FBGS在纺织复合材料中的传感机理.pdf

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1、第2 5 卷第4 期 2 0 0 4 年8 月 纺织学报 J o u m a lo f7 F e x t i l eR e s e a I h V 0 1 2 5 N o 4 A u g ，2 0 0 4 F B G S 在纺织复合材料中的传感机理 杨 斌1 俞建勇3 ( 东华大学纺织学院，上海，2 0 0 0 5 1 ) 陶肖明2 ( 香港理工大学纺织制衣学院) 摘要：介绍纤维布拉格光栅传感器( F B G s ) 埋人纺织复合材料中的可行性，分析应变、温度测量的传感机理，并对存在问题提出了 探讨。结果表明：F B G s 埋人复合材料中是可行的，F B G s 能对物体的应变及温度进行测量

2、。 关键词：纤维布拉格光栅传感器( F B G s )测量应变温度 中圈分类号：T S1 0 1 8文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 1 2 0 0 4 ) 0 4 0 0 5 4 0 2 光导纤维体积小而重量轻，与纱线兼容并易于 埋人，甚至可以织人织物内部，因此是构成纺织复合 材料检测网络的最有潜力的元件材料。由于绝大多 数光纤传感器是基于干涉方法，检测能力有一定限 制2 1 ，而光纤布拉格光栅( F B G ) 具有光纤的小巧、 柔软、抗干扰能力强及光栅的波长分离能力强等双 重优点，故受到世界各国广泛重视，并进一步发展了 利用掺杂光纤对紫外光的强吸收性，即将空间光场

3、呈周期性分布的强紫外光从侧面直接照射光纤，使 纤芯的折射率沿轴向呈现出周期分布，从而得到光 纤布拉格光栅，光栅周期或折射率变化将引起反射 光波长的变化。应变引起的膨胀和收缩使光栅周期 发生变化且产生应变一光效应，从而影响布拉格响 应。温度引起的膨胀和收缩使光栅周期发生变化且 产生热一光效应，也影响布拉格响应。 1 应变及温度传感机理 由A = 2 n 以，A A = A A + n n ，A 以= L = e ，贝0 ： A A = e + n n 式中，n 为折射率变化；以为栅距变化；为光纤 的轴向应变。 A ，n 在不同的偏振方向有不同的值，以下标i = 1 ，2 ，3 来表示，则： A

4、。A = I + n 。，n 。 应变则以下标= l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 来表示，_ = 1 ，2 ， 3 表示z ，z3 个方向的应变，f = 4 ，5 ，6 表示剪切 应变。光纤应变由热膨胀和应力引起，因此用符号 e 。表示仅由应力引起的应变，折射率与温度和应变 e 有关，则： 等= 击军等j + 舞r n i n i 掣a j1 a 7 一 根据光应变理论b ： 去军等? = 一等军即? 这里，P ；，为基体的光应变系数，假定折射率n 与温 度r 成线性关系，热光系数车= a n 。ar 。 因为光为横波，因此只有在2 ，3 横向方向的折 射率变化引起布拉格波长的转移，由此可以

5、求得在 2 ，3 方向上的波长转移为： 譬：e 。一事P 1 1e f + P 1 2 ( e 1 * + e 川+ f r 等= e 。一孚 P I 一+ P 1 2 + 引 + f r 一般情况下，布拉格光栅传感器的波长转移可 以在光纤的3 个主要应变分量上的每个特征偏振模 上观察到。S i r k i s 和H a s l a c k Ho 发展了B u t t e r 和H o c h e r s b l 模型，对于干涉型光纤传感器其结果与实验非 常接近哺 。若光纤为一热均匀材料即热膨胀系数a 为一常数，j = e J a r ( = l ，2 ，3 ) ，则A ：A ：与 出，A ，

6、可写成相同的形式： 竿呐 一孚 P 1 2 + 詈c ：， ) + 口冬( P l 。+ 2 P 1 2 ) r + e r ：启1 + 亭。T 而 ，：一萼 P 1 2 + 詈c 凡以。) 搴。：拿+ 口笔F ( P l l + 2 P 1 2 ) 这里，厂为传感器的灵敏度系数，亭。为修正的热光 系数。 1 1 灵敏度系数 ，：1 一等 P 。：一u 。( P ，。+ P 。：) 式中u 。= 一：。为有效泊松系数。 图1 为灵敏度系数对有效泊松系数u 。的函 数曲线，由B e T 1 0 l d s 和P 蛐d i l i k e r 【“ 提供的光纤材料 万方数据 PDF Waterma

7、rk Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 4 年第4 期 纺织学报【5 5 】 挎 O 8 飞 o ：。 1 5 1一O 5OO 5l1 5 V 图1 灵敏度系数，对有效泊松系数u 。的函数曲线 参数可计算出：，) u 。= 0 1 7 ，= 0 7 9 8 ：假设有效泊 松系数与纤维材料的泊松系数相同，灵敏度系数为 o 7 9 8 ，这也是许多F B G s 制造商的推荐值；2 ) u = 一1 ，厂= 0 3 4 4 ：当光纤3 个主要方向的应变相等，相 当于受到1 个静态

8、的均匀应力或仅受热膨胀作用； 3 ) u 。= 0 0 ，厂= 0 7 3 2 ：即没有横向变形。因此当用 F B G s 作为包埋传感器时，必须就横向应变作灵敏度 系数校正，否则只有当光纤的横向应变对基体应变 场不敏感时，灵敏度系数才可作为常数。 1 2 温度补偿 理想状态下，A A 中测量的应变e 应能代表 光纤方向基体的应变，则温度补偿可由下式表示：e ， = ( A ，A 一善。r ) ，厂。因为掺锗氧化硅芯热膨胀系 数 近似为8 3 1 0 一，则修正的善。为8 9 6 1 0 一， 若测量应变大于0 0 0 1 ，而温度变化小于1 0 ，则 r ”r 比应变要小1 个多数量级，因此

9、在一些情况 下温度补偿可不考虑。 1 3 温度和应变同时测量 若内部温度未知，则仅由A A 是不可能测出 温度和应变的。目前主要的研究是用2 个对应变和 温度具有不同响应的测量单元传感系数，对不同光 栅类型进行组合，如不同直径、不同布拉格波长、不 同掺杂的F B G s ，混合F B G s 和长周期光栅、F a b r y P e r o t 腔、激发布里渊散布等阻叫“。例如可用双波长 光纤光栅同时测量温度和应变 12 | ，有2 个布拉格波 长A 。、A 。：，并假定应变和温度感生的A 历是线性且 独立无关，则有A ( e ，r ) = a 。e + 口r 丁。 A ( e ，r ) =

10、口。e + r r ( 1 3 ) 这里，a ，与光纤的泊松比、光弹系数和纤芯折 射率有关，断由热膨胀系数和热光系数决定，则式 ( 1 3 ) 可写为： l A 日ll 口。l 口n l l f A 口2f 口。2 a nf r I I 口I 矩阵元可在= O 和r = 0 的情况下分别 测出，则测出A 矾就可解出和丁。 1 4 复用F B G 传感器进行分布测量 当光纤产生轴向应变时，A 的改变导致A 。的改 变，从而引起输出激光波长的变化。由于激光谱线极 窄，因而测量分辩率很高。A 。是由A 决定的，而每一 个A 。仅在全光谱中占据很窄一部分，如将不同A 的 布拉格光栅制作在同一光纤的不同

11、位置上，则各个布 拉格光栅的特征波长A 。占据全光谱中的不同波长而 互不干扰，由此可形成复用式应变传感方式。 2 结 论 1 通过F B G S 埋入复合材料中的可行性分析， 认为F B G s 埋入复合材料中是可行的，F B G s 能对物 体的应变及温度进行测量。 2 用F B G s 可进行温度、应变同时测量，用复用 F B G S 可进行分布测量。 参考文献 1S i r k k i sJS C o m p l e t eP h a s e _ s t m i nR e J a t i o nf o fS c n 工c t u m l l yI n c e g r a t e d I

12、n t e r f e m m e t r i c0 p t i c a lF i b e rS t r a i nS e n s o r s JI n t e l lM a t e rS y ss t n l c t ， 1 9 9 l ( 1 ) ：3 2 5 2 J e n 8 e nDW V a l i d 砒i o no fA c t i v eS t m i nM e a s u r e m e n t si nC o m p o s i t e s U s i n gM a c h - Z e h n d e rI n t e r f e r o m e t r yw i t h

13、E I n b e d d e dO p t i c a lF i b e r s J R e i f 血r c e dP l a s c sC o “P 0 s i t e s ，1 9 9 3 ( 3 ) ：2 6 8 2 8 4 3B u t t e rcDe ta 1 F i b e rO 幽c ss t r a i nG 越J g e A p p l 吣1 9 7 8 ( 1 7 ) ：28 6 7 2 8 6 9 4S i r k i sJSe ta 1 F u l lP h 聃e s t r a i nR e l a t i o nf o rS t n l c t u r a l

14、 l yE I I l b e d d e dI n t e r f e m m e t r i c0 p t i cF i b e rS e n s o r s P m c e e d i “g so ft h eS P I E ，1 9 9 0 ( 1 3 7 0 ) ：2 4 8 2 5 9 5 Y o I l l o “gY ue ta 1 F i b e rB m 鲳G r a t i n gS e n s o rf o rS i m u l t a n e o u sM e a s u r e - m e n to fD i s p l a c e m e n ta n dT e

15、m p e r a t u r e 0 p t i c 8L e t t e r 8 ，2 ( ) o o ( 1 6 ) ：l1 4 1 一1 1 4 3 6J a e k s o nDAe ta 1 F i b e rO p t i cS e n 8 0 r 8 P o tA c t a ，1 9 8 6 ：1 4 6 9 1 5 0 3 7B e r t l l o l d sAe la 1 D e e 兀l l i 瑚j o no fl b eI n d j v j d u a lS t r a i n - o p “c a lC 枷一 c i e n t si ns i n g l

16、e m o d eO p t i cF i b e r s I E E EJL i g h t w a v eT e c h n o l o g y ，1 9 8 8 ( 6 ) ：1 7 2 0 8B a i O uG u a ne ta 1 s i m u l t 明e o u sS t r a i na n dT e m p e r a t u r eM e a 8 u r e m e n t U 8 i n gaS u p e r s t n l c t u r eF i b e rB m 鹤G r a t i “g P h o t o n i c 8T e c h n o l o g

17、 yI J e t t e r s ，2 0 0 0 ( 6 ) ：6 7 5 6 7 7 9 W e i C h o n gD ue ta 1 F i b e rB r a 鹤G m t i “gC a v i t yS e n s o rf o rS i m u l t a I l e o u s M e a 8 u r e m e n t0 fS t r a i na n d7 r e m p e r a t u r eP h o t o n i c sT e c h n o l o g yL e t t e r s ， 1 9 9 9 ( 1 ) ：1 0 5 一1 0 7 1 0S

18、W J 蛐e se ta 1 S i m u l t a n e o u 8I n d 印e n d e n tT e m p e r a t u r ea n dS t r a j n M e a s u r e m 即lU s i n gj n f i b e rB r a g gG r a l j “gS e n 8 0 r s E 1 e c t r o n j c sk t t e r s ， 1 9 9 6 ( 1 2 ) ：1 1 3 3 1 1 3 4 1 lS t i r i sE K 肌e l l o p o u l o se ta 1 s i m u l t a n e

19、o u sS t m i na I l dT e m p e r a t u r eS e n s i “gw i t hP h o t o g e n e r a t e di n 一6 b e rG r a t i n g s O p t i c sk t t e r s ，1 9 9 5 ( 3 ) ：3 3 3 3 3 5 1 2X uMG E l e c tL e t t 1 9 9 4 ( J 3 ) ：1 0 8 5 一1 0 8 7 1 3 M o 弛yw w e t8 1 M u l t i p l e x i “gF i b e rB m g g ( ；r a i i “gs e n s o r 8 s P I E ，1 9 9 1 ( 1 5 8 0 ) ：2 1 6 2 2 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark