第２７卷 哈尔滨师范大学自然科学学报 Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．１ ２０１１ 第１期 ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥＳ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢＩＮ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ 光纤光栅应变传感器表面粘贴工艺研究 薛泽利 ，吕国辉 （１．佳木斯大学；２．黑龙江大学） 【摘要】 研究了光纤光栅（ＦＢＧ）应变传感器粘贴工艺，在等强度梁上粘贴 ＦＢＧ应变传感器，从胶的选择、光栅的预应力和胶粘层的厚度等方面，讨论了对传 感器测量结果的影响，得到了光纤应变传感器的粘贴工艺． 关键词：光纤光栅；等强度梁；应变；预应力 度公式： ＡＡ０ 引言 ＿：（１一ｐ。） ：ｓ （１） 光纤光栅应变传感器是以光纤为载体，在光 其中：Ｐｅ： ［ｐ．：一（ｐ 。＋ｐ ）ｕ］ （２） 纤的局部区域写入光栅，利用反射或透射布拉格 光栅峰值波长移动的特性来实现对被测结构的 为有效弹光常数；而 应变值的绝对测量．光纤光栅传感器有很多优 ｓｓ ＝ ＝１ Ｐ 一 一Ｐ ＝＝１一 一 ｎｅ￣￣ｅｆｔｌ ［ｐ［ｐ１１２２一（１一（１Ｐ ｌ＋Ｐｌ＋ｌＰｌ２） ］ 点¨。Ｊ，如体积小、灵敏度高、响应速度快、抗电 磁干扰、无零漂、易于安装、复用性好、使用寿命 （３） 长等特点．广泛应用在油井和输线的温度测 为光纤光栅相对波长移位应变灵敏度系数． 量，油库、仓库、高层建筑、矿井和隧道的火灾防 利用纯熔融石英的参数，Ｐ ＝０．１２１，Ｐ ：＝ 护，桥梁、堤坝的安全监测等．为了获取结构表面 ０．２７０，ｕ＝０．１７， 。 ＝１．４５６，可得光纤光栅相对 的应变，传感器与结构基体的粘贴是很重要的， 波长移位应变灵敏度系数ｓ ＝０．７８４．如果取波 粘贴的质量直接影响测量的精度，可是对光纤光 长人为１５４１．２５４则光纤光栅弹光效应单位纵向 栅应变传感器表面粘贴工艺的研究较少，文在等 应变引起的波长移位为１．２０８ ｐｍ／￣８．由（２）式 强度梁的表面，粘贴光纤光栅应变传感器，从胶 知光栅的应变与波长的变化之间的关系式为 的选择、光栅的预应力和胶粘层（中间层）的厚 ／ｉＡ （４） 度对应变传递的影响进行了实验分析． 即通过光栅中心波长的变化，由（４）式求得结构 １ 工作原理 的应变值． １．２ 等强度梁的工作原理 １．１ 光纤光栅传感器工作原理 强度梁常用于标定应变测试设备 Ｊ，是一 应用光纤光栅进行应变测量，主要通过获得 种变截面梁．距０点距离为 的断面上的弯矩为 在应力作用下，光栅反射的中心波长的漂移而间 ＾＾２ 接的得到．大量实验表明，在恒温条件下，光纤光 Ｍｘ＝Ｇ（ｆ— ），而断面抗弯模量 （ ）＝：≠，Ｕ 相 栅均匀轴向应变引起波长移位的纵向应变灵敏 应的断面上的最大应力为： 收稿日期：２０１０—１０—２１ ３０ 哈尔滨师范大学自然科学学报 ２０１１年第２７卷 ： — （５）） 其中ｂ ＝Ｂ（ｔ－ｘ）／ｌ为距０点为 的位置的宽度． 图１ 等强度梁示意图 Ｇ为作用在加载点的荷载，当 ＝ｆ时，得到 加载点处的挠度 ／＝ｙ（ｆ）＝ ６Ｇｌ ｆ （６） Ｅ为材料的杨氏模量．由于等强度梁（如图１所 示）上各个断面的正应力相等，所以梁的表面上 各点沿 轴方向的应变相等．与梁的固定端（ ＝ ０）的应力相等： ６ 由虎克定律可求得应变： 一： 一Ｂ Ｅ ：黑 Ｅｈ （７）将（７）式除以（６）式得： ＝ （８） （７）（８）两式都为等强度梁的计算公式，如果知 道Ｅ、Ｇ值，可通过（７）式求得，如果不知道Ｅ值， 可测得加砝码处的挠度ｌ厂，代入（８）式求出应变 值． ２ 实验装置 等强度梁选用的是溧阳市仪表厂生产的 ＴＪ一２型，梁的工作尺寸为：ｆ×Ｂ×ｈ：３００ ｍｍ× ４５．９ ｍｍ×３．５ ｍｌ／ｌ，杨氏模量：２×１０ ＭＰａ，最大 加载量为５ ｋｇ． 应变片为ＢＥ１２０—３ＡＡ（１１）一Ｘ３０，阻值： １ １９．８ ｎ．应变测试仪器为ＤＨ３８１８型静态应变 测试仪． 光纤光栅的中心波长分别为１５３７．８９６、 １５４５．６６２和１５４９．２６９ ｎｍ，反射率均大于９４％， 反射带宽小于０．３ ｄＢ．光纤光栅反射波长的解调 用ＨＤ一６８００型光纤光栅解调器，波长分辨率为 １ ｐｍ．为了计算等强度梁的理论应变值，在加载 处使用百分表精确测量这一位置的挠度，其精度 为０．０１ ｍｍ，测量范围为０～１０ ｍｍ． ３ 光纤光栅粘贴质量的影响因素 表面粘贴的影响因素很多 Ｊ，如传感器应 变传递随传感器长度的增加而升高，随中问层的 厚度的增大而降低，随着中间层的弹性模量的增 加而增大，中间层的泊松比的影响较小等．为了 真实反映结构应变，当然希望传感器越长越好， 但是传感器越长，相应的与结构表面的粘贴面积 越大，大面积结构表面的不平整度就越大，相应 的中间层就越厚．所以传感器的长度与中间层相 互影响，应该综合考虑．实验统一采用栅区长度 为２ ｃｍ的光栅．常用到的粘胶剂有５０２、改性丙 烯酸和环氧树脂胶，通过粘贴使传感器和待测结 构协同变形，５０２胶属于瞬间胶粘剂，粘贴后中问 层较薄，对应变传递较好，但是光纤与待测物接 触面积小，在长期重复性实验过程中，光栅易与 结构脱离．改性丙烯酸ＡＢ胶，粘接强度和硬度较 高，室温５～１０ ｍｉｎ固化，由于胶的粘性较大，胶 粘层不易涂均匀，并且易老化，不适宜长期使用． 环氧树脂胶，粘接强度较高，固化时问较长，收缩 率小，但它的组分比例变化，会引起相应物理参 数很大变化，实验中用同一次配好的胶，减少因 为中问层的弹性模量和？白松比的不同，而影响实 验结果． ３．１ 实验准备 实验前，先对等强度梁同一截面的上下两个 表面要粘贴光栅和应变片的位置进行标注，使应 变片和光栅尽量靠近，上下对应左右对称，保证 光栅和应变片的轴线与梁的中心线平行，并用丙 酮或酒精擦拭，进行除尘和除油，用水平尺对等 强度梁进行调平．将３个光栅依次粘贴，１、２号栅 在梁的上下表面对应，１号栅与３号栅在梁的上 表面对称，其中１、３号栅施加一定预应力使波长 增加约１００ ｐｍ后涂胶，并且３号栅在涂胶后，覆 盖薄膜后用橡皮压上，使与梁可靠接触，而２号 栅拉直在没有施加预应力的状态下涂胶固定．应 变片在同一截面处上上表面粘贴．等强度梁加载 端的挠度用百分表直接测量梁末端的挠度．每次 测量前，都记录光栅解调仪初始读数，并尽量使 室内温度恒定，然后，使荷载从小到大进行３级 加载（如图２所示）． 第１期 光纤光栅应变传感器表面粘贴工艺研究 ３１ ２号栅被压缩．由图３可以看出，１、３号栅的线性 度明显好于２号栅．１、３号栅在粘贴过程中施加 了一定的预应力，而２号栅没有施加预应力，因 此２号栅在固化过程中，可能处于收缩状态，当 图２ 传感器的分布图及示意图 发生较小的应变时，光栅仍处于收缩状态或将要 被拉伸，因此线性度不好，由此可知，在光纤光栅 粘贴过程中为保证良好的线性度预应力是必不 可少的． ３．２ 实验结果与分析 表１为等强度梁３级加载时光纤光栅的波长 值以及等强度梁加载端的挠度值．表２列出了由 测量数据得到的应变值．其中１、３号栅被拉伸， 表１ 测量数据 １ｏ０ 的灵敏度０．１５２ ￡／ｇ高，更接近于理论值，因 ８。 ∞ 。 此，中问层薄，灵敏度高，更能真实的反映结构的 应变． １ｏｏ 。 ８Ｏ ｍ ｃｏ ６０ 口１ｗ删＿删＿ Ⅻ 荷载 图３ 光栅拟合曲线对比图 ４０ 。 图３为３个光栅的拟合曲线对比图，可以看出１、 ０ ３号栅测量结果具有良好的线性，并且两个光栅 的测量结果又非常接近，能较好的反映等强度梁 Ｕ １Ｏ０ ∞ｕ ３００ ４∞∞Ｕ 叫ｕ 荷载／ｇ 图４ １、３号栅与理论值的对比图 的应变，光栅的拟合方程分别为： Ｙ１：０．６１１＋０．１５２ｘ１ Ｙ２：一４．４７３—０．０６９ｘ２ Ｙ３：０．６４９＋０．１５４ｘ３ 图４、图５为１、３号栅、应变片和理论值的对 比图，应变片的灵敏度比光栅的高，同时测量结 相关系数分别为０．９９９９、一０．９５９２、０。９９９８．２号 栅的相关系数较低，误差较大，而１、３号栅的相 果比理论值大，应变片的最大测量误差为３．２％， 光纤光栅的最大测量误差为２．２％，因此，光纤光 栅应变传感器在某些领域完全可以替代传统的 应变片测量方式． 关系数都在０．９９９８以上，３号栅的中间层较１号 栅的薄，３号栅的灵敏度为０．１５４ ｐ￣ｅ／ｇ比１号栅 图６为计算值与理论值的对比图，计算值与 ３２ 哈尔滨师范大学自然科学学报 ２０１１年第２７卷 １２０ １Ｏ０ ４ 结论 ∞ ８０ 通过如上的光栅粘贴过程，光纤光栅应变传 感器的测量结果是真实有效的．胶的选择上，环 ８ｏ ０ ２０ 氧树脂胶在粘接强度和抗老化等方面较为理想， 适宜长期监测和反复实验．而在应变传感器光栅 的粘贴过程中必须施加一定的预应力来保证良 ０ １００ ２００ ３００ ４００ ５ＯＯ ６ＯＯ ０ 荷载儋 图５ 光栅、应变片测量值与理论值的对比图 好的线性度．并且中间层越薄，传感器的灵敏度 越大，光纤光栅应变传感器的灵敏度为０．１５３ Ｉｘｅ／ｇ．将光栅与应变片的测量结果的对比，在某 荷载儋 图６ 挠度计算值与理论值的对比图 。ｆ Ｔｏｎ ｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８，３６（２）：１４９—１５４・ ［３］Ｗｕ Ｚ Ｊ，Ｚｈａｎｇ Ｂ Ｍ，Ｗａｎ Ｌ Ｂ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ Ｉｎ ｉｎ一 ｓｉｔｕ ｂｒｉｄｇｅ ｈｅａｌｔｈ ｍ。ｎｉ—ｔｏｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｆｉｂｅ Ｂ ｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ Ｅ ＪＩ． 理论值非常接近，误差在１％以内，即通过测量 等强度梁末端的挠度，并代入（８）式进而求得应 变值的方法，与由（７）式直接算得等强度梁的应 Ｊｎｕｒｅａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｔ Ｔｅｃｈｎ。ｌ。ｇ，２００６，１３（５）：５８８一 ５９４－ ［ ］赵巍・应用等强度梁测定电阻应变片灵敏系数・唐山高等 变值的方法等同，因此本实验提供了一种测量等 Ｅ５］ 强度梁杨氏模量的方法． ３．３ 误差分析 ．器仪表技术与传感器，２００５，７：３ 誊 Ｂ 光栅应变传感 ［６］ 周广东，李宏男，任亮，等．纤光栅传感器应变传递影响参 实验的误差主要来源有室内温度的变化、弹 性梁的蠕变以及测量误差，而测量误差主要由光 数研究・工程力学，２００７，２４（６）：１６９—１７３． 【 ］ 雪芳，梁磊・粘贴式光纤光栅传感器应变传递规律研究－ 纤光栅解调仪的读数精度决定．ＨＤ一６８００型光 纤光栅解调器的读数精度为１ ｐｍ，相当于误差 约为１ ￡． 传感器世界， 。。 ， ： 一 ・ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐａｓｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｔｒａｉｎ Ｓｅｎｓｅｒ Ｘｕｅ Ｚｅｌｉ ，Ｌｖ Ｇｕｏｈｕｉ （１．Ｊｉａｎｍｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；２．Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐａｓｔｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｐａｓｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｑｕａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｇｉｒｄｅｒ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ，ｔｈｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｌａｙｅｒ．ｅｔｃ．．ｔｈｅ ｉｎｌｑｕｅｎｅｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｓｔｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｓ ｇａｉｎｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ；Ｅｑｕａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｇｉｒｄｅｒ；Ｓｔｒａｉｎ；Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｆｏｒｃｅ （责任编辑：李佳云）
