一种玻璃纤维封装的光纤布拉格光栅应变传感器 
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1 引言
输电铁塔等重大电力设施的安全监测技术备受重视,在台风、覆冰等恶劣环境下其关键部位的形变状态一直是科研人员关心的问题。传统的电测技术因易受输电环境中电磁干扰、自然界雷击等影响,应用局限性明显。以光为信号、不受电磁干扰影响的光纤传感为电力环境下传感、检测、监测提供了极佳的技术支撑,分布式光纤、光纤光栅等技术在电力设施安全监测中逐渐得到应用[1]。在所有的监测参量中,应变最为基础,也最为重要,它是弯曲、扭转、位移等变形的最直接反映,因此基于光纤原理的有效应变传感检测技术一直是科研人员的关注重点。作为光纤传感的一种,光纤布拉格光栅(FBG)采用波长编码,波长信号不受光源功率波动的影响,且不同波长的光栅可复用在一根光纤上,对轴向应变非常敏感,在重大电力设施的应变测量中发挥了重要作用。
目前,基于光纤布拉格光栅的应变测量技术主要包括两种:1)采用胶黏剂将裸光栅直接粘贴或嵌入到被测对象表面或内部[1-2]。这种方法表面上操作简单方便,但在工程实际中,由于裸光栅十分脆弱,在野外等现场粘贴时,不易精确控制光栅装置的直线度和方向,且裸光栅易折断。因此该方法更适用于实验室开展科研测试,工程现场适应性较差。2)将光纤光栅封装在专门设计的弹性体或基片内,光栅得到保护,往被测物体上安装时操作性更好。该方法在封装光栅时,光栅的固定方式主要有两种——栅区全部粘贴固定和预拉伸后栅区两侧的光纤固定[3-4],封装基体主要有三种——管式结构体[5-7]、表面弹性结构体[8-12]和基片[13]。将光纤光栅封装至管式应变标距体内,一般用于埋入被测物体内,测量混凝土应变[4]、桥梁变形[5-6]等。表面应变测试时,光纤光栅往往被封装至特殊设计的表面安装式弹性结构体内,并采用柔性铰链结构来实现光纤光栅的应变灵敏度灵活设计[8-10]。在上述两种结构体内,光纤光栅普遍采用的是预拉伸后栅区两侧光纤固定的封装方式,虽然可以保障光栅不易啁啾,但由于预拉伸量有限,被测对象的负向应变测量范围易受到限制。此外,在安装时往往需要在被测物体上打孔等,易破坏本体的结构强度。另外一种固定方式是将光纤光栅通过栅区全部粘贴固定的方式封装在基片内[11-13],光纤光栅可随着被测物体整体拉伸或压缩,应变测量的量程更大。该方式中,可直接将光栅粘贴在被测物体上,不改变被测本体的结构。
本文设计出一种可用于野外电力铁塔变形应变监测的光纤布拉格光栅应变传感器。若采用封装至管式、表面式弹性结构的设计,安装时破坏被测结构,电力设备不允许;而现有的基片式封装尺寸较大,操作不便,且未考虑电力铁塔存在日照高温等实际工况。为此,本文采用与石英光纤布拉格光栅同质的玻璃纤维薄片和玻璃纤维护管,利用高温胶黏剂将光纤布拉格光栅压制、封装在两层玻璃纤维片内。光栅与纤维板同质,热胀冷缩性能相同,粘合固定更可靠,且具备高温环境适应性。相关实验测试结果表明,所设计的传感器性能良好,在电力铁塔等设施的应变监测中将具有良好的适用性。
2 传感器设计与制备方法
2.1 传感器封装结构
如
2.2 制备方法
图 2. 光纤布拉格光栅应变传感器的制备过程。(a)压制夹具及照片;(b)传感器部件封装示意图及照片;(c)传感器置于高温箱时的示意图;(d)传感器照片
Fig. 2. Preparation process for the FBG strain sensor. (a) Compress jig and its photo; (b) package diagram for sensor components and its photo; (c) sensor in high-temperature thermostat; (d) photo of the FBG strain sensor
该封装设计的技术优势主要有如下3点:1)组成光纤光栅应变传感器的玻璃纤维板、玻璃纤维管与石英光纤光栅同质,并且采用的胶黏剂为光学玻璃专用胶,它们之间无热膨胀系数差异,因此四者之间的黏合将更加牢固,更有利于形成整体的传感体;2)所有封装部件均为非金属,不受电力环境中强电磁的干扰,环境适应性更强;3)玻璃纤维板可耐170 ℃高温、玻璃护管可耐300 ℃高温,封装过程也是采用耐高温胶黏剂在120 ℃高温环境中进行,传感器将具备良好的高温适应性和稳定性,更好地满足电力设施在野外强光照条件下表面60~70 ℃的实际工况需求。
3 实验测试与分析
对设计的光纤光栅应变传感器性能进行测试,搭建了如
图 3. 光纤布拉格光栅应变传感器实验测试装置
Fig. 3. Schematic of the testing device for the proposed FBG strain sensors
首先测试了传感器的应变响应性能,在等强度悬臂梁的自由端从0开始,依次悬挂100 g的标准砝码至8个,每个砝码加载后均保持5~8 s,待波长输出稳定后,再逐个取下砝码,直至0,形成一次循环实验。重复该循环实验3次。
表 1. 三个传感器的应变测量性能对比
Table 1. Comparison of the strain measurement performance of the three sensors
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图 4. 应变性能三次循环测试时程图
Fig. 4. Time-history curves in three loop tensile test for strain performance
图 5. 实验结果。(a)~(c)测试进程和回程的6条波长变化量差值曲线; (d)~(f)均值拟合情况
Fig. 5. Experimental results. (a)-(c) Six differential outputs of the wavelength shifts; (d)-(f) linear fitting results of average of experimental data
其次,由于光纤布拉格光栅对轴向应变和环境温度交叉敏感,因此应变传感器的温度补偿性能同样非常重要,是长期野外工作中保证应变准确测量的重要指标。实际测量中,往往将两个应变传感器分别安装在被测对象发生正、负应变的对应面上,或者将其中一个传感器布置在被测对象上、另外一个传感器布置在相同材质但不受力的物体表面,当作温度补偿光栅。这两种方法均是将两个传感器波长变化量的差值输出作为应变测量结果,将环境温度引起的同向波长漂移通过差值后剔除。假设粘贴在悬臂梁上的3个传感器互为温度补偿光栅,将它们放置在温度试验箱中,从室温24 ℃升高至75 ℃,实时记录3个传感器的波长数据。如
图 6. 三个传感器的温度补偿能力测试结果
Fig. 6. Test results of temperature compensating capacities for the three sensors
抗蠕变性能是指在外界荷载不变的情况下,传感器输出值的稳定能力,该性能对长期实时监测的精确性具有重要影响,为此对3个传感器的抗蠕变性能进行测试。鉴于传感器需要长期在野外的电力铁塔上测量,夏季铁塔表面温度可能达到60 ℃以上,为此本研究将实验装置放置在大型温度箱内,当箱内温度稳定在70 ℃时手动触发一个恒定的弹簧拉伸力,保持超过160 min后再恢复至空载状态,观察该过程中传感器波长的波动情况。如
图 7. 三个传感器蠕变性能测试时程图
Fig. 7. Time-history curves of creep performance tests of the three sensors
4 结论
设计出一种玻璃纤维封装的光纤布拉格光栅应变传感器,脆弱的石英光纤光栅得到完好的封装保护,工程现场的可操作性和适应性更强。对所设计的3个传感器的性能进行全面测试,结果表明,采用所提出的封装方法和工艺制备的应变传感器在线性、重复性、一致性、温度补偿能力及抗蠕变性能等方面均表现出良好性能,在野外恶劣环境的电力铁塔等设备的应变监测中具有良好的应用前景。
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陈剑, 郭永兴, 张礼朋. 一种玻璃纤维封装的光纤布拉格光栅应变传感器[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(9): 090601. Jian Chen, Yongxing Guo, Lipeng Zhang. A Glass-Fiber Packaged Fiber Bragg Grating Strain Sensor[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(9): 090601.
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