无封装光纤光栅应变传感器校准系统研究.pdf

EnvironmentalTest Equipment环境试验设备无封装光纤光栅应变传感器校准系统研究郑术力，喻桂华，郑文炜，杨霖，纪春阳（工业和信息化部电子第五研究所，广州51137 0）摘要：为校准无封装的光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating，FBG）应变传感器，设计了一套高精度的光纤光栅应变传感器校准系统，系统主要由一套高定位精度的水平位移装置和激光干涉仪组成。对FBGS-SO2型的无封装FBG应变传感器进行校准测试，校准结果的最大误差为-0.2，满足该传感器土2 的误差要求。关键词：光纤光栅；应变传感器；校准系统；位移装置中图分类号：TB921文献标识码：A文章编号：10 0 4-7 2 0 4(2 0 2 3)0 6-0 157-0 4Research on the Calibration System of Unpacked Fiber Bragg Grating StrainSensorsZHENG Shu-li,YU Gui-hua,ZHENG Wen-wei,YANG Lin,JI Chun-yang(China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute,Guangzhou 511370)Abstract:A high-precision calibration system for Fiber Bragg Grating Strain sensors without packaginghas been designed.The system mainly consists of a high-precision horizontal displacement device anda laser interferometer.Calibrate the FBGS-S02 type unpackaged Fiber Bragg Grating Strain sensor,themaximum error of the calibration results is-0.2 e,meet 2 e of the sensor error requirementsfor.Key words:fiber bragg grating;strain sensor;calibration system;displacement device引言FBG应变传感器作为一种新型无源传感器，具有结构简单、尺寸小、质量轻、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀以及分布测量等优点，在土木工程、桥梁结构设计、轨道交通、石油化工、智慧制造、隧道施工、航空航天等领域的应变形变监测和检测中得到了广泛应用I-2。对应变传感器的性能测试及关键参数的校准是其运用于工程之前必不可少的步骤，而当前对FBG应变传感器，特别是无封装FBG应变传感器的校准研究相对较欠缺。李慧鹏等设计了一种由精度为1m的滑移台和比例为1：2 0 0 的杠杆组成的针对无封装FBG应变传感器的标定装置，其标定范围为（0 10 0 0）8。该方法对杠杆加工的精度要求较高，精确控制相对较困难。曹敏困等利用万能试验机对封装的FBG应变传感器两端产生不同应力，使FBG应变传感器产生应变，从而实现对封装FBG应变传感器的标定。其标定线性度达到了99.7 2%，性能良好，但该方法无法对未封装FBG应变传感器进行标定。郑文昊5等利用等强度梁的原理，设计了一套考虑传感器厚度及传感器安装孔应力扰动的应变传感器标定基金项目：国家重点研发计划微纳传感器芯片及封装特性原位测试技术课题，项目编号：2 0 2 0 YFB2008902。2023年6 月/June 2023157环境试验设备EnvironmentalTest Equipment装置，该装置精度可到级。该方法简单易行，但是对等强度梁的加工要求较为苛刻。本文设计了一套主要由高定位精度直线电机位移装置和激光干涉仪组成的高精度无封装FBG应变传感器校准系统。该校准系统由高定位精度的位移装置提供稳定可靠的水平位移量（应变量），由激光干涉仪测量位移变化量，实现了对无封装FBG应变传感器的校准。1FBG应变传感器测量原理光纤布拉格光栅对波长具有选择性反射效应，而FBG应变传感器正是基于此效应制成的。光纤布拉格光栅具有一个中心波长，而对于确定的FBG应变传感器，在实验室温度变化为零的条件下，其中心波长的漂移量可表示为13.6 激光干涉仪直线电机位移装置图1无封装FBG应变传感器校准系统简图入B=K8式中：K。一传感器的应变灵敏度系数；8一传感器所受到的应变。由式（1）可知，在温度恒定的条件下，FBG应变传感器的波长漂移量与应变成线性关系。2基于直线电机位移台和激光干涉仪的校准系统设计设计的无封装FBG应变传感器校准系统，如图1所示，主要由直线电机位移装置和激光干涉仪组成。直线电机平台上和直线电机位移装置的基座上分别安装有FBG应变传感器的安装夹具，以便在两夹具之间安装无封装的FBG应变传感器。这样，直线电机平台的移动即可对无封装FBG应变传感器产生稳定可靠的应变光纤应变传感器量。激光干涉仪对直线电机平台的移动量进行测量，即可测得加载到无封装FBG应变传感器上的应变量高精度值。直线电机位移装置，如图2 所示，主要由直线电机、导轨及运动平台、直线编码器（光栅尺）、驱动器、控直线电机平台(1)制器等部分组成。其中，直线电机与直线编码器均安装主电源驱动器直线电机平台电脑霍尔传感器直线编码器控制器直流电源图2 直线电机位移装置简图158环境技术/Environmental TechnologyEnvironmentalTest Equipment环境试验设备在导轨内部，运动平台与直线电机动子相连，其上设计有夹具安装孔，用来与安装光纤光栅应变传感器的夹具（图2 中未画出）相连。驱动器与直线电机、直线编码器相连，结合计算机与控制器实现对直线电机位移装置（直线电机动子）的精确控制。直线电机位移伺服控制原理如图3所示，直线电机为伺服控制系统的控制对象；电流传感器、位置传感器及其信号调理电路等为反馈单元；位置、速度和电流三闭环控制器为控制器；直线电机驱动器的功率驱动电路等为执行单元。通过电流环、速度环、位置环共三层的闭环反馈控制，实现对直线电机推力、速度、位移的实时精确控制。伺服控制系统的核心就是控制器的设计，而控制器中常用的控制算法为PID控制算法18 。典型的PID算法可由式（2）表示：u(k)=Kp(e(k)+=Kpe(k)+K,式中：e（k）一系统第k次输人偏差；e（k-1）一系统第k-1次输人偏差；u（k）一系统第k次输出；Kp一比例系数;K一积分系数;Kp一微分系数。数字PID的参数设置对伺服控制系统的性能有非常大的影响，通常，伺服系统的控制器可以选择比例（P）控制器、比例积分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器和比例积分微分（PID）控制器，工程中一般根据被控制对象的特点和控制精度等要求来选择采用某种控制器。在运动伺服控制系统中，最常用的控制器为比例积分控制器，即PI控制器，它具有较好的动态特性、能够较好地消除稳态误差，能满足工程中大部分运动控制系统的要求。本文采用的是PI控制器，具体的参数在实际测试中反复调节决定。3无封装FBG应变传感器校准测试在温度为2 2、湿度为50%的实验室环境下，对一个FBGS-S02型的无封装FBG应变传感器进行校准测试。该传感器的标距长度为2 2 0 mm，应变灵敏度系数为TkeC)+e(k)-e(k-1)1)Tde()+Kpe(k)-e(k-1)=1.2。该传感器使用时的允许误差为2。根据传感器的标距长度，可计算出传感器长度每变化0.0 2 2 mm，将产（2)生10 0 的应变。将FBG应变传感器的两端分别粘贴在校准系统的FBG应变传感器安装夹具上，如图1中示意，再将传感器的输出端接人到实验室的一套高精度光波测量系统中（图中未画出）。控制直线电机位移装置，调整直线电机平台的位置以调整FBG应变传感器的初始状态到规定的拉直状态。将此时激光干涉仪测得的距离定义为相对零位，即位移为0 mm，并从光波测量系统中读取并记录FBG应变传感器的输出波长。调整直线电机平台的位置，位置SAS位置VV速度给定控制St位置环电流功率控制控制驱动VfI电流环速度环d/dt图3直线电机伺服控制系统原理图直线电机电流传感器位置传感器运动台2023年6 月/June 2023159环境试验设备EnvironmentalTest Equipment表1FBGS-S02型FBG应变传感器的校准结果位移（mm)-0.44000-0.35200-0.26400-0.17600-0.088000.000000.088000.176000.264000.352.000.44000应变理论值（ue）-2000-1600-1200-800-4000400800120016002000波长（nm）1542.81651543.29661543.77651544.25641544.73661545.21661545.69661.546.17661546.65651547.136 51 547.616 4计算值（ue）-2000.1-1600.0-1.200.1-800.2-400.00.0400.0800.01199.91599.91999.8误差（u）-0.10.0-0.1-0.20.00.00.00.0-0.1-0.1-0.2使FBG应变传感器以40 0 的步进产生应变，即直线电机平台以0.0 8 8 mm的间距移动，从光波测量系统中分别读参考文献：取并记录FBG应变传感器对应的输出波长，并利用FBG1孙浩骏.光纤光栅传感器的应用及发展J中国战略新兴产业，应变传感器的应变灵敏度系数计算出对应波长变化的应变值。所有结果整理并记录于表1中。从表1可以分析得知，校准结果的最大误差为-0.2，满足该传感器2 的允许误差要求。表明所设计的校准系统能够满足无封装FBG应变传感器的校准测试需求。4结论针对无封装FBG应变传感器校准问题，设计了一套主要由高定位精度直线电机位移装置和激光干涉仪组成的高精度无封装FBG应变传感器校准系统，利用该系统对FBGS-S02型的无封装FBG应变传感器进行了校准测试，校准结果的最大误差为-0.2，满足传感器的误差要求，表明该校准系统能够应用于无封装FBG应变传感器的校准测试。2018(4):184+186.2张洪宪.光纤光栅传感器技术及其应用J.重庆科技学院学报（自然科学版）,2 0 0 7,(3):44-46.3李慧鹏，魏晓马，赵庆松，等，一种无封装FBG应变传感器标定方法J.半导体光电，2 0 18,39(6):7 7 0-7 7 3.4曹敏，王恩，李博，等.FBG应变传感器标定过程中的不确定度研究J.传感器与微系统，2 0 16,35(9:30-32.5郑文昊，淡丹辉，程纬.0.1e级高分辨率FBG应变传感器的等强度梁标定方法J.光电子激光，2 0 17 2 8(4):36 5-37 0.6于秀娟，余有龙，张敏.钛合金片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究J.光电子激光，2 0 0 6,17(5):56 4-56 7.7杨霖，郑术力.用于直升机现场计量的低频振动校准技术J.宇航计测技术，2 0 17,37(1):48-54.8 Ang K H,Chong G,Li Y.PID Control System Analysis,Design,and Technology J.IEEE Transactions on Control SystemsTechnology.2005,13(4):559-576.作者简介：郑术力（197 2.0 2-），男，本科，高级工程师，主要从事力学声学计量检测和研究工作。通讯作者：喻桂华（1991.12-），男，硕士，工程师，主要从事振动声学计量检测、信号分析处理工作。160环境技术/Environmental Technology