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1、年月航空精密制造技術第卷第期卜月嘆心動明勸價’君腳陽口‘技術交流封裝材料對光纖光柵應變傳感器的影響’劉春紅,趙印明,陳爽,張大鵬,宋娜,張寧寧中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術研究所,北京摘要本文設計并制作了兩種分別用欽合金和柔性高分子材料封裝的光纖布拉格光柵應變傳感器,并利用懸臂梁校準裝置對兩種傳感器的應變特性測試。試驗結果表明,柔性高分子材料封裝傳感器的線性度及重復性優(yōu)于欽合金封裝的傳感器,但其應變靈敏系數小于欽合金封裝傳感器的應變靈敏系數?！娟P鍵詞光纖布拉格光柵應變特性封裝材料【中圖分類號」咫文獻標識碼文章編號一一一一,一,,卿,《【」哪肛叮
2、卿眼,「”」鰭腳引言其是剪切能力差,直接將光纖光柵作為傳感器在工程實際中遇到了布設工藝上的難題。因此,對裸進近年來隨著光纖光柵寫入技術的成熟,光纖光柵行封裝,是將傳感器在實際應用中推廣的一個重已進人批量化生產。以光纖光柵為傳感元件的光纖傳要環(huán)節(jié),對于研制滿足航空、航天領域需要的體積小、感器以其抗電磁干擾、耐高溫、耐腐性強、體積小、復用質量輕傳感器具有重要的意義。本文提出了兩能力強和能實現準分布式測量等優(yōu)點在傳感領域受到種不同材料封裝的光纖布拉格光柵應變傳感器,并對了廣泛的關注,尤其是它在對航空、航天等的應變和應兩種傳感器的傳感特性進行了對比試驗研究。力分
3、布狀況進行測量時具有傳統(tǒng)傳感器電阻應變片無法比擬的優(yōu)勢〔’〕。但由于裸光纖纖細、質脆、尤應變傳感原理’國防技術基礎資助項目已有研究證明,溫度產生的熱效應和應變產生的·口《航空精密制造技術》年第卷第期力效應可認為是相互獨立的。假設光纖光柵僅受軸向采用如圖所示的設計結構,對裸光纖進行封裝,應變作用,溫度保持不變,軸向應變引起的光柵布拉格封裝結構由線切割加工方法加工,尺寸為波長變化為。具體封裝方式如下將光柵放入封裝結構△二△毋毋△中間凹槽中,通過工裝夾持傳感器,將光柵兩端的光纖均勻軸向應變是指對光纖光柵只受到拉伸或壓縮用環(huán)氧膠固定在欽合金結構上,制作成金屬封裝
4、的光應變,則軸向應變可表示為纖光柵應變傳感器。二△二△點膠處點膠處利用材料張量凡與應變系數今的關系。二,二毋,則得△了二一△凡淤把式和代人中有欽合金片光姍△入二,一魯·△、走‘毋,‘··、△·圖欽合金封裝結構由于切應變?yōu)榱?應變張量矩陣凡可用軸向應變高分子彈性材料封裝傳感器。表示為式形式采用如圖所示的設計結構,對裸光纖進行封裝,二一胭一胭,封裝結構由熱壓成型方法加工,尺寸為、式中聲為纖芯材料泊松比。最后得到軸向應變。具體封裝方式如下在傳感器夾持工裝上引起的波長的相對變化為預固定封裝結構,將光柵放人封裝結構中間凹槽中,從△二一?！ぶ虚g孔注人流動性好的環(huán)氧膠
5、,待膠固化后,制作成柔式中,尸。為有效彈光系數,且性封裝的光纖光柵應變傳感器。點膠孔。二合奮·〔尸,一尸,,對摻鍺石英光纖,有二、,二講二、‘·,由式可得。二·。則式可寫成△二·高分子基底光據由可見,相對波長漂移的應變靈敏系數為,為常數,所以恒溫條件下波長漂移與軸圖柔性高分子彈性材料封裝結構向應變呈理想線性關系。光纖光柵所允許的應變可達到,即當超過時,光纖即發(fā)生斷裂。試驗結果與分析傳感器封裝試驗裝置與儀器利用標定后的懸臂梁對兩種材料封裝的光纖光柵經驗表明傳感器體積越小,越容易與被測構件緊應變傳感器的應變傳感特性進行試驗。本試驗所用的密的結合,作為測試構件
6、應變的傳感器對被測構件性光纖光柵波長解調系統(tǒng)為公司的解調儀,能的影響就越小〔’〕,因而就越能真實反應構件的應變。用動態(tài)應變放大器測量電阻應變片,試驗所用光纖光柵因此,本文設計的兩種傳感器封裝尺寸均比較小。為單模光纖,反射率大于,帶寬小于。欽合金材料封裝傳感器懸臂梁材料是,長,寬,厚。封裝材料對光纖光柵應變傳感器的影響試驗結果分子材料比較軟,彈性好,被測件的變形能有效的傳遞用丙酮和酒精清洗懸臂梁,然后在距離矩形懸臂給光柵。從圖、圖中可以看出,的重復性優(yōu)梁根部。處的上表面分別沿軸線方向粘貼兩種傳于的重復性。三次加載的靈敏系數分別感器和應變片,傳感器在懸臂梁上
7、的布設如圖所示。為耐林、而卜。、耐林,取平均靈其中采用欽合金金屬封裝,采用柔性高分敏系數為“林。,的靈敏系數分別為子材料封裝。“林。、而卜、耐卜。,取平均靈敏系矩形懸臂梁數為耐林。。由此可看出,的應變靈敏系數高于的靈敏系數。這是由于平均應變傳遞率隨著中間層的彈性模量增大而增大’,欽合金的彈性一一一刁模量大于柔性高分子材料,所以用欽合金封裝的傳感器的應變靈敏系數高。圖傳感器布設圖實驗中通過添加祛碼使懸臂梁上表面產生拉應變,結論每次加載田,加到后,進行卸載。每次卸載印,在實驗室溫度為℃的情況下連續(xù)三次加載卸載。由以上試驗分析,欽合金封裝的應變傳感器兩種傳感器
8、的中心波長與應變的關系如圖、圖所示,線性和重復性均差于柔性高分子材料封裝的應兩種
