应变片与传感光纤应变测试对比

01概述

应变片由敏感栅、基底、覆盖层、胶黏剂以及引线五部分组成，金属应变片主要是利用电阻的应变效应进行工作，即通过应变片中金属薄片电阻值的改变量来测量所加外力或由外力所引起的微小形变。

分布式传感光纤由纤芯、包层、涂覆层组成，通过检测光在纤芯内部产生的背向瑞利散射信号来实现整根光纤的传感测量。

为对比应变片与传感光纤的应变测量差异，我们在等强度梁上分别布设应变片与传感光纤，采用应变片解调仪和OFDR设备（OSI型号）解调，测量两种传感器在有无缺陷位置处的应变值。

02测试过程

1)设备及工具：OSI设备、应变解调仪、5mm宽裂缝的等强度梁、30mm应变片、50mm应变片、3mm应变片和耐弯曲聚酰亚胺（PI）光纤。 2)传感器布设如图1所示。将PI耐弯曲光纤布设在等强度梁表面正中间，30mm和50mm应变片正中心位置粘贴在等强度梁裂缝上，布设在光纤一侧，在另一侧将2*3mm应变片粘在裂缝正中间和裂缝边缘；再在无缺陷部位布设30mm、50mm和2*3mm应变片。其中1、2、3、4是2*3mm应变片，5、6是30mm应变片，7、8是50mm应变片。

图1 应变片与光纤布设示意图

表1 应变片与光纤参数及布设位置

3)将布设好的等强度梁放置在水平桌面上，传感器分别连接OSI-S设备和应变解调仪，在初始状态选取参考。

图2 测试样品实物图

4)OFDR设备测量整根光纤的应变分布，为方便后续数据提取与处理分析，需提前定位各个应变片与光纤的对应位置。 5)在等强度梁自由端采用砝码逐级加载，OSI-S设置空间分辨率为1mm、保存数据命令为100g、200g、300g等，应变解调仪保存为YBP+日期。 6)将3mm、30mm、50mm应变片对应光纤段内的所有传感点的应变数据进行平均，以此作为光纤的测量结果，与应变片测量数据进行对比。

03测试结果

测试时每次逐级增加/减少100g砝码进行加载，记录应变片与光纤测得的应变值，分析应变片与光纤的应变结果，并绘制成图3和图4。

图3 应变片（1~4）与光纤的平均应变对比

应变片（1~4）敏感栅长度为2*3mm，应变片1一半布设在裂缝处，应变片2布设在裂缝边缘，应变片3完全布设在裂缝位置，应变片4位于等强度位置。对比应变片1~3结果，随着应变片与裂缝的接触面增大，应变片与光纤测得应变差异均逐渐增大。 

图4应变片（5~8）与光纤的平均应变对比

应变片5、7敏感栅长度分别为30mm、50mm，其正中心位置布设在裂缝处；应变片6、8敏感栅长度分别为30mm、50mm，布设在等强度位置。对等强度位置的应变片4与光纤测得应变数据进行线性分析，计算得到应变片与光纤应变系数比为1.08。带入系数后进行数据分析，等强度位置的应变片与光纤测试结果基本一致，差值小于1%。

统一系数后，应变片3、5、7（裂缝处）及其对应位置光纤应变结果对比如图5所示。应变片5、7与统一系数后的光纤应变基本一致，差值在4%以内，应变片3（3mm）测得应变为光纤应变的1.5倍。 

图5 统一应变系数后应变片与光纤应变的对比

加载500g砝码时，应变片3测得应变远大于光纤应变结果；而位于裂缝段的30mm应变片与50mm应变片测得应变小于光纤应变。

图6 500g加载时，应变片3、5、7与光纤应变的对比

04实验结论

1）统一系数后，等强度位置处的应变片与光纤应变测试结果相同，差值小于1%。

2）裂缝位置处布设应变片与分布式光纤传感器，随着应变片与裂缝接触面增大，应变片与光纤应变测量结果的差异逐渐增大，而且应变片敏感栅长度对应变片的测量结果有影响。30mm、50mm应变片测得应变与光纤基本一致，差值在4%以内。

3）应变片测得结果是平均值，随着敏感栅长度的增加，其测得应变结果减小。在选取应变片时，建议选择敏感栅长度与测量范围相接近的应变片，确保测量数值真实、准确。

来源：大话光纤传感

审核编辑：汤梓红