[发明专利]三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法

说明书

本发明公开一种三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法，包括：标定全部三向光纤光栅应变花传感器夹持位移灵敏度；对标定后的三向光纤光栅应变花传感器进行一致性安装；抽样标定三向光纤光栅应变花传感器应变传递系数；获得标定公式，实现对三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定。本方案采用基于夹持位移和等强度梁标定相结合的方式，标定每一只光纤光栅应变传感器的夹持位移灵敏度系数，并单独标定应变传递系数，获得传感器的应变灵敏度，解决了抽样标定时传感器加工不一致导致的测量误差，通过一致性安装工艺，可以保证所有被安装传感器的应变传递系数的一致性，有效提高应变测量精度，为结构体三向应变的高精度测量提供重要保障。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种解决大批量三向光纤光栅应变花传感器高一致性标定与安装的方法。

背景技术

飞行器在飞行过程中，需要对飞行器自身舱体或罐体的最大主应变进行监测，从而起到安全预警作用。对于最大主应变的获取，常常将光纤光栅应变传感器以三向应变花的模式粘贴在待测体表面，进而把相关测量结果带入计算公式便可得到最大主应变。

例如，在待测点O处完成三向光纤光栅应变花传感器安装，完成三向应变测量，三向角度分别为α₁、α₂、α₃，ε_x、ε_y为待测点沿坐标轴x和y方向的应变，γ_xy为剪应变。三向之间的夹角可以选择45°、60°等多个角度，以45°三向测量为例，α₁＝0°，α₂＝45°，α₃＝90°，ε_x＝ε_0。，ε_y＝ε_90。，γ_xy＝2ε_45°-(ε_0°+ε_90°)，可得到最大主应变ε_max表达式为：

当前，一些研究者研究了胶粘剂的选择对粘贴效果的影响，例如吴俊和陈伟民等选用铅作为粘接层材料将FBG固定在金属表面，并分别通过公式计算及有限元模拟得出粘接层应变传递效率达到了0.98左右。周红和乔学光等人在Si₃N₄中掺入纳米SiO₂、TiO₂和SiC粒子，制备出适用于FBG传感器粘贴和封装的无机胶黏剂，使得光纤光栅更加适合在恶劣的环境中应用；马收等人利用自制的环氧胶膜E310A，将FBG传感器的温度响应性提高了2倍。

上述研究结果偏重于理论研究，对于真实环境中的结构体，例如空间站舱体，往往需要在大面阵结构体中粘贴成百上千个光纤光栅三向应变传感器，为了光纤光栅的安全性和可靠性使用，所有的传感器都带有金属基底作为保护；而因舱体无法像等强度梁一样进行加载不同砝码进行传递系数标定，这意味着贴装后的光纤光栅应变传感器无法在舱体上进行标定，只能带入传感器在地面标定过程中的应变传递系数来获得结构体最终的三向应变测量值，进而求得结构体的最大主应变，而此种方式则会带来两个重要问题：

(1)采用胶粘安装方式的表贴式光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数会受待测结构材料、传感器封装基底材料、胶粘强度的影响引起应变传递效率不同而变化，进而导致应变测量结果产生偏差；

(2)三向光纤光栅应变花传感器在标定后，需要通过胶粘方式安装在待测体表面，在安装过程中，胶粘量控制、涂胶均匀性控制、涂胶气泡控制、涂胶部位偏差、胶干时间控制、涂胶后按压力控制、胶粘剂溢出基底控制等因素，都会导致飞行器上每个光纤光栅应变传感器的参数不同，因此带入同一个光纤光栅应变传感器制备过程中的地面标定数值会带来较大的误差，最终得到的结构体主应变数值就会不准，这在航空航天上具有较大的安全隐患。

发明内容