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(guò)應(yīng)變片中金屬薄片電阻值的改變量來(lái)測(cè)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(guò)檢測(cè)光在纖芯內(nèi)部產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)整根光纖的傳感測(cè)量。

為對(duì)比應(yīng)變片與傳感光纖的應(yīng)變測(cè)量差異，我們?cè)诘葟?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(hào)）解調(diào)，測(cè)量?jī)煞N傳感器在有無(wú)缺陷位置處的應(yīng)變值。

02測(cè)試過(guò)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(wú)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(cè)試樣品實(shí)物圖

4)OFDR設(shè)備測(cè)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(duì)應(yīng)位置。 5)在等強(qiáng)度梁自由端采用砝碼逐級(jí)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(duì)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(cè)量結(jié)果，與應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

03測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)每次逐級(jí)增加/減少100g砝碼進(jìn)行加載，記錄應(yīng)變片與光纖測(cè)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(duì)比

應(yīng)變片（1~4）敏感柵長(zhǎng)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(duì)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(cè)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(duì)比

應(yīng)變片5、7敏感柵長(zhǎng)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(zhǎng)度分別為30mm、50mm，布設(shè)在等強(qiáng)度位置。對(duì)等強(qiáng)度位置的應(yīng)變片4與光纖測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)位置光纖應(yīng)變結(jié)果對(duì)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(cè)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(duì)比

加載500g砝碼時(shí)，應(yīng)變片3測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量結(jié)果的差異逐漸增大，而且應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)變片的測(cè)量結(jié)果有影響。30mm、50mm應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)變與光纖基本一致，差值在4%以內(nèi)。

3）應(yīng)變片測(cè)得結(jié)果是平均值，隨著敏感柵長(zhǎng)度的增加，其測(cè)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(zhǎng)度與測(cè)量范圍相接近的應(yīng)變片，確保測(cè)量數(shù)值真實(shí)、準(zhǔn)確。

來(lái)源：大話光纖傳感

審核編輯：湯梓紅