應(yīng)變片與傳感光纖應(yīng)變測試對比

01概述

應(yīng)變片由敏感柵、基底、覆蓋層、膠黏劑以及引線五部分組成，金屬應(yīng)變片主要是利用電阻的應(yīng)變效應(yīng)進(jìn)行工作，即通過應(yīng)變片中金屬薄片電阻值的改變量來測量所加外力或由外力所引起的微小形變。

分布式傳感光纖由纖芯、包層、涂覆層組成，通過檢測光在纖芯內(nèi)部產(chǎn)生的背向瑞利散射信號來實(shí)現(xiàn)整根光纖的傳感測量。

為對比應(yīng)變片與傳感光纖的應(yīng)變測量差異，我們在等強(qiáng)度梁上分別布設(shè)應(yīng)變片與傳感光纖，采用應(yīng)變片解調(diào)儀和OFDR設(shè)備（OSI型號）解調(diào)，測量兩種傳感器在有無缺陷位置處的應(yīng)變值。

02測試過程

1)設(shè)備及工具：OSI設(shè)備、應(yīng)變解調(diào)儀、5mm寬裂縫的等強(qiáng)度梁、30mm應(yīng)變片、50mm應(yīng)變片、3mm應(yīng)變片和耐彎曲聚酰亞胺（PI）光纖。 2)傳感器布設(shè)如圖1所示。將PI耐彎曲光纖布設(shè)在等強(qiáng)度梁表面正中間，30mm和50mm應(yīng)變片正中心位置粘貼在等強(qiáng)度梁裂縫上，布設(shè)在光纖一側(cè)，在另一側(cè)將2*3mm應(yīng)變片粘在裂縫正中間和裂縫邊緣；再在無缺陷部位布設(shè)30mm、50mm和2*3mm應(yīng)變片。其中1、2、3、4是2*3mm應(yīng)變片，5、6是30mm應(yīng)變片，7、8是50mm應(yīng)變片。

圖1 應(yīng)變片與光纖布設(shè)示意圖

表1應(yīng)變片與光纖參數(shù)及布設(shè)位置

3)將布設(shè)好的等強(qiáng)度梁放置在水平桌面上，傳感器分別連接OSI-S設(shè)備和應(yīng)變解調(diào)儀，在初始狀態(tài)選取參考。

圖2 測試樣品實(shí)物圖

4)OFDR設(shè)備測量整根光纖的應(yīng)變分布，為方便后續(xù)數(shù)據(jù)提取與處理分析，需提前定位各個(gè)應(yīng)變片與光纖的對應(yīng)位置。 5)在等強(qiáng)度梁自由端采用砝碼逐級加載，OSI-S設(shè)置空間分辨率為1mm、保存數(shù)據(jù)命令為100g、200g、300g等，應(yīng)變解調(diào)儀保存為YBP+日期。 6)將3mm、30mm、50mm應(yīng)變片對應(yīng)光纖段內(nèi)的所有傳感點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以此作為光纖的測量結(jié)果，與應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

03測試結(jié)果

測試時(shí)每次逐級增加/減少100g砝碼進(jìn)行加載，記錄應(yīng)變片與光纖測得的應(yīng)變值，分析應(yīng)變片與光纖的應(yīng)變結(jié)果，并繪制成圖3和圖4。

圖3應(yīng)變片（1~4）與光纖的平均應(yīng)變對比

應(yīng)變片（1~4）敏感柵長度為2*3mm，應(yīng)變片1一半布設(shè)在裂縫處，應(yīng)變片2布設(shè)在裂縫邊緣，應(yīng)變片3完全布設(shè)在裂縫位置，應(yīng)變片4位于等強(qiáng)度位置。對比應(yīng)變片1~3結(jié)果，隨著應(yīng)變片與裂縫的接觸面增大，應(yīng)變片與光纖測得應(yīng)變差異均逐漸增大。

圖4應(yīng)變片（5~8）與光纖的平均應(yīng)變對比

應(yīng)變片5、7敏感柵長度分別為30mm、50mm，其正中心位置布設(shè)在裂縫處；應(yīng)變片6、8敏感柵長度分別為30mm、50mm，布設(shè)在等強(qiáng)度位置。對等強(qiáng)度位置的應(yīng)變片4與光纖測得應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，計(jì)算得到應(yīng)變片與光纖應(yīng)變系數(shù)比為1.08。帶入系數(shù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，等強(qiáng)度位置的應(yīng)變片與光纖測試結(jié)果基本一致，差值小于1%。

統(tǒng)一系數(shù)后，應(yīng)變片3、5、7（裂縫處）及其對應(yīng)位置光纖應(yīng)變結(jié)果對比如圖5所示。應(yīng)變片5、7與統(tǒng)一系數(shù)后的光纖應(yīng)變基本一致，差值在4%以內(nèi)，應(yīng)變片3（3mm）測得應(yīng)變?yōu)楣饫w應(yīng)變的1.5倍。

圖5統(tǒng)一應(yīng)變系數(shù)后應(yīng)變片與光纖應(yīng)變的對比

加載500g砝碼時(shí)，應(yīng)變片3測得應(yīng)變遠(yuǎn)大于光纖應(yīng)變結(jié)果；而位于裂縫段的30mm應(yīng)變片與50mm應(yīng)變片測得應(yīng)變小于光纖應(yīng)變。

圖6500g加載時(shí)，應(yīng)變片3、5、7與光纖應(yīng)變的對比

04實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1）統(tǒng)一系數(shù)后，等強(qiáng)度位置處的應(yīng)變片與光纖應(yīng)變測試結(jié)果相同，差值小于1%。

2）裂縫位置處布設(shè)應(yīng)變片與分布式光纖傳感器，隨著應(yīng)變片與裂縫接觸面增大，應(yīng)變片與光纖應(yīng)變測量結(jié)果的差異逐漸增大，而且應(yīng)變片敏感柵長度對應(yīng)變片的測量結(jié)果有影響。30mm、50mm應(yīng)變片測得應(yīng)變與光纖基本一致，差值在4%以內(nèi)。

3）應(yīng)變片測得結(jié)果是平均值，隨著敏感柵長度的增加，其測得應(yīng)變結(jié)果減小。在選取應(yīng)變片時(shí)，建議選擇敏感柵長度與測量范圍相接近的應(yīng)變片，確保測量數(shù)值真實(shí)、準(zhǔn)確。

來源：大話光纖傳感

審核編輯：湯梓紅