專利名稱：一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置和方法，屬于計量測試與校準技術領域。
背景技術：
光纖光柵，即fiber bragg grating,也即FBG，目前在結構測試領域中的應用越來越多，隨著光纖光柵傳感器在結構測試領域中應用的增加，如飛機結構的測試、機械結構的測試、大型土木結構的測試，越來越多的工程應用中需要光纖光柵的靈敏度，但是目前尚沒有行之有效的在線校準、動態校準、原位校準的方法。由于光纖光柵傳感器的靈敏度隨著每次粘貼工藝的不同而不同，甚至有時差別會比較大，因此需要對光纖光柵傳感器在粘貼后的現場進行在線校準，由于光纖光柵常用于測試動態應變，需要其動態校準和動態靈敏度， 而目前尚不存在針對光纖光柵傳感器的在線校準方法。
發明內容
本發明的目的是對表面粘貼的光纖光柵傳感器進行在線校準，提出一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置和方法。本發明是通過以下技術方案實現的。本發明的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，包括模擬待測板、邊界支撐構件、光纖光柵應變傳感器、第一傳輸光纜、光纖光柵解調儀表、上位機、激光鏡頭、第二傳輸光纜、激光掃描儀振動測試分析系統、激勵裝置和激勵裝置連接線；模擬待測板為金屬材料或者復合材料的矩形平板，通過螺栓和墊塊固定安裝在邊界支撐構件上，其中兩對邊固定安裝于邊界支撐構件上，另外兩對邊處于自由狀態；光纖光柵應變傳感器為直徑為125um、長度為10-15mm的線狀結構，用膠水在模擬待測板的中心位置沿平行于模擬待測板的自由邊方向進行表面粘貼；光纖光柵應變傳感器的尾纖經連接接頭和第一傳輸光纜的一端連接，第一傳輸光纜的另一端接入光纖光柵解調儀表的光纖接頭；光纖光柵解調儀表通過網線與上位機相連；光纖光柵解調儀表中的光源發出的寬帶激光，經過第一傳輸光纜和光纖光柵應變傳感器的尾纖到達光纖光柵應變傳感器，傳感器中的光纖光柵對激光進行反射后形成窄帶反射光，窄帶反射光又經光纖光柵應變傳感器的尾纖和第一傳輸光纜進入光纖光柵解調儀表，光纖光柵解調儀表對窄帶反射光信號進行解調，得到反射光中心波長的變化值，再將反射光中心波長的變化值經網線傳輸到上位機，上位機顯示、記錄反射光中心波長的變化情況，從而得到光纖光柵應變傳感器的實際應變情況；激光鏡頭位于光纖光柵應變傳感器的正上方，激光鏡頭通過第二傳輸光纜與激光掃描儀振動測試分析系統相連；激光掃描儀振動測試分析系統通過控制激光鏡頭中的反射鏡轉動角度來控制激光鏡頭所發出的激光光束的角度；激勵裝置放置在模擬待測板上方的任意位置，其對模擬待測板施加作用力使模擬待測板振動；激勵裝置中帶有力傳感器，力傳感器發出的電信號通過激勵裝置連接線與激光掃描儀振動測試分析系統相連；上述激勵裝置為力錘或者可發出諧形激勵信號或者隨機激勵信號的振動臺。本發明的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其在線校準方法的步驟為1)將模擬待測板兩對邊固定安裝于邊界支撐構件上，另外兩對邊處于自由狀態；2)將光纖光柵應變傳感器與模擬待測板進行表面粘貼，光纖光柵應變傳感器的軸線平行于模擬待測板的自由邊；3)將光纖與第一傳輸光纜連接，并將第一傳輸光纜與光纖光柵解調儀表的光纖接頭相連，將光纖光柵解調儀表通過網線與上位機連接；4)將激光鏡頭安裝于光纖光柵應變傳感器的正上方，激光鏡頭在水平面上位置的確定方法為使激光鏡頭發出的垂直于水平面的激光光束經過A、B兩點連線的中點，所述 A、B分別為光纖光柵應變傳感器的兩個端點；激光鏡頭與光纖光柵應變傳感器的垂直距離的確定方法為激光鏡頭發出的激光光束照射到模擬待測板的四個矩形邊界線時，激光鏡頭發出的激光光線與豎直方向的夾角不超過20度；5)用第二傳輸光纜將激光鏡頭與激光掃描儀振動測試分析系統相連；6)選擇激勵點，安裝激勵裝置，并用激勵裝置連接線連接激勵裝置與激光掃描儀振動測試分析系統；7)啟動在線校準裝置；8)由操作員控制激勵裝置對模擬待測板進行連續激勵；9)激光鏡頭發出的激光在模擬待測板表面掃描，測試其表面的振動速度，掃描點在模擬待測板表面呈網格狀，掃描點之間的距離為不大于模擬待測板最小邊長的1/10 ；激光掃描鏡頭發出的激光在光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B之間的長度范圍內掃描點要密集到20個點以上；10)激光掃描儀器振動測試分析系統通過激勵裝置連接線讀取激勵裝置發出的電信號，結合從激光鏡頭得到的測試數據，分析得到模擬試驗件表面的振動速度分布，并以此計算出模擬待測板在其固有頻率振動狀態下的光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B范圍內的應變，以此應變作為校準源數據；11)光纖光柵解調儀表對光纖光柵應變傳感器反射回來的窄帶光信號進行解調， 得到反射光中心波長的變化值，再將反射光中心波長的變化值經網線傳輸到上位機，操作員根據上位機顯示的反射光中心波長的變化情況以及光纖光柵應變傳感器的初始波長，結合數據分析方法得到模擬待測板在其固有頻率振動狀態下的中心波長變化值，對照步驟 10)得到的校準源數據對光纖光柵應變傳感器進行對比和標定，實現光纖光柵應變傳感器的在線校準；上述步驟10)中光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B范圍內應變的計算方法為裸光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B之間連接線的長度在IOmm到15mm范圍，在此范圍之內激光掃描點數目為20點以上，也即掃描點的間距在0. 5mm到0. 8mm之間；通過對激光掃描儀振動測試分析系統的軟件進行設置，控制激光鏡頭在模擬待測板上的掃描角度，實現上述掃描點所規定的加密掃描指標要求；在激光掃描儀振動測試分析系統中設置3次平均參數，從而得到模擬待測板表面準確的速度，進而對此數據進行分析計算，得到準確的校準源數據，此校準源數據是按照
1 bCεΑΒ = —-Xsdl(1)
ABi計算得到的。其中，ε 是光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B范圍內的應變，1是 AB方向的長度，AB是A、B兩點之間的距離，ε是測試和分析得到的Α、Β范圍內對應模擬待測板固有頻率的應變模態，其是按照ε =(2)
d2x 2計算得到的。其中，U為激光方法掃描得到的對應模擬待測板固有頻率的位移模態，其是由直接測試的速度模態分析得到的，χ為模擬待測板沿AB方向的坐標，h為模擬待測板的厚度。本發明中模擬待測板也可采用四邊固定的方式。本發明是以封裝前線狀結構的光纖光柵應變傳感器為例提出的，其方法具有這樣的特點采用垂直于模擬待測板表面的局部范圍內高密集點的橫向振動速度分布場，分析得到平行于模擬待測板的縱向應變分布，并通過分析得到校準的應變源；其方法也可以應用于封裝后的具有一定寬度的光纖光柵應變傳感器。對于封裝后的具有一定寬度的光纖光柵應變傳感器，其寬度在6mm以內，其長度在25-40mm之間，A、B為其兩個端點。這時，加密掃描點的區域這樣確定傳感器的兩個側邊邊界線分別向外側平移3mm，形成平行于傳感器長度方向軸線的兩條平行直線，兩條平行直線和兩條垂向直線樣所圍成的矩形區域內就是掃描加密區域，在此區域內，加密掃描點的間距不大于0. 5mm。對此數據采用同樣的本專利所述的方法進行分析，可得到封裝后的光纖光柵應變傳感器校準應變源。本發明還可應用于電阻應變片的在線校準，此時裝置中光纖光柵應變傳感器由電阻應變片取代，第一傳輸光纜由線纜取代，光纖光柵解調儀表由電阻應變儀取代。有益效果本發明的校準方法方便、快捷，特點是在線校準、原位校準和動態校準，這些特點使得其適合工程應用，可以為粘貼后的裸FBG傳感器以及封裝后的光纖光柵應變傳感器提供動態靈敏系數；本發明也可以應用于檢查傳感器粘貼是否滿足要求，對長期使用后的傳感器，其還可以對其靈敏系數進行校正。
圖1為本發明裝置的結構示意圖；其中，1為模擬待測板，2為邊界支撐構件，3為光纖光柵應變傳感器，4為光纖光柵應變傳感器的尾纖，5為第一傳輸光纜，6為光纖光柵解調儀表，7為激光光束，8為激光鏡頭，9為第二傳輸光纜，10為激光掃描儀振動測試分析系統，11為激勵裝置連接線，12為力錘，13為上位機，A、B分別為光纖光柵應變傳感器的兩個端點；圖2為本發明裝置中模擬待測板的俯視示意圖；其中1為模擬待測板，2為邊界支撐構件，3為光纖光柵應變傳感器，4為光纖光柵應變傳感器的尾纖，14為力錘激勵點，A、B分別為光纖光柵應變傳感器的兩個端點；
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。實施例一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，如圖1和圖2所示，包括模擬待測板、邊界支撐構件、光纖光柵應變傳感器、第一傳輸光纜、光纖光柵解調儀表、上位機、激光鏡頭、第二傳輸光纜、激光掃描儀振動測試分析系統、激勵裝置和激勵裝置連接線；上述激勵裝置采用力錘；上述光纖光柵應變傳感器為線狀結構，其直徑為125um、長度為15mm ；上述激光鏡頭為Polytec 公司的 PSV-400 scanning head ；上述激光掃描儀振動測試分析系統為Polytec公司的0FV-5000 vibrometer controller ；上述光纖光柵解調儀表型號為SM130 ；上述模擬待測板的長度為1000mm，寬度為900mm，厚度為25mm ；上述激光鏡頭在模擬待測板上的非加密區域，其激光掃描點的距離為90mm，在光纖光柵應變傳感器的兩個端點A、B范圍之內掃描點數目加密為30個點，掃描點間距加密為 0. 5mmο本實施例中，光纖光柵應變傳感器的應變測試的原理可以用公式(3)加以說明 AA―― = 0.786(3)
Λ公式(3)中，Δ λ為光纖光柵傳感器反射波中心波長的變化，Δ λ = λ^λ。，其中λ i為i時刻光纖光柵傳感器反射波中心波長，λ 0為加載前光纖光柵傳感器反射波中心波長，ε為光纖光柵的平均應變，0.78為現有技術中經過計算所規定的系數；實際上，應用公式(3)得到了光纖光柵傳感器的應變，并非模擬待測板表面的應變，而是光纖光柵本身的應變。由于光纖光柵傳感器與模擬待測板表面通過膠粘接在一起， 膠有一定的厚度，每次粘貼厚度又可能不同，由于剪力滯后效應，光纖光柵傳感器應變與模擬待測板表面的應變不同。因此需要找到Δλ = Xi-X^與Sab (模擬待測板表面A、B兩點之間的應變)之間的關系，才是對工程有意義的，這也是本發明專利解決的問題，如公式 (4)，其中的k通常不等于0. 78；
Αλ ,— = KSab(4)
aO公式(4)中，ε ΑΒ為模擬待測板上Α、Β范圍內的平均應變，本發明中由激光測試分析方法得到，如公式(5)和公式(6)。ε = ^χ-(5)
d2x 2
1 ΒεΑΒ =——^sdl(6)
A公式(5)U為激光方法掃描得到的位移模態，χ為結構件沿AB方向的坐標，h為結構件的厚度，ε為測試得到的加密掃描范圍內的應變模態。
先由公式(5)得到ε，即測試得到的加密掃描范圍內的應變模態，再結合公式(6) 得到校準應變源εΑΒ。公式(6)中ε是測試得到的加密范圍內的應變模態，1是AB方向的長度，AB是 A、B兩點之間的距離，由激光測試掃描系統的測試數據獲得。按照上述，有了 εΑΒ、Δ λ = Xi-λ ^Xtl，結合公式(7)，可以得到靈敏系數k。這樣，系數k綜合包含了光纖、粘接材料的影響。對于封裝后的光纖光柵應變傳感器，系數k 還包含了封裝材料、封裝結構的影響。
權利要求
1.一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于包括模擬待測板、邊界支撐構件、光纖光柵應變傳感器、第一傳輸光纜、光纖光柵解調儀表、上位機、激光鏡頭、第二傳輸光纜、激光掃描儀振動測試分析系統、激勵裝置和激勵裝置連接線；模擬待測板為金屬材料的矩形平板，通過螺栓和墊塊安裝在邊界支撐構件上；光纖光柵應變傳感器為線狀結構，其直徑為125um、長度為10-15mm，用膠水在模擬待測板的中心位置沿平行于模擬待測板的自由邊方向進行表面粘貼；光纖光柵應變傳感器的尾纖經連接接頭和第一傳輸光纜的一端連接，第一傳輸光纜的另一端接入光纖光柵解調儀表的光纖接頭；光纖光柵解調儀表通過網線與上位機相連；光纖光柵解調儀表中的光源發出的寬帶激光，經過第一傳輸光纜和光纖光柵應變傳感器的尾纖到達光纖光柵應變傳感器，傳感器中的光纖光柵對激光進行反射后形成窄帶反射光，窄帶反射光又經光纖光柵應變傳感器的尾纖和第一傳輸光纜進入光纖光柵解調儀表， 光纖光柵解調儀表對窄帶反射光信號進行解調，得到反射光中心波長的變化值，再將反射光中心波長的變化值經網線傳輸到上位機，上位機顯示、記錄反射光中心波長的變化情況， 從而得到光纖光柵應變傳感器的實際應變情況；激光鏡頭位于光纖光柵應變傳感器的正上方，激光鏡頭通過第二傳輸光纜與激光掃描儀振動測試分析系統相連；激光掃描儀振動測試分析系統通過控制激光鏡頭中的反射鏡轉動角度來控制激光鏡頭所發出的激光光束的角度；激勵裝置放置在模擬待測板上方的任意位置，其對模擬待測板施加作用力使模擬待測板振動；激勵裝置中帶有力傳感器，力傳感器發出的電信號通過激勵裝置連接線與激光掃描儀振動測試分析系統相連；
2.根據權利要求1所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于其在線校準方法的步驟為1)將模擬待測板兩個邊固定安裝于邊界支撐構件上，另外兩個邊處于自由狀態；2)將光纖光柵應變傳感器與模擬待測板進行表面粘貼，光纖光柵應變傳感器的軸線平行于模擬待測板的自由邊；3)將光纖與第一傳輸光纜連接，并將第一傳輸光纜與光纖光柵解調儀表的光纖接頭相連，將光纖光柵解調儀表通過網線與上位機連接；4)將激光鏡頭安裝于光纖光柵應變傳感器的正上方，激光鏡頭在水平面上位置的確定方法為使激光鏡頭發出的垂直于水平面的激光光束經過A、B兩點連線的中點，所述A、B分別為光纖光柵應變傳感器的兩個端點；激光鏡頭與光纖光柵應變傳感器的垂直距離的確定方法為激光鏡頭發出的激光光束照射到模擬待測板的四個矩形邊界線時，激光鏡頭發出的激光光線與豎直方向的夾角不超過20度；5)用第二傳輸光纜將激光鏡頭與激光掃描儀振動測試分析系統相連；6)選擇激勵點，安裝激勵裝置，并用激勵裝置連接線連接激勵裝置與激光掃描儀器振動測試分析系統；7)啟動在線校準裝置；8)由操作員控制激勵裝置對模擬待測板進行連續脈沖激勵；9)激光鏡頭發出的激光在模擬待測板表面掃描，測試其表面的振動速度，掃描點在模擬待測板表面呈網格狀，掃描點之間的距離為不大于模擬待測板最小邊長的1/10 ；激光掃描鏡頭發出的激光在光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B之間的長度范圍內掃描點要密集到20個點以上;10)激光掃描儀振動測試分析系統通過激勵裝置連接線讀取激勵裝置發出的電信號， 結合從激光鏡頭得到的測試數據，分析得到模擬試驗件表面的振動速度分布，并以此計算出模擬待測板在其固有頻率振動狀態下的光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B范圍內的應變，以此應變作為校準源數據；11)光纖光柵解調儀表對光纖光柵應變傳感器反射回來的窄帶光信號進行解調，得到反射光中心波長的變化值，再將反射光中心波長的變化值經網線傳輸到上位機，操作員根據上位機顯示的反射光中心波長的變化情況以及光纖光柵應變傳感器的初始波長，結合數據分析方法得到模擬待測板在其固有頻率振動狀態下的中心波長變化值，對照步驟10)得到的校準源數據對光纖光柵應變傳感器進行對比和標定，實現光纖光柵應變傳感器的在線校準。
3.根據權利要求2所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于所述在線校準方法的步驟10)中光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B范圍內應變的計算方法為裸光纖光柵應變傳感器兩個端點A、B之間連接線的長度在IOmm到15mm范圍之間， 在此范圍之內激光掃描點數目為20點以上，也即掃描點的間距在0. 5mm到0. 8mm之間；通過對激光掃描儀振動測試分析系統的軟件進行設置，控制激光鏡頭在模擬待測板上的掃描角度，實現上述掃描點所規定的加密掃描指標要求；在激光掃描儀器振動測試分析系統中設置3次平均參數，得到模擬待測板表面準確的速度，進而對此數據進行分析計算，得到準確的校準源數據，此校準源數據是按照 1 8
4.根據權利要求1所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于所述激勵裝置為力錘或者可發出諧形激勵信號或者隨機激勵信號的振動臺。
5.根據權利要求1所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于所述激光鏡頭為Polytec公司的PSV-400 scanning head,所述激光掃描儀振動測試分析系統為 Polytec 公司的 0FV-5000 vibrometer controller。
6.根據權利要求1所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于所述光纖光柵解調儀表型號為SM130。
7.根據權利要求2所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于其校準方法采用垂直于模擬待測板表面的局部范圍內高密集點的橫向振動速度分布場，分析得到平行于模擬待測板表面的縱向應變分布，并通過分析得到校準的應變源。
8.根據權利要求2所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于所述光纖光柵應變傳感器為封裝后的、具有一定寬度的光纖光柵應變傳感器，其寬度在6mm以內，其長度在25-40mm之間，A、B為其兩個端點，加密掃描點的區域這樣確定分別過A、B兩點做垂直于傳感器長度方向軸線的兩條垂向直線；傳感器的兩個側邊邊界線分別向外側平移3mm，形成平行于傳感器長度方向軸線的兩條平行直線，兩條平行直線和兩條垂向直線樣所圍成的矩形區域內就是掃描加密區域，在此區域內，加密掃描點的間距不大于 0. 5mmο
9.根據權利要求1所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于裝置中光纖光柵應變傳感器由電阻應變片取代，第一傳輸光纜由線纜取代，光纖光柵解調儀表由電阻應變儀取代，此時裝置用于電阻應變片的在線校準。
10.根據權利要求1所述的一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置，其特征在于模擬待測板采用四邊固定的方式。
全文摘要
本發明涉及一種用于光纖光柵應變傳感器的在線校準裝置和方法，屬于計量測試與校準技術領域。裝置包括模擬待測板、邊界支撐構件、光纖光柵(FBG，Fiber Bragg Grating)應變傳感器、第一傳輸光纜、光纖光柵解調儀表、上位機、激光鏡頭、第二傳輸光纜、激光掃描儀振動測試分析系統、激勵裝置和激勵裝置連接線。本發明的校準方法方便、快捷，特點是在線校準、原位校準和動態校準，這些特點使得其適合工程應用，可以為粘貼后的裸FBG傳感器以及封裝后的光纖光柵應變傳感器提供動態靈敏系數；本發明也可以應用于檢查傳感器粘貼是否滿足要求，對長期使用后的傳感器，其還可以對其靈敏系數進行校正。
文檔編號G01B11/16GK102288122SQ20111010159
公開日2011年12月21日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者王利恒 申請人:中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所