摘 要：在材料結(jié)構(gòu)建造的焊接過程中,通常需要對金屬材料應(yīng)變變形及溫度的控制進(jìn)行研究。本文采用光纖Bragg 光柵對鋁合金材料在焊接過程中應(yīng)變及溫度的變化進(jìn)行分布式測量實驗,克服了傳統(tǒng)的焊接高溫的限制以及不能滿足應(yīng)變和溫度同時測量要求的不足。實驗結(jié)果表明,光纖Bragg 光柵可以很好的測量鋁合金材料在焊接過程中應(yīng)變及溫度的變化分布。 關(guān)鍵詞： 光纖Bragg 光柵；應(yīng)變；溫度；分布式測量 1．引言 基于光纖Bragg 光柵的測量系統(tǒng)，具有精確度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，且便于復(fù)用,可以實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點， 還因為其采用波長編碼方式和數(shù)字式測量技術(shù)，有效減少了光路中光源抖動和功率波動帶來的測量誤差，因此現(xiàn)已在許多領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。 焊接是一個局部快速加熱到高溫，并隨后冷卻的過程。隨著熱源的移動，焊件的溫度隨時間和空間急劇變化，材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化[1-2]，而且金屬材料在焊接過程中所受應(yīng)變和失穩(wěn)變形是導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的又一主要原因[3]。為了控制材料結(jié)構(gòu)在焊接過程中的應(yīng)變變形及溫度對材料物理性能的影響，我們首先需要了解金屬材料在焊接過程中應(yīng)變、溫度的變化分布情況。 本文根據(jù)實驗要求介紹了一種基于光纖Bragg 光柵的應(yīng)變、溫度同時測量的方法。根據(jù)FBG 既是敏感元件又是傳光元件的特點[4-5]，大大簡化了傳感探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過將一個通道光柵置于細(xì)鋼管中感受測量點溫度的分布情況，再將另外一個通道光柵固定粘貼在基底上感受相應(yīng)測量點處的應(yīng)變及溫度共同的變化，從而間接的得到測量點的應(yīng)變的分布情況，完成了材料結(jié)構(gòu)在焊接過程中的應(yīng)變及溫度的分布式測量，很好的解決了光纖光柵存在著的應(yīng)變、溫度交叉敏感問題，完成了鋁合金材料結(jié)構(gòu)在焊接過程中的應(yīng)變、溫度的分布式測量。 2．測量原理 光纖Bragg 光柵是一種全光纖無源器件。當(dāng)一束光進(jìn)入FBG 時，它能對波長滿足Bragg反射條件的入射光產(chǎn)生反射。這種反射是一種窄帶反射，其反射譜在Bragg 波長處出現(xiàn)峰值，實質(zhì)上是一個以共振波為中心的窄帶濾波器。 由耦合模理論可知，光纖Bragg 光柵中心反射波長為： 式中n[sub]eff[/sub]為導(dǎo)波模的有效折射率， Λ 為光柵的周期。對式（1）求導(dǎo)可得 由式（2）可見知Bragg 中心波長隨有效折射率n[sub]eff[/sub]和光柵周期Λ 而改變，而折射率和光柵周期的改變與應(yīng)變和溫度有關(guān)。光纖Bragg 光柵對外界應(yīng)變和溫度都是敏感的。在受應(yīng)力時會由于光柵周期的伸縮及彈光效應(yīng)引起中心波長的改變，而溫度的影響則是由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)。 研究表明，力效應(yīng)和熱效應(yīng)對光纖Bragg 光柵波長的影響是相互獨立并線性變化的，光纖Bragg 光柵的中心反射波長的相對變化量與應(yīng)變和溫度的關(guān)系是： 式中， p 為光纖光柵的有效彈光系數(shù)， p = 0.22 ；ε為軸向形變，一般可認(rèn)為；ζ為熱光系數(shù)，對于典型的石英光纖,ζ 一般取8.3×10[sup]-6[/sup]α 為熱膨脹系數(shù)，其一般取0.55×10[sup]−6[/sup] ； ΔT 是溫度變化量，單位是℃。 3．傳感系統(tǒng)設(shè)計 我們采用的是600mm× 600mm×6mm 的鋁合金板，焊縫為橫截面中心線，實驗要求在沿焊縫深度焊接的過程中測量鋁合金板在平行焊縫和垂直焊縫方向上應(yīng)變及溫度的分布。實驗中我們共安排了四個光纖通道，四個通道光纖Bragg 光柵布點圖及光纖光柵連接情況如下圖1 所示，其中在焊縫中心線上方垂直焊縫方向有兩個通道，共四個測量點，分別對應(yīng)連接四個不同中心波長的FBG，通道1 光纖Bragg 光柵懸空置于直徑為0.08mm 的細(xì)鋼管中，感受各個測量點處的溫度變化；通道2 光纖Bragg 光柵全部粘貼固定在鋁合金基底上，感受對應(yīng)測量點處的應(yīng)變及溫度混合作用引起的波長變化。只感受溫度變化的一根光纖作為通道3，同時感受對應(yīng)測量點處應(yīng)變和溫度變化的另一根光纖作為通道4。 每一個測量點處光纖Bragg 光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖2 所示： 圖2 中，一個測量點處傳感段由兩個FBG 光纖光柵構(gòu)成，其中FBG1 牢固粘貼在測量點基底上，同時感受應(yīng)變和溫度共同作用引起的變化，F(xiàn)BG2 則懸空于直徑為0.8mm 的細(xì)鋼管中，只感受測量點處溫度的變化。這樣，利用FBG2 得到的溫度引起的波長變化量，代入式（3）中，就可以求出對應(yīng)點處由應(yīng)變引起的波長變化量，通過各自波長變化量及其相關(guān)系數(shù)，就可以得到焊接過程中焊接點處應(yīng)變及溫度的變化分布情況。 如下圖3 為光纖Bragg 光柵應(yīng)變、溫度測量系統(tǒng)的實驗原理示意圖。將光纖Bragg 光柵的四個通道分別接到光纖光柵解調(diào)器的對應(yīng)通道上，然后將光纖光柵解調(diào)器和計算機相連，以此監(jiān)測中心波長的漂移。 4．實驗數(shù)據(jù)及其分析 此系統(tǒng)的采集頻率為50Hz，我們選用數(shù)據(jù)間隔為1，即每秒鐘采集50 組數(shù)據(jù)，得到各FBG 中心反射波長的值，監(jiān)測在焊接時各個FBG 波長的偏移情況。對于我們一般選用的光纖Bragg 光柵，其溫度系數(shù)為10.3275pm/ °C ，實驗室室溫為15 °C 。焊縫中心線上方垂直焊縫方向四個測量點處的溫度變化，溫度曲線圖如下圖4 所示，垂直焊縫方向上微應(yīng)變量的分布情況，如圖5 所示。 在處理溫度數(shù)據(jù)時，我們選取保存完好的六組數(shù)據(jù)，將距離焊縫15mm 處五個測量點上的FBG 中心波長的偏移量數(shù)據(jù)處理得到平行焊縫方向上溫度的分布情況，其圖形曲線顯示如下圖6 所示，六組數(shù)據(jù)處理得到溫度分布曲線如下圖7 所示。 選取第10～12 測量點，得到垂直焊縫方向中心線上平行焊縫方向的橫向應(yīng)變分布曲線如下圖8 所示： 由圖8 可以看出，與焊縫垂直的縱面中心線上的應(yīng)變整體變化趨勢相同，幅值隨著與焊縫的距離而變化，并當(dāng)焊點處在垂直焊縫方向的中心線時出現(xiàn)應(yīng)變最大值，在距離焊縫中心25mm 處最大微應(yīng)變量為5000，隨著與焊縫中心線距離的增大，微應(yīng)變幅值依次減小。由以上數(shù)據(jù)分析及圖形顯示，我們可以得到在焊接過程中鋁合金材料結(jié)構(gòu)各個方向上應(yīng)變及溫度的變化分布情況，達(dá)到本實驗要求。 5．結(jié)論 本文介紹了一種基于光纖Bragg 光柵的應(yīng)變、溫度同時測量的方法。根據(jù)光纖光柵傳感原理可以由各個不同中心波長的Bragg 光柵中心波長的變化量分離出應(yīng)變、溫度各自的變化情況，很好的解決了光纖光柵存在著的應(yīng)變、溫度交叉敏感問題，完成了鋁合金材料結(jié)構(gòu)在焊接過程中的應(yīng)變、溫度的分布式測量。 參考文獻(xiàn) [1] 李志遠(yuǎn),錢乙余等.先進(jìn)連接方.機械工業(yè)出版社,2000:1-6 [2] 徐濟進(jìn), 陳立功等. 厚板對接多道焊最高焊接溫度的預(yù)測.焊接. 2000:6-8 [3] 唐慕堯.焊接測試技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988. [4] 王目光.應(yīng)變和溫度同時測量光纖光柵傳感器的研究[J].傳感技術(shù),2001,20（9）. [5] 關(guān)柏鷗.單光纖光柵溫度應(yīng)變雙參數(shù)的傳感研究[J].中國激光,2001,28（4）. [6] Guan Bai-ou,Tam Hwa-yaw,Tao Xiao-ming,et al.Simultaneous strain and temperature measurement using a superstructure fiber bragg grating[J].Photonics Technology Lett.,2000,12（6）:675 [7] James S W,Dockney M L,Tatam R P,et al.Simutaneous independent temperature and strain measurement using in-fibre bragg grating sensors[J].Electron.Lett.,1996,32（12）:1133-1134 [8] Xu M G,Dong L,Reekie L,et al.Temperature-independent strain sensor using a chirped bragg grating in tapered optical fibre[J].Electron Lett.,1995,31（10）:823-825

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