基于光纤布拉格光栅传感器的光电复合缆绳应变测量

陶冶; 张素侠

doi:doi:10.3788/CJL202047.1010004

中国激光, 2020, 47 (10): 1010004, 网络出版: 2020-10-09

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Strain Measurement of Photoelectric Composite Cable Based on Fiber Bragg Grating Sensor

论文大纲

陶冶 ^1,2张素侠 ^1,2,*

作者单位

¹ 天津大学机械工程学院力学系, 天津 300354

² 天津市非线性动力学与混沌控制重点实验室, 天津 300354

传感器光纤传感器双折射光纤布拉格光栅复合缆绳 sensors fiber optics sensors birefringence fiber Bragg grating composite cable

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摘要

光电复合缆绳是系留无人机的生命线,可以起到电力传输和信号传输的作用。当缆绳内部张力过大时,内部光纤会出现断裂情况,为了掌握缆绳内部的张力分布,需对缆绳的应变进行测量。使用光纤布拉格光栅传感器测量复合缆绳的轴向应变时发现,细长复合缆绳的大幅快速运动容易引起缆绳的局部弯曲,导致反射谱的反射峰出现分裂现象。基于材料力学理论分析了复合缆绳弯曲时反射峰发生分裂的原因,通过实验对理论分析结果进行了验证,并提出了一种改进的测量方法,避免了粘胶和缆绳内部剪力对测量结果的影响,有效提高了轴向应变测量的准确性。

Abstract

Photoelectric composite cable is the lifeline of tethered unmanned aerial vehicle, which transmits power and signal. When the internal tension of the cable is too large, the internal optical fiber will break. In order to monitor the tension distribution inside the cable, it is necessary to measure the strain of the cable. When fiber Bragg grating sensor is used to measure the axial strain of the composite cable, it is found that the large-scale and rapid movement of the slender composite cable will easily cause the local bending of the cable, resulting in the splitting of the reflection peak of the reflection spectrum. Based on the theory of mechanics of materials, the reason why the reflection peak splits during the bending of composite cable is analyzed. The theoretical analysis result is verified by experimental, and an improved measurement method is proposed, which avoids the influence of viscose and internal shear force of cable on the measurement result, and effectively improves the accuracy of axial strain measurement.

1 引言

光电复合缆绳可以保障系留无人机数据的高效传输和电力的充足供应,是系留无人机的生命线。在系留无人机进行快速运动时,缆绳会出现大幅摆动情况,摆动剧烈时缆绳可能会发生断裂,造成重大损失。为保证缆绳的安全使用,必须实时掌握缆绳的应力状态,因此需要对缆绳的应变进行准分布式测量。

光电复合缆绳一般由光纤、输电线、承力层和保护层构成,各层使用的材料不同,且有外膜保护,当各层之间有相对运动时,会出现摩擦挤压情况。为了减小缆绳自重和风带来的荷载,同时满足易于回收的要求,缆绳一般为小直径的柔性绳,具有截面小、易弯曲的特点。在系留无人机大幅度运动情况下,缆绳会交替出现松弛-张紧状态,已有研究表明,在系泊缆索结构中,松弛-张紧情况下缆绳中的突变张力是平均张力的几倍甚至十几倍^[1]。因此,对光电复合缆绳的张力进行监测具有重要意义。缆绳的轴向应变可以反映缆绳的局部受力状态,光纤布拉格光栅(FBG)传感器作为一种比较理想的无源传感器,已广泛应用于长桥损伤识别^[2]、静压桩贯入特性测量^[3]和刀头磨损监测^[4]等领域,可用于对缆绳的轴向应变进行准分布式测量,但FBG受到横向负载作用时反射峰会分裂成两部分^[5]。吴飞等^[6]通过理论和实验分析了横向受力时FBG的反射谱特性,发现在FBG横向受均布压力作用时,反射光谱会发生分裂,分裂点的波长与光栅所受压力呈线性关系,且在一个光栅带宽内,分裂点的移动具有周期性,周期大小基本与中心波长成正比。周恒超等^[7]采用传输矩阵法仿真了FBG横向受力时的反射谱,结果表明,受力位置越靠近光栅中部,FBG的反射率越低。吴俊等^[8]通过有限元仿真了锚头内部非对称横向作用力对FBG传感器性能的影响,结果表明,锥形锚杯横向作用力对FBG应力双折射影响较小。周金龙等^[9]分析了弯曲对D形光纤及FBG波长的影响,得到了波长随弯曲曲率的变化关系。Wang等^[10]发现光栅在弯曲挠度大的情况下采用两点粘贴方案可增加光栅的实用性。王启宇等^[11]根据耦合模理论研究了横向压力作用下FBG的反射偏振相关损耗特性,表明了反射偏振相关损耗峰值和峰位变化曲线在一定范围内均有很好的线性关系。Su等^[12]研究了局部压力下FBG的偏振相关损耗光谱特性,并分析了载荷长度和载荷位置对次峰振幅和波长的影响。Zhang等^[13]研究了粘结层对FBG反射光谱波峰分裂的影响,认为表面粘合FBG传感器的粘合层是其在大应变测量应用的主要限制因素。FBG是一种波长选择反射器,反射出的是单一波长的光,双折射使反射谱的反射峰发生分裂,产生了偏振模色散,即双折射色散。Shlyagin等^[14]通过白光光谱干涉法得到保偏光纤的双折射色散,可以在样品内的任何位置测量模态双折射。Li等^[15]针对保偏光纤的双折射色散特性,提出了一种提高光纤空间分辨率和幅度精度的方法。Tang等^[16]提出了测量保偏光纤双折射色散的新方法并实现了分布式测量。Xu等^[17]研究了双折射色散对分布式光纤应力传感器的影响,发现由双折射色散导致的应力和耦合强度的关系随外力位置的变化而变化,且分布式应力传感器的空间分辨率随传输距离的增加会明显下降。刘峰等^[18]研究了存在偏振模色散和群时延抖动时非理想线性啁啾光纤光栅的色散补偿特性。傅永军等^[19]研究了光纤光栅的偏振模,并提出了制作低偏振模色散补偿器的方法。

目前使用FBG测量应变时很少考虑横向应力的影响,而FBG随光电复合缆绳弯曲的过程中,既会产生轴向应力,也会受到横向应力作用。因此,本文通过材料力学理论分析了复合缆绳弯曲时FBG反射峰发生分裂的原因,通过实验对理论分析结果进行验证,并提出了一种改进的测量方法,提高了轴向应变测量的准确性。

2 理论推导与分析

假设缆绳与梁的弯曲类似,满足平面假设和单向受力的假设条件。缆绳纯弯曲时,横截面的正应力可表示为

σ = \frac{My}{I_{z}}, (1)

式中,M为在缆绳两端施加的力矩,y为所求应力点到中性层的距离,I_z为横截面对中性轴的惯性矩。

图1为光电复合缆绳的截面示意图,其中,PBT为聚对苯二甲酸丁二醇酯,内部电源线的抗弯刚度比外部的聚乙烯(PE)皮套抗弯刚度大。当光电复合缆绳弯曲时,由于内部材料的抗弯刚度不同,内部会出现相互挤压现象,由切应力互等定理可知,此时复合缆绳的外表皮微元上存在切应力。粘贴在缆绳外表皮的FBG如图2所示。

图 1. 光电复合缆绳的截面示意图

Fig. 1. Cross-sectional schematic diagram of a photoelectric composite cable

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图 2. 粘贴FBG传感器的光电复合缆绳

Fig. 2. Photoelectric composite cable with FBG sensor

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假设光栅与缆绳紧密贴合,即光栅的应变与缆绳的应变相同,则光栅会受到横向应力F的作用,如图3所示。

图 3. 光纤横截面受到的横向作用力F

Fig. 3. Lateral force F on the fiber cross section

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直径为D的光纤中,任意一点A(x,y)在x和y方向的横向应力σ_x和σ_y可表示为

\begin{array}{l} σ_{x} = - \frac{2 F}{π L} \{\frac{x^{2} (\frac{1}{2} D + y)}{{[x^{2} + {(\frac{1}{2} D + y)}^{2}]}^{2}} + \frac{x^{2} (\frac{1}{2} D - y)}{{[x^{2} + {(\frac{1}{2} D - y)}^{2}]}^{2}} - \frac{1}{D}\}, (2) \\ σ_{y} = - \frac{2 F}{π L} \{\frac{{(\frac{1}{2} D + y)}^{3}}{{[x^{2} + {(\frac{1}{2} D + y)}^{2}]}^{2}} + \frac{{(\frac{1}{2} D - y)}^{3}}{{[x^{2} + {(\frac{1}{2} D - y)}^{2}]}^{2}} - \frac{1}{D}\}, (3) \end{array}

式中,L为FBG的长度。由文献[ 20]可知,弯曲时由光纤纤芯椭圆度引起的双折射与弯曲应力引起的双折射相比非常小,因此,只考虑弯曲应力引起的双折射,认为FBG上的横向应力与中心线(x,y)=(0,0)时的横向应力相同,可表示为

\begin{array}{l} σ_{x} = \frac{2 F}{π LD}, (4) \\ σ_{y} = - \frac{6 F}{π LD} 。 (5) \end{array}

设FBG的轴向应力为σ_z,由广义胡克定律得到FBG在三个方向的应变为

\begin{array}{l} ε_{x} = \frac{1}{E} [σ_{x} - μ (σ_{y} + σ_{z})], (6) \\ ε_{y} = \frac{1}{E} [σ_{y} - μ (σ_{x} + σ_{z})], (7) \\ ε_{z} = \frac{1}{E} [σ_{z} - μ (σ_{x} + σ_{y})], (8) \end{array}

式中,E为光纤材料的弹性模量,μ为泊松比。

FBG的弹光效应可表示为

[\begin{array}{l} Δ n_{x} \\ Δ n_{y} \\ Δ n_{z} \end{array}] = - \frac{{n_{eff}}^{3}}{2} \cdot [\begin{array}{l} p_{11} & p_{12} & p_{12} \\ p_{12} & p_{11} & p_{12} \\ p_{12} & p_{12} & p_{11} \end{array}] \cdot [\begin{array}{l} ε_{x} \\ ε_{y} \\ ε_{z} \end{array}], (9)

式中,p₁₁、p₁₂为光纤材料的弹光系数,n_eff为光纤光栅的初始有效折射率,Δn_x、Δn_y、Δn_z分别为沿x、y、z方向的折射率变化量。将(6)式~(8)式代入(9)式,得到FBG各项折射率的变化量为

\begin{array}{l} (Δ n_{eff})_{x} = - \frac{n_{eff}^{3}}{2 E} {(p_{11} - 2 μ p_{12}) σ_{x} + [(1 - μ) p_{12} - μ p_{11}] (σ_{y} + σ_{z})}, (10) \\ (Δ n_{eff})_{y} = - \frac{n_{eff}^{3}}{2 E} {(p_{11} - 2 μ p_{12}) σ_{y} + [(1 - μ) p_{12} - μ p_{11}] (σ_{x} + σ_{z})}, (11) \\ (Δ n_{eff})_{z} = - \frac{n_{eff}^{3}}{2 E} {(p_{11} - 2 μ p_{12}) σ_{z} + [(1 - μ) p_{12} - μ p_{11}] (σ_{x} + σ_{y})} 。 (12) \end{array}

由文献[ 5]可知,x、y两个方向上的波长漂移量为

\begin{array}{l} Δ λ_{B x} = - \frac{n_{eff}^{3} Λ}{E} {(p_{11} - 2 μ p_{12}) σ_{x} + [(1 - μ) p_{12} - μ p_{11}] (σ_{y} + σ_{z})} + 2 \frac{n_{eff} Λ}{E} [σ_{z} - μ (σ_{x} + σ_{y})], (13) \\ Δ λ_{B y} = - \frac{n_{eff}^{3} Λ}{E} {(p_{11} - 2 μ p_{12}) σ_{y} + [(1 - μ) p_{12} - μ p_{11}] (σ_{x} + σ_{z})} + 2 \frac{n_{eff} Λ}{E} [σ_{z} - μ (σ_{x} + σ_{y})], (14) \end{array}

式中,Λ为FBG的光栅周期。FBG的双折射的大小为

\begin{array}{l} Δ n = (Δ n_{eff})_{x} - (Δ n_{eff})_{y} = \\ - \frac{4 F n_{eff}^{3}}{π ELD} (p_{11} - p_{12}) (1 + μ) 。 (15) \end{array}

由双折射引起的两偏振态波长差值为

Δ λ = 2 Δ nΛ 。 (16)

对于群时延(GD),假设x轴为慢轴,y轴为快轴,则

x_{GD} (λ) = y_{GD} (λ + Δ λ) 。 (17)

两偏振方向上光波的群时延差为

\begin{array}{l} X_{DGD} (λ) = |x_{GD} (λ) - y_{GD} (λ)| = \\ |C| Δ λ = |C| \frac{Δ n}{n_{eff}} λ, (18) \end{array}

式中,C为FBG的色散系数,可表示为^[21]

C = \frac{2 n_{eff} L}{c Δ λ}, (19)

式中,c为光速。双折射现象会导致两个偏振方向的光程出现差异,即历经不同散射路径的折射特性会表现出色散差异。

3 实验验证及结果分析

实验使用的复合缆绳为10AWG特软硅胶线,其横截面积为5.3 mm²,内部为镀锡铜线,横截面积为3.9 mm²。测量仪器为北京基盛公司的GS-YB-FBG-I型光纤光栅波长解调仪,其波长范围为1525~1585 nm,扫描频率为200 Hz,重复精度为±1 pm,光强的最低阈值为3000 cd。将FBG粘贴在缆绳的外表面,FBG的长度为2.10 cm,粘胶长度为2.50 cm,粘胶的主要成分为环氧树脂,如图4所示。该胶体凝固后较硬,抗弯刚度比复合缆绳大。将硅胶线紧贴在直径为d₁的圆柱上并确定缆绳的弯曲程度,通过光纤光栅解调仪观测FBG的波长漂移量。

图 4. 粘贴在复合缆绳上的FBG传感器

Fig. 4. FBG sensor pasted on the composite cable

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表 1. 粘贴在胶皮表面的FBG波长漂移量

Table 1. Wavelength drift of FBG pasted on the rubber surface

Curvature radius /mm	Initial valueλ₀ /nm	Maximum value λ_m /nm		SteadyFBG1 λ_s /nm	AverageFBG2 λ_a /nm	Wavelength shift Δλ /nm
Curvature radius /mm	Initial valueλ₀ /nm	FBG1	FBG2	SteadyFBG1 λ_s /nm	AverageFBG2 λ_a /nm	FBG1	FBG2
50.02	1564.1697	1565.4012	1565.4483	1565.1530	1565.2046	0.9833	1.0349
45.01	1564.1771	1565.4927	1565.5745	1565.2027	1565.2788	1.0256	1.1017
40.04	1564.1583	1565.9230	1566.1008	1565.6928	1565.7577	1.5345	1.5994
35.01	1564.1516	1566.0073	1565.8387	1565.5198	1565.6402	1.3682	1.4886
30.03	1564.1630	1566.3853	1566.4726	1566.2689	1566.2847	2.1059	2.1217
25.00	1564.1487	1566.4569	1566.8587	1566.0418	1566.4784	1.8931	2.3297
20.03	1564.1322	1567.6144	1567.7252	1567.3874	1567.4358	3.2552	3.3036

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表 3. 使用705软硅胶封装的FBG波长漂移量

Table 3. FBG wavelength drift using 705 soft silicone package

Curvatureradius /mm	Initial wavelengthλ₀ /nm	Maximum wavelengthλ_m /nm	Steady wavelengthλ_s /nm	Wavelength shiftΔλ /nm
50.02	1564.1182	1564.8247	1564.7060	0.5878
45.01	1564.1231	1564.8730	1564.7915	0.6684
40.04	1564.1207	1564.9846	1564.9027	0.7820
35.01	1564.1194	1565.1855	1565.0625	0.9431
30.03	1564.1205	1565.3824	1565.1978	1.0773
25.00	1564.1226	1565.6981	1565.3792	1.2566
20.03	1564.1214	1565.9744	1565.6867	1.5653

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表 2. 粘贴在铜芯上的FBG波长漂移量

Table 2. Wavelength drift of FBG pasted on the copper core

Curvature radius /mm	Initial valueλ₀ /nm	Maximum value λ_m /nm		SteadyFBG1 λ_s /nm	AverageFBG2 λ_a /nm	Wavelength shift Δλ /nm
Curvature radius /mm	Initial valueλ₀ /nm	FBG1	FBG2	SteadyFBG1 λ_s /nm	AverageFBG2 λ_a /nm	FBG1	FBG2
50.02	1564.1119	1564.4705	1564.7631	1564.3064	1564.5705	0.1945	0.4586
45.01	1564.1661	1564.6783	1564.6907	1564.3902	1564.4263	0.2241	0.2602
40.04	1564.1519	1564.7126	1564.9375	1564.4057	1564.5046	0.2538	0.3527
35.01	1564.1859	1564.7577	1564.7623	1564.4030	1564.5212	0.2171	0.3353
30.03	1564.1453	1564.6126	1564.9738	1564.4373	1564.6606	0.2920	0.5153
25.00	1564.1567	1564.6389	1565.1233	1564.4586	1564.7432	0.3019	0.5865
20.03	1564.1755	1564.8346	1565.4011	1564.5189	1564.7233	0.3434	0.5478

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实验使用的FBG中心波长均为1564 nm,实验开始前保持缆绳平直约2 s,将贴有FBG的缆绳紧贴在圆柱上约2 s,并在之后的3 s内将缆绳沿圆柱弯曲并保持紧贴的弯曲状态10 s。光纤光栅解调仪的积分时间为20 ms,d₁由100.04 mm递减为40.06 mm,变化间隔为10 mm,通过改变d₁的大小,得到波长漂移量。粘贴在胶皮表面的FBG波长漂移实验结果如表1所示,粘贴在铜芯上的FBG波长漂移实验结果如表2所示。其中,λ₀为缆绳平直时FBG的波长示数,λ_m为缆绳弯曲过程中FBG的最大波长示数,λ_s为缆绳弯曲在圆柱后稳定状态下的FBG波长示数。双折射会导致解调仪中出现2个波长示数FBG1和FBG2,缆绳保持弯曲状态时FBG2表现不稳定,因此,用光电复合缆绳保持弯曲状态时FBG波长示数的平均值λ_a作为其波长漂移量,波长漂移量Δλ为λ_s或λ_a与λ₀的差值。

表 4. FBG的回差实验结果

Table 4. Backlash test results of FBG

Curvature radius /mm	1st		2nd		3rd
Curvature radius /mm	Forward /nm	Backward /nm	Forward /nm	Backward /nm	Forward /nm	Backward /nm
50.02	1564.7057	1564.7068	1564.7061	1564.7067	1564.7054	1564.7065
45.01	1564.7909	1564.7941	1564.7907	1564.7944	1564.7909	1564.7942
40.04	1564.9027	1564.9131	1564.9023	1564.9136	1564.9022	1564.9138
35.01	1565.0625	1565.0783	1565.0622	1565.0787	1565.0624	1565.0784
30.03	1565.1978	1565.2194	1565.1974	1565.2193	1565.1977	1565.2189
25.00	1565.3792	1565.3921	1565.3789	1565.3927	1565.3790	1565.3925
20.03	1565.6862	1565.6887	1565.6863	1565.6882	1565.6859	1565.6885

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表 5. FBG的反向弯曲实验结果

Table 5. Reverse bending experiment result of FBG

Curvatureradius /mm	Initial wavelengthλ₀ /nm	Minimum wavelengthλ_m /nm	Steady wavelengthλ_s /nm	Wavelength shiftΔλ /nm
50.02	1564.1712	1563.5793	1563.6076	-0.5636
45.01	1564.1686	1563.4520	1563.5005	-0.6681
40.04	1564.1657	1563.2501	1563.4309	-0.7348
35.01	1564.1749	1563.1944	1563.3695	-0.8054

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从表1和表2可以看出,FBG的波长变化没有出现一个向中心波长左侧、一个向中心波长右侧移动的情况^[6],均是向中心波长右侧移动,即波长均增大。根据(13)式和(14)式可知,由于轴向应力的存在,波长的漂移量均为正值。当缆绳弯曲的曲率半径为40.04 mm时,贴在表皮和贴在铜芯上的FBG波长随时间的变化曲线分别如图5和图6所示。

图 5. 粘贴在胶皮上的FBG波长变化曲线(d₁=80.08 mm)

Fig. 5. Wavelength variation curve of FBG pasted on the rubber surface (d₁=80.08 mm)

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图 6. 粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=80.08 mm)

Fig. 6. Wavelength variation curve of FBG pasted on the copper core (d₁=80.08 mm)

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从图5和图6可以看出,在动态弯曲过程中两个FBG均会出现双折射现象。在动态弯曲过程结束、缆绳保持固定曲率半径的情况下,粘贴在表皮的FBG出现稳定的双折射现象,粘贴在铜芯上的FBG不会出现稳定的双折射现象。这表明当缆绳保持稳定弯曲状态时,铜芯基底的FBG测量效果比软硅胶表皮基底的FBG测量效果更好,但缆绳处于动态弯曲过程时,两种基底均会出现双折射现象。

当缆绳弯曲的曲率半径为20.03 mm时,粘贴在铜芯的FBG波长随时间的变化曲线如图7所示。可以发现,在缆绳处于动态过程时,FBG2出现了部分空白,原因是光纤介质的弯曲导致光强发生损耗和衰减,低于光纤光栅解调仪的最小阈值,但结合FBG波长随时间的变化曲线可认为此时FBG出现双折射现象。结合图6和图7可以发现,基底为铜芯的FBG波长漂移程度随弯曲程度的增大而增大,即曲率半径越小,双折射现象越明显。原因是环氧树脂胶的抗弯刚度比缆绳的抗弯刚度大,在弯曲时环氧树脂胶与缆绳相互挤压,使FBG受到横向应力,导致双折射现象。将环氧树脂胶替换为705软硅胶,该胶凝固后较柔软,易弯曲。使用705软硅胶封装的基底为铜芯、中心波长为1564 nm的FBG波长漂移实验结果如表3所示。

图 7. 用环氧树脂胶粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=40.06 mm)

Fig. 7. Wavelength variation curve of FBG pasted on copper core with epoxy resin glue (d₁=40.06 mm)

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当缆绳弯曲的曲率半径为20.03 mm时,粘贴在铜芯上的FBG波长随时间的变化曲线如图8所示。可以看出,无论缆绳处于动态过程还是保持固定的曲率半径弯曲,使用705软硅胶封装的FBG都没有出现双折射现象。这表明使用FBG对复合缆绳进行应变测量时,胶体的抗弯刚度也会对测量结果产生影响。在不出现双折射的情况下,可使用 $\frac{Δ λ_{B}}{λ_{B}}$ =(1-P_e)·ε计算轴向应变,其中,P_e为FBG的弹光系数,λ_B为FBG的中心波长。

图 8. 用705胶粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=40.06 mm)

Fig. 8. Wavelength variation curve of FBG pasted on copper core with 705 glue (d₁=40.06 mm)

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对该FBG进行三组反行程实验,和之前的正行程实验一一对应,得到FBG的波长漂移结果如表4和图9所示。

图 9. 相对中心波长偏移量与曲率的关系

Fig. 9. Relationship between relative center wavelength shift and curvature

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从图9中可以看出,在回程中存在回差,原因是复合缆绳存在粘弹性和粘塑性,在循环载荷作用下会出现稳定的滞回环^[22-23]。回差可表示为

ξ_{H} = \frac{{|Δ y_{i}|}_{\max}}{Y_{\max} - Y_{\min}} \times 100 %, i = 1,2, \dots 。 (20)

可根据(20)式将各个标定点的数据代入计算,得到的回差大小为2.23%。还可以发现,FBG相对中心波长的偏移量随弯曲曲率的增大而增大,这表明使用软硅胶封装时,基底为铜芯的FBG测量光电复合缆绳弯曲时的轴向应变效果比贴在外表皮且使用环氧树脂胶(抗弯刚度大)封装的FBG好。

使用软硅胶封装时,基底为铜芯的FBG反向弯曲实验结果如表5所示。可以发现,反向弯曲时FBG的稳定值与初值的差随曲率的递增单调递减。当曲率半径为30.03 mm时不再出现示数,因此,使用FBG测量时应尽量避免反向弯曲过大。

4 结论

通过理论推导,解释了细长复合缆绳弯曲时FBG产生双折射的原因,发现由于轴向应力的存在,波长始终向中心波长的右侧移动。通过实验验证了理论分析的正确性,结果表明,如果FBG粘贴在外表皮上或使用凝固后抗弯刚度比光电复合缆绳大的胶体进行封装,缆绳弯曲时FBG会产生双折射现象。而使用软硅胶将FBG封装在裸露铜芯上时,弯曲过程中不会出现双折射现象,且波长变化量随弯曲曲率的增大单调递增,具有较好的规律性,可达到测量细长复合缆绳弯曲时轴向应变的要求。

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基于光纤布拉格光栅传感器的光电复合缆绳应变测量下载： 698次

1 引言

2 理论推导与分析

图 1. 光电复合缆绳的截面示意图

Fig. 1. Cross-sectional schematic diagram of a photoelectric composite cable

图 2. 粘贴FBG传感器的光电复合缆绳

Fig. 2. Photoelectric composite cable with FBG sensor

图 3. 光纤横截面受到的横向作用力F

Fig. 3. Lateral force F on the fiber cross section

3 实验验证及结果分析

图 4. 粘贴在复合缆绳上的FBG传感器

Fig. 4. FBG sensor pasted on the composite cable

表 1. 粘贴在胶皮表面的FBG波长漂移量

Table 1. Wavelength drift of FBG pasted on the rubber surface

表 3. 使用705软硅胶封装的FBG波长漂移量

Table 3. FBG wavelength drift using 705 soft silicone package

表 2. 粘贴在铜芯上的FBG波长漂移量

Table 2. Wavelength drift of FBG pasted on the copper core

表 4. FBG的回差实验结果

Table 4. Backlash test results of FBG

表 5. FBG的反向弯曲实验结果

Table 5. Reverse bending experiment result of FBG

图 5. 粘贴在胶皮上的FBG波长变化曲线(d₁=80.08 mm)

Fig. 5. Wavelength variation curve of FBG pasted on the rubber surface (d₁=80.08 mm)

图 6. 粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=80.08 mm)

Fig. 6. Wavelength variation curve of FBG pasted on the copper core (d₁=80.08 mm)

图 7. 用环氧树脂胶粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=40.06 mm)

Fig. 7. Wavelength variation curve of FBG pasted on copper core with epoxy resin glue (d₁=40.06 mm)

图 8. 用705胶粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=40.06 mm)

Fig. 8. Wavelength variation curve of FBG pasted on copper core with 705 glue (d₁=40.06 mm)

图 9. 相对中心波长偏移量与曲率的关系

Fig. 9. Relationship between relative center wavelength shift and curvature

4 结论

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1 引言

2 理论推导与分析

图 1. 光电复合缆绳的截面示意图

Fig. 1. Cross-sectional schematic diagram of a photoelectric composite cable

图 2. 粘贴FBG传感器的光电复合缆绳

Fig. 2. Photoelectric composite cable with FBG sensor

图 3. 光纤横截面受到的横向作用力F

Fig. 3. Lateral force F on the fiber cross section

3 实验验证及结果分析

图 4. 粘贴在复合缆绳上的FBG传感器

Fig. 4. FBG sensor pasted on the composite cable

表 1. 粘贴在胶皮表面的FBG波长漂移量

Table 1. Wavelength drift of FBG pasted on the rubber surface

表 3. 使用705软硅胶封装的FBG波长漂移量

Table 3. FBG wavelength drift using 705 soft silicone package

表 2. 粘贴在铜芯上的FBG波长漂移量

Table 2. Wavelength drift of FBG pasted on the copper core

表 4. FBG的回差实验结果

Table 4. Backlash test results of FBG

表 5. FBG的反向弯曲实验结果

Table 5. Reverse bending experiment result of FBG

图 5. 粘贴在胶皮上的FBG波长变化曲线(d1=80.08 mm)

Fig. 5. Wavelength variation curve of FBG pasted on the rubber surface (d1=80.08 mm)

图 6. 粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d1=80.08 mm)

Fig. 6. Wavelength variation curve of FBG pasted on the copper core (d1=80.08 mm)

图 7. 用环氧树脂胶粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d1=40.06 mm)

Fig. 7. Wavelength variation curve of FBG pasted on copper core with epoxy resin glue (d1=40.06 mm)

图 8. 用705胶粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d1=40.06 mm)

Fig. 8. Wavelength variation curve of FBG pasted on copper core with 705 glue (d1=40.06 mm)

图 9. 相对中心波长偏移量与曲率的关系

Fig. 9. Relationship between relative center wavelength shift and curvature

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图 5. 粘贴在胶皮上的FBG波长变化曲线(d₁=80.08 mm)

Fig. 5. Wavelength variation curve of FBG pasted on the rubber surface (d₁=80.08 mm)

图 6. 粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=80.08 mm)

Fig. 6. Wavelength variation curve of FBG pasted on the copper core (d₁=80.08 mm)

图 7. 用环氧树脂胶粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=40.06 mm)

Fig. 7. Wavelength variation curve of FBG pasted on copper core with epoxy resin glue (d₁=40.06 mm)

图 8. 用705胶粘贴在铜芯上的FBG波长变化曲线(d₁=40.06 mm)

Fig. 8. Wavelength variation curve of FBG pasted on copper core with 705 glue (d₁=40.06 mm)