09-光纤传感器实例-2

光纤传感器应用实例武汉理工大学机电学院测控系赵燕叶片参数的光纤光栅测量实验叶片运转速度较高传统的应变片测量法，应变片容易脱落，而且其具有质量会影响叶片的动平衡，最后可能导致结果误差很大。光纤光栅传感器结构简单、尺寸小、精度高，可以进行大面积的多点测量（或说分布式测量）而且信号传输也方便。所以实验测量采用的是光纤布拉格光栅(FBG)。20世纪90年代发展起来基础性光纤器件1978年Hill等人第一次报道了用氛离子激光器产生的两束可见光在光纤芯中曝光而产生干涉图样，从而可以形成折射率周期变化的Bragg光纤光栅。1989年，GrreyMeltz等人报道了光纤光栅也可以从光纤的侧面用激光器为光源产生的244nm的紫外光激光束对光纤芯干涉曝光得到光纤Bragg光栅。光纤布拉格光栅(FBG)光纤布拉格光栅(FBG•光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。•光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位。•光纤光栅的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带（透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射。其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。光纤光栅测量原理•当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化。通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化。光纤光栅传感系统组成宽带光源光纤光栅传感器信号解调光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息。外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。光纤导线绕法及传感器布置图1光纤导线绕法图2传感器布置实验平台•PC机一台•光波解调仪器一台•稳压电源一个•准字器一个•外部防护罩子一个•光栅传感器若干•支撑铁板•准字器支撑架•试验风扇叶片4个显示器显示的是静止即初始状态光纤光栅中心波长光纤光栅传感系统中信号解调•光信号处理完成光信号波长信息到电参量的转换，即传感器的中心反射波长的跟踪分析是解调的关键。•电信号处理完成对电参量的运算处理，提取外界信息，并以人们熟悉的方式显不出来。试验设备的调试过程打开中心波长数据处理软件，确认显示的波长个数与传感器布置数目是否一致。观察波长变化量是否稳定。如跳动大且持续时间长，需要检查准字器是否对中和信号线或传感器受外界干扰。如无上述情况，像图中粗线所显示的一样平稳，这时就可以开始加大电压，开始实验。（1）叶片静力测量实验测量实验步骤•组装实验平台•调试信号即打开调试软件，检查4个传感器点是否都有波长信号以及信号是否稳定，调试直到稳定为止。•开机测量，并慢慢将转速调整到要测量的数值。•待测量结束时，先保存数据，再关闭电源；如果需要再测量其他转速时的数据，直接调整转速按钮到目标位置即可。•下图展示的是从实验初始阶段逐步施加转速至1500rpm时，传感器中心波长变化的瞬时图，可以看出随着载荷的增加，中心波长也急剧上升。•实验测量不能直接得到应力，而得到的是光纤光栅中心的波长及其变化情况，将实验数据整理后，结果如后表。位置转速ABCD300rpm10131619600rpm23162935900rpm313038441500rpm110911682672100rpm270227350701叶片裂纹扩展模拟实验•叶片裂纹扩展实验主要通过测量叶片在产生裂纹以后的裂纹附近处应力应变的变化情况，进而研究叶片在疲劳裂纹产生以后的裂纹的扩展规律以及其主要影响参数，以获得裂纹扩展规律并为叶片的结构优化设计和可靠性设计提供依据。叶片裂纹扩展模拟实验•传感器布置情况见图，主要布置在裂纹附近与之平行的地方。试验平台图和前面的静力实验一样，其硬件组成部分比静力实验多一个安全防护罩子。测试试验过程可分为四个阶段：•裂纹仿制——采用人工的方法在叶片根部处割裂一段长28mm，宽0.5mm的细长裂纹。•传感器布置——在带有仿制裂纹的叶片按图所示位置布置传感器。•试验平台组装——与静力测量实验一样，主要包括接线、固定准字器和底座、检查电源以及安装风扇叶片。此外还需要安置一安全防护罩。•开机测试并记录结果，通过变换转速和设定实验测试时间加载循环载荷。•叶片疲劳寿命测量实验•试验时叶片四周用钢板封闭并设置失效报警信号，慢慢加大转速至2100rpm或2700rpm，等其稳定之后，开启光栅波长检测软件，测试试验启动。两叶片断裂位置见图，位于叶片曲率变化的地方。•实验分两组，试验两叶片物理参数完全一致，但试验转速不同，分别为2100rpm和2700rpm。疲劳寿命和断裂应力值转速(rpm)断裂前1秒内max疲劳寿命2100275MPa13h+30min2700303MPa8+20min光纤光栅实验数据处理•实验测量得到的是光栅的波长变化量，还需要借助相关经验公式进行计算，得到应力数据。•波长--应变转换公式：（5-1）•波长--应力转换公式：•（5-2）•其中x是应变，是应力增量即所测应力大小，0是测量光栅的中心波长，0是中心波长变化量，E是材料的弹性模量，Pe是光纤的弹光系数，KS为测量应变的灵敏度。max0000.78x00(1)eSPK谢谢！