應變片與傳感光纖應變測試對比

01概述

應變片由敏感柵、基底、覆蓋層、膠黏劑以及引線五部分組成，金屬應變片主要是利用電阻的應變效應進行工作，即通過應變片中金屬薄片電阻值的改變量來測量所加外力或由外力所引起的微小形變。

分布式傳感光纖由纖芯、包層、涂覆層組成，通過檢測光在纖芯內部產生的背向瑞利散射信號來實現整根光纖的傳感測量。

為對比應變片與傳感光纖的應變測量差異，我們在等強度梁上分別布設應變片與傳感光纖，采用應變片解調儀和OFDR設備（OSI型號）解調，測量兩種傳感器在有無缺陷位置處的應變值。

02測試過程

1)設備及工具：OSI設備、應變解調儀、5mm寬裂縫的等強度梁、30mm應變片、50mm應變片、3mm應變片和耐彎曲聚酰亞胺（PI）光纖。 2)傳感器布設如圖1所示。將PI耐彎曲光纖布設在等強度梁表面正中間，30mm和50mm應變片正中心位置粘貼在等強度梁裂縫上，布設在光纖一側，在另一側將2*3mm應變片粘在裂縫正中間和裂縫邊緣；再在無缺陷部位布設30mm、50mm和2*3mm應變片。其中1、2、3、4是2*3mm應變片，5、6是30mm應變片，7、8是50mm應變片。

圖1 應變片與光纖布設示意圖

表1應變片與光纖參數及布設位置

3)將布設好的等強度梁放置在水平桌面上，傳感器分別連接OSI-S設備和應變解調儀，在初始狀態選取參考。

圖2 測試樣品實物圖

4)OFDR設備測量整根光纖的應變分布，為方便后續數據提取與處理分析，需提前定位各個應變片與光纖的對應位置。 5)在等強度梁自由端采用砝碼逐級加載，OSI-S設置空間分辨率為1mm、保存數據命令為100g、200g、300g等，應變解調儀保存為YBP+日期。 6)將3mm、30mm、50mm應變片對應光纖段內的所有傳感點的應變數據進行平均，以此作為光纖的測量結果，與應變片測量數據進行對比。

03測試結果

測試時每次逐級增加/減少100g砝碼進行加載，記錄應變片與光纖測得的應變值，分析應變片與光纖的應變結果，并繪制成圖3和圖4。

圖3應變片（1~4）與光纖的平均應變對比

應變片（1~4）敏感柵長度為2*3mm，應變片1一半布設在裂縫處，應變片2布設在裂縫邊緣，應變片3完全布設在裂縫位置，應變片4位于等強度位置。對比應變片1~3結果，隨著應變片與裂縫的接觸面增大，應變片與光纖測得應變差異均逐漸增大。

圖4應變片（5~8）與光纖的平均應變對比

應變片5、7敏感柵長度分別為30mm、50mm，其正中心位置布設在裂縫處；應變片6、8敏感柵長度分別為30mm、50mm，布設在等強度位置。對等強度位置的應變片4與光纖測得應變數據進行線性分析，計算得到應變片與光纖應變系數比為1.08。帶入系數后進行數據分析，等強度位置的應變片與光纖測試結果基本一致，差值小于1%。

統一系數后，應變片3、5、7（裂縫處）及其對應位置光纖應變結果對比如圖5所示。應變片5、7與統一系數后的光纖應變基本一致，差值在4%以內，應變片3（3mm）測得應變為光纖應變的1.5倍。

圖5統一應變系數后應變片與光纖應變的對比

加載500g砝碼時，應變片3測得應變遠大于光纖應變結果；而位于裂縫段的30mm應變片與50mm應變片測得應變小于光纖應變。

圖6500g加載時，應變片3、5、7與光纖應變的對比

04實驗結論

1）統一系數后，等強度位置處的應變片與光纖應變測試結果相同，差值小于1%。

2）裂縫位置處布設應變片與分布式光纖傳感器，隨著應變片與裂縫接觸面增大，應變片與光纖應變測量結果的差異逐漸增大，而且應變片敏感柵長度對應變片的測量結果有影響。30mm、50mm應變片測得應變與光纖基本一致，差值在4%以內。

3）應變片測得結果是平均值，隨著敏感柵長度的增加，其測得應變結果減小。在選取應變片時，建議選擇敏感柵長度與測量范圍相接近的應變片，確保測量數值真實、準確。

來源：大話光纖傳感

審核編輯：湯梓紅