为各层的厚度，G为各层的剪切模量，rf为光纤的半径，在材料确定的情况下，平均应变传递系数主要与各层的厚度相关。式(6)、式(7)如下对力学传递结构进行有限元力学仿真，图4(a)为传递结构网格划分。将被测物体一端固定约束，另一端施加指定位移，仿真结果如图4(b),所设计的应变传感器具有良好的减敏效果。

图4传感器应变仿真

2、实验结果与分析

制作完成的FBG应变传感器如图5(a)所示。将低温共和胶CC—33A均匀涂敷在光栅表面，其中，一根裸光纤(FBG1)通过胶粘贴在等强度梁表面上，另一根光纤(FBG2)通过设计的减敏基片粘贴在等强度梁表面上，如图5(b)所示。实验中，以70×10-6为一次应变加载，加载区间为(0～490)×10-6;再以反方向重复加载过程，分别测试常温和液氮环境下的应变。

图5裸光纤及减敏应变传感器

2.1应变传感器在常温下应变实验

裸光纤在常温下应变结果如图6所示，图6(a)为封装前后的光谱变化情况，封装后中心波长红移2.95 nm。由图6(b)～(d)看出，加载时灵敏度为0.77 pm/10-6,线性度为0.994 4;卸载时灵敏度为0.78 pm/10-6,线性度为0.991 5。

图6常温下光纤粘贴在等强度梁表面

减敏传感器常温下应变结果如图7所示，图7(a）为封装前后光谱变化情况，封装后红移2.5 nm。由图7(b)～(d）看出，加载时FBG2灵敏度0.18 pm/10-6，线性度为0.9936，卸载时应变灵敏度0.17 pm/10-6，线性度为0.9943。FBG2灵敏度从FBG1的0.77 pm/10-6减小至0.18 pm/10-6，表明传感器常温下具有良好的减敏效果和线性度。

图7常温下光纤封装在减敏基片粘贴等强度梁表面

2.2应变传感器在液氮温度下应变实验

对裸光纤和应变传感器进行液氮环境下应变测试，搭建超低温FBG应变传感测试系统如图8(a)所示。实验中，用捆绑等强度梁上的钢绳将其放入杜瓦罐中，使其充分浸泡在液氮中，如图8(b)所示。

图8超低温FBG应变传感测试

对裸光纤和应变传感器进行应变测试，图9看出FBG1加载时灵敏度为1.8 pm/10-6,线性度为0.997 8;卸载时灵敏度为1.73 pm/10-6,线性度为0.994 5。图10中FBG2加载时灵敏度0.67 pm/10-6,线性度为0.996 1;卸载时灵敏度0.68 pm/10-6,线性度为0.991 7,且功率基本稳定不变。FBG1灵敏度从FBG2的1.8 pm/10-6减小至0.67 pm/10-6,表明传感器在液氮环境下同样具有良好的减敏效果和线性度，但在液氮环境下的减敏效果比常温下有所下降，由于不同材料在低温下相互之间存在热膨胀力所导致。

图9液氮温度下光纤粘贴在等强度梁表面

图10液氮温度下封装在减敏基片粘贴等强度梁表面

3、结论

本文提出一种基于FBG的双环减敏型超低温应变传感器，采用低温胶将光纤光栅与基片实现封装。通过仿真和对比实验对传感器进行应变测试，在常温下灵敏度从无基片0.77 pm/10-6减小至0.18 pm/10-6;液氮温度下灵敏度从无基片1.8 pm/10-6减小至0.67 pm/10-6,应变减敏比为2.68。所提出的应变传感器表现出良好的线性度和减敏效果，能够应用于超低温环境下航天火箭燃料贮箱的应变监测。

参考文献:

[1]王飞文,冯艳,张华,等.光纤Bragg光栅触觉传感器研究进展[J].传感器与微系统,2018,51(9):1-4.

[2]周祖德,姚碧涛,谭跃刚,等.光纤传感在制造领域应用的分析与思考[J].机械工程学报,2022,58(8):3-26.

[3]王永洪,张明义,张春巍,等.增敏型FBG应变传感器设计[J].传感器与微系统,2017,36(12):78,79,83.

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[16]闫光,卢建中,张开宇,等.温度解耦大量程光纤光栅应变传感器[J].吉林大学学报(工学版),2019,49(5):1682-1688.

[17]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.

基金资助:国家自然科学基金资助项目(52105540);高等学校学科创新引智计划资助项目(D17021);北京市自然基金—市教委联合基金资助项目(KZ201911232044);

文章来源:杨松岩,何巍,刘砚涛,等.基于FBG的双环减敏型超低温应变传感器研究[J].传感器与微系统,2024,43(12):58-61.