封裝材料對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感器的影響

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1、年月航空精密制造技術(shù)第卷第期卜月嘆心動(dòng)明勸價(jià)’君腳陽(yáng)口‘技術(shù)交流封裝材料對(duì)光纖光柵應(yīng)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(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京摘要本文設(shè)計(jì)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(yīng)變傳感器,并利用懸臂梁校準(zhǔn)裝置對(duì)兩種傳感器的應(yīng)變特性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,柔性高分子材料封裝傳感器的線性度及重復(fù)性優(yōu)于欽合金封裝的傳感器,但其應(yīng)變靈敏系數(shù)小于欽合金封裝傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)。【關(guān)鍵詞光纖布拉格光柵應(yīng)變特性封裝材料【中圖分類號(hào)」咫文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào)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(shí)際中遇到了布設(shè)工藝上的難題。因此,對(duì)裸進(jìn)近年來(lái)隨著光纖光柵寫入技術(shù)的成熟,光纖光柵行封裝,是將傳感器在實(shí)際應(yīng)用中推廣的一個(gè)重已進(jìn)人批量化生產(chǎn)。以光纖光柵為傳感元件的光纖傳要環(huán)節(jié),對(duì)于研制滿足航空、航天領(lǐng)域需要的體積小、感器以其抗電磁干擾、耐高溫、耐腐性強(qiáng)、體積小、復(fù)用質(zhì)量輕傳感器具有重要的意義。本文提出了兩能力強(qiáng)和能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)在傳感領(lǐng)域受到種不同材料封裝的光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器,并對(duì)了廣泛的關(guān)注,尤其是它在對(duì)航空、航天等的應(yīng)變和應(yīng)兩種傳感器的傳感特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。力分

3、布狀況進(jìn)行測(cè)量時(shí)具有傳統(tǒng)傳感器電阻應(yīng)變片無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)〔’〕。但由于裸光纖纖細(xì)、質(zhì)脆、尤應(yīng)變傳感原理’國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)資助項(xiàng)目已有研究證明,溫度產(chǎn)生的熱效應(yīng)和應(yīng)變產(chǎn)生的·口《航空精密制造技術(shù)》年第卷第期力效應(yīng)可認(rèn)為是相互獨(dú)立的。假設(shè)光纖光柵僅受軸向采用如圖所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),對(duì)裸光纖進(jìn)行封裝,應(yīng)變作用,溫度保持不變,軸向應(yīng)變引起的光柵布拉格封裝結(jié)構(gòu)由線切割加工方法加工,尺寸為波長(zhǎng)變化為。具體封裝方式如下將光柵放入封裝結(jié)構(gòu)△二△毋毋△中間凹槽中,通過(guò)工裝夾持傳感器,將光柵兩端的光纖均勻軸向應(yīng)變是指對(duì)光纖光柵只受到拉伸或壓縮用環(huán)氧膠固定在欽合金結(jié)構(gòu)上,制作成金屬封裝

4、的光應(yīng)變,則軸向應(yīng)變可表示為纖光柵應(yīng)變傳感器。二△二△點(diǎn)膠處點(diǎn)膠處利用材料張量凡與應(yīng)變系數(shù)今的關(guān)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(jié)構(gòu)由于切應(yīng)變?yōu)榱?應(yīng)變張量矩陣凡可用軸向應(yīng)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),對(duì)裸光纖進(jìn)行封裝,二一胭一胭,封裝結(jié)構(gòu)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(yīng)變。具體封裝方式如下在傳感器夾持工裝上引起的波長(zhǎng)的相對(duì)變化為預(yù)固定封裝結(jié)構(gòu),將光柵放人封裝結(jié)構(gòu)中間凹槽中,從△二一。·中間孔注人流動(dòng)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(shù),且性封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器。點(diǎn)膠孔。二合奮·〔尸,一尸,,對(duì)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(jù)由可見,相對(duì)波長(zhǎng)漂移的應(yīng)變靈敏系數(shù)為,為常數(shù),所以恒溫條件下波長(zhǎng)漂移與軸圖柔性高分子彈性材料封裝結(jié)構(gòu)向應(yīng)變呈理想線性關(guān)系。光纖光柵所允許的應(yīng)變可達(dá)到,即當(dāng)超過(guò)時(shí),光纖即發(fā)生斷裂。試驗(yàn)結(jié)果與分析傳感器封裝試驗(yàn)裝置與儀器利用標(biāo)定后的懸臂梁對(duì)兩種材料封裝的光纖光柵經(jīng)驗(yàn)表明傳感器體積越小,越容易與被測(cè)構(gòu)件緊應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感特性進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)所用的密的結(jié)合,作為測(cè)試構(gòu)件

6、應(yīng)變的傳感器對(duì)被測(cè)構(gòu)件性光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)為公司的解調(diào)儀,能的影響就越小〔’〕,因而就越能真實(shí)反應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)變。用動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器測(cè)量電阻應(yīng)變片,試驗(yàn)所用光纖光柵因此,本文設(shè)計(jì)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(zhǎng),寬,厚。封裝材料對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感器的影響試驗(yàn)結(jié)果分子材料比較軟,彈性好,被測(cè)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(fù)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(fù)性。三次加載的靈敏系數(shù)分別感器和應(yīng)變片,傳感器在懸臂梁上

7、的布設(shè)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(shù)為“林。,的靈敏系數(shù)分別為子材料封裝?！傲?。、而卜、耐卜。,取平均靈敏系矩形懸臂梁數(shù)為耐林。。由此可看出,的應(yīng)變靈敏系數(shù)高于的靈敏系數(shù)。這是由于平均應(yīng)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(yīng)變靈敏系數(shù)高。圖傳感器布設(shè)圖實(shí)驗(yàn)中通過(guò)添加祛碼使懸臂梁上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變,結(jié)論每次加載田,加到后,進(jìn)行卸載。每次卸載印,在實(shí)驗(yàn)室溫度為℃的情況下連續(xù)三次加載卸載。由以上試驗(yàn)分析,欽合金封裝的應(yīng)變傳感器兩種傳感器

8、的中心波長(zhǎng)與應(yīng)變的關(guān)系如圖、圖所示,線性和重復(fù)性均差于柔性高分子材料封裝的應(yīng)兩種