光纤珐珀应变计应力温度影响实验分析

1、光纤珐珀应变计应力温度影响实验分析摘要:对157 nm激光微加工技术制作的全光纤珐珀应变计进行了实验分析。介绍了光纤FP应变 计的制作过程与工作原理,并开展了应变计的加载和温度测试试验。实验表明该光纤FP应变计粘贴 于悬臂梁后，线性度和重复性较好,在温升过程中，由于悬臂梁的热膨胀造成了光纤应变计的热输出。 通过采用对称贴片耦合求解方法进行热输出补偿，光纤应变计的热输出减小为补偿前的2.1%,为变温 环境下的高精度测量提供了解决方案。关键词：光纤应变计;珐珀;应变测量;温度补偿Experiment Analysis of Strain and Temperature Influenceon Fi

2、ber Optic Fabry-Perot Strain GageAbstract：This paper describes the research about all-fiber Fabry-Perot strain gage which is manufactured by 157 nm laser micromachining system.The fabrication process and working principle of the fiber FP strain gage were introduced, and the loading and temperature t

3、ests were carried out.The tests results show that the fiber optic gages installed on the cantilever beam have good linearity and repeatability. Due to the thermal expansion of the cantilever beam during the temperature rise test, there exists obvious thermal output of the fiber optic strain gages.Th

4、e thermal output of the fiber optic strain gauge is reduced to 2.1% before compensation by means of symmetrical patch coupling solution, which provides a solution for high-precision measurement under variable temperature environment.Keywords：fiber optic strain gage；Fabry-Perot；strain measurement；tem

5、perature compensation0引言平在恶劣环境下高精度测量提供了一种技术方案。风洞是进行空气动力学研究与飞行器研制的最 基本的试验设备由,而应变天平是风洞气动力试验中 最重要的仪器。应变天平结构复杂，可供应变计安装 的空间小，且天平常应用于强电磁干扰、高温、水、粉 尘、油污等恶劣环境。受限于电阻应变计固有属性, 电阻天平难以从根本上消除电磁和高温等环境影响， 难以实现强电磁和高温环境下的高精度应变测量。 而光纤传感器具有抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、可靠 性高等优点，已广泛应用于航天航空、航海、土木工 程、环境监测等诸多领域回，光纤应变传感为应变天 国内外已有多家机构开展了光纤天平

6、技术的研究，所 采用的光纤应变计以光纤珐珀（FP）应变计和光纤布 拉格光栅（FBG）为主。印度科学院6、美国AEDC、 南非约翰内斯堡大学网等高校和研究机构均开展了 光纤天平的应用验证与光纤天平结构优化设计等工 作;在国内，中国空气动力研究与发展中心与电子科 技大学联合开展了光纤应变计的研制和光纤天平的 风洞试验研究皿。本文主要开展了基于157 nm准分子激光皿加工 制作的光纤FP应变计的实验研究，在悬臂梁上测试 了光纤应变计的静态加载特性和温度输出特性，基于 测试结果分析了光纤应变计的热输出来源，提出了对 称耦合求解的温度补偿方法，该方法能够有效地减小 热输出，提供光纤应变计的应变测量精度。

7、该研究初步分析了光纤天平的基本性能，为下一步光纤应变计 在多（六）分量天平的应用提供技术保障。1光纤FP应变计光纤FP应变计采用157 nm激光微加工系统制 作，如图1所示,加工装置由激光模块、光学模块、控制 模块和三坐标机构等结构组成。157 nm激光经光学 模块整形汇聚，通过控制模块和三坐标机构的准确控 制，能定位在单模光纤端面，刻蚀出一定宽度和深度 的凹腔，再与另一支单模光纤熔接，形成FP腔，即制 作成了光纤FP应变计。采用157 nm激光加工法制 作光纤FP应变计工艺流程少，制作的应变计结构简 单，尺寸小。图1激光加工系统光纤FP腔的工作原理为多光束干涉，但由于激 光刻蚀的光纤端面反射

8、率较低,经多次透射反射后光 线强度很低，因而可用双光束干涉近似模拟多光束干 涉。入射光经FP腔反射后的强度可表示为4&2R 1_-cos（出 7&(1)式中:7反射光强度;7为入射光强度;R为FP腔的反 射率;；为FP腔的长度;&为入射光的波长。(1)图2为光纤FP应变计的反射光谱。图2光纤应变计反射光谱图反射光谱与FP腔的长度密切相关，光纤FP应变 计受拉（压）应力作用时,FP腔变长（短）,应变计的反 射光谱相位变化，信号解调仪检测其相位变化，通过 校准得到相位与应变的对应关系，可求解应变计的 应变。图2光纤应变计反射光谱图2实验与结果分析采用图1所示的激光加工系统制作了 2支光纤FP应变计

9、。光纤应变计的静态实验在悬臂梁上进行, 悬臂梁材料为马氏体实效钢（00Ni18Co8Mo5TiAl）,应 变量与加载量关系为0.198 /go用陶瓷胶将应变计 1和应变计2粘贴在等强度梁的上下表面的对称位 置,实验装置如图3所示。其中应变计输出信号用相 位解调仪测量，相位分辨率为10-4 rad。2.1应变计加载和温升测试在悬臂梁上进行了 3次静态加卸载测试,2支应 变计的输出曲线如图4所示。光纤应变计输出与载荷 的线性度较好，线性系数均优于0.999,2支应变计的 输出重复性均优于1%，加载与卸载的滞后均小于0.1%。2支应变计3次加卸载平均灵敏度分别为1.66X10-3、1.62x10-3

10、 rad/因此该光纤应变计的应变分辨率约为0.06pg、王犀太钢包应变计1 1L辨率约为0.06pg、王犀太钢包应变计1 应变计2 T-应变计2 应变计2第一次加载 第二次加载 第三次加载 第一次加载 第二次加载 第三次加载图4安装后应变计载荷输出曲线第一次加载 第二次加载 第三次加载 第一次加载 第二次加载 第三次加载将悬臂梁置于水浴装置中进行升温实验,2支应 变计的温度输出曲线如图5所示。粘贴安装后的应变 计相位输出与温度的线性相关性较好，应变计的温度 灵敏度（一次拟合）分别为9.23 x 10-3、1. 066 x 10-2 rad/e o2.2数据分析根据光纤FP应变计静态加卸载和温升

11、实验数据可图5安装后应变计温度输出曲线知，粘贴后的应变计的输出信号与载荷量线性系数优于 0.999,测量重复性优于1%,应变分辨率为0.06 可适 合于高精度应变测量。温度每变化i e，应变计1与 应变计2的温度灵敏度是应变灵敏度的56倍，故光 纤应变计的输出信号受温度影响较应变影响更为严 重。因而，为提高光纤FP应变计在变化温度场中应 变的测量精度，须采取一定的温度补偿措施。当只考虑应变计和等强度梁的热膨胀并忽略粘 贴剂对应变计的影响时，安装在等强度梁上的光纤FP 应变计热输出如图6所示。按上述应变计热输出原理 分析,安装前后应变计的温度灵敏度见表1#悬臂梁 材料的热膨胀系数为10.8x10

12、86/e，光纤的热膨胀系 数为 5.5x1087/C #应变计安装后应变灵 敏度/ (rad $7安装后温度灵)敏度/ (rad - C1)仅考虑梁与光纤 热膨胀的温度 灵敏度/ (rad - C1)11.66x109.23X1031.7X10221.62S1031.066X1021.66X102仅考虑梁与光纤热膨胀的应变计温度灵敏度大 于测量值,说明温度对应变计输出的影响不仅包括应 变计和基底材料的热膨胀，还可能与其他因素有关, 如陶瓷胶粘贴情况等。尽管影响应变计热输出的因素多，但悬臂梁上对 称位置的应变计温度输出相关性较好，如图7所示。 因此，可采用对称耦合求解的补偿方法对应变计温度 输出进行修正，以消除或减小光纤FP应变计的热输 出。为了验证对称耦合求解方法的可行性，进行了第 二次温升实验，温升约60 e，补偿前后应变计2温度 输出曲线如图8所示。由图8可知，对称耦合求解效 果明显，补偿后应变计60 e温度变化的热输出是补 偿前热输出的2.1%；补偿后应变计热输出仅为应变计 满量程(200 $)的4.1%。图8补偿前后应变计2温度输出曲线3结论图8补偿前后应变计2温度输出曲线本文对157 nm激光加工的光纤FP应变计进行 了实验研究,将光纤FP应变计安装于悬臂梁，测试其 加卸载特性和