光子学报  2017, Vol. 46 Issue (6): 0606002  DOI: 10.3788/gzxb20174606.0606002
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引用本文  

李慧, 余有龙, 耿淑伟, 赵曾, 赖小明, 王国欣, 殷参. 基于光纤光栅的冲击能检测[J]. 光子学报, 2017, 46(6): 0606002. DOI: 10.3788/gzxb20174606.0606002.
LI Hui, YU You-long, GENG Shu-wei, ZHAO Zeng, LAI Xiao-ming, WANG Guo-xin, YIN Shen. Detection for Impact Energy Based on Fiber Bragg Grating[J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(6): 0606002. DOI: 10.3788/gzxb20174606.0606002.

基金项目

登月三期预研项目(No.TY3Q-20110005)、合肥工业大学博士专项科研基金(No.GDBJ2009-010)资助

第一作者

李慧(1991-), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为光纤传感.Email:lihui_8382@163.com

通讯作者

余有龙(1965-), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为光纤光栅传感及网络化技术、光纤激光器以及光无源器件等.Email:youlongyu@163.com

文章历史

收稿日期:2017-01-22
录用日期:2017-03-03
基于光纤光栅的冲击能检测
李慧1, 余有龙1, 耿淑伟1, 赵曾2, 赖小明2, 王国欣2, 殷参2    
(1 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 合肥 230009)
(2 北京卫星制造厂, 北京 100080)
摘要:提出一种利用光纤光栅作为传感元构成传感阵列对冲击能进行检测的方法.通过搭建简易冲击系统装置,将光纤光栅应变传感器沿轴向对称粘贴于圆杆表面,对入射应力波能量进行检测.实验结果表明,两杆对心正冲击时入射应力波幅值最大,能量传递效率最高.通过分析频率域内的应力波信号可知,其能量主要集中在0~5 000 Hz频率范围内.将入射应力波能量与冲杆动能进行对比,结果表明冲杆与圆杆传递能比在93%以上,基本满足冲击机械性能测试的需求.
关键词光纤光栅    冲击性能    应力波法    入射脉冲    传递能比    
中图分类号:TN247      文献标识码:A      文章编号:1004-4213(2017)06-0606002-6
Detection for Impact Energy Based on Fiber Bragg Grating
LI Hui1, YU You-long1, GENG Shu-wei1, ZHAO Zeng2, LAI Xiao-ming2, WANG Guo-xin2, YIN Shen2    
(1 School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)
(2 Beijing Spacecrafts, Beijing 100080, China)
Foundation item: The Pre-research for the Moon-Landing Third Project(No.TY3Q-20110005); The Special Scientific Research Fund for Hefei University of Technology Dr(No.GDBJ2009-010)
Abstract: A method to detect the impact energy using the fiber Bragg grating as the sensing element was presented. A simple impact system was built to detect the incident stress wave energy while fiber Bragg grating were axially symmetrically pasted to the round rod. The experiment result shows that both the amplitude of incident stress wave and energy transfer efficiency reach the biggest with two rod positive impacts. The energy of incident stress wave is mainly concentrated in the range of 0~5 000 Hz based on the analysis of signal in frequency domain. The energy transfer ratio of impact bar to round rod is more than 93% while comparing the incident stress wave energy and the kinetic energy of the impact bar, which meets the basic requirements of the testing for the impact mechanical properties.
Key words: Fiber Bragg grating    Impact properties    Stress wave technique    Incident pulse    Energy transfer ratio    
OCIS Codes: 060.3735;060.2370;060.2300
0 引言

冲击机械是一种高效碎岩装置,广泛应用于钻进、勘察等工农业建设中[1-2],其冲击能量的大小、传递效率的高低直接关系到冲击作用的效果.目前,冲击能的测试方法主要有末速度法[3]、示功图法[4]、气压法[5]、应力波法[6]等.其中末速度法是通过测量活塞冲击末速度,利用动能公式得到冲击能,原理简单,但测试装置复杂;示功图法利用活塞力-位移曲线包围面积表示冲击能,该方法不易捕获位移信息;气压法通过置于冲击气腔内的压力传感器间接实现对冲击能的测量,该方法针对性较强,但误差较大;应力波法通过获得活塞输入到钎杆上的入射应力波能量作为活塞冲击能,其装置简单、重复性好.应变片是捕获应力波信号的常用传感器,其检测结果易受电磁场和潮湿空气的影响.

光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)为介电型传感器,具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀的优点,已被广泛应用于对各种物理量的传感[7-10].陆观等[11]用光纤光栅应变传感器记录了复合材料智能结构的低速冲击信号;余尚江等[12]利用其对冲击载荷作用下混凝土内动态应变进行了监测.本文基于应力波法,提出利用光纤光栅传感阵列检测冲击能的方法,通过对不同冲击界面下测点处入射应力波的捕获,确定能量传递效率最大的冲击方式,对该冲击方式下的冲杆动能与相应入射应力波能量进行比较与分析.

1 理论分析 1.1 冲击能的理论分析

冲击活塞作用于钎杆时,冲击能量以应力波的形式由钎杆向钎头至工作介质传递[13].建立如图 1所示的坐标系,以钎杆的左端面为x=0,沿钎杆方向为正方向.

图 1 冲击能量传递示意图 Fig.1 Diagram of impact energy transfer

冲击能量的传递过程可归结为一维波动问题,由波动方程来描述[14],即

$ \frac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {t^2}}} = {c^2}\frac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {x^2}}} $ (1)

式中,u为质点位移,t为时间,c为应力波波速,$c = \sqrt {E/\rho } $Eρ分别为钎杆弹性模量和密度.

当钎杆左端产生的应力脉冲波全部沿x轴正方向传播时,式(1) 的解为

$ u = f\left( {x - ct} \right) $ (2)

则速度ν与应变ε分别为

$ v = \frac{{\partial u}}{{\partial t}} = - cf\prime \left( {x - ct} \right) $ (3)
$ \varepsilon = \frac{{\partial u}}{{\partial x}} = f\prime \left( {x - ct} \right) $ (4)

ν=-,钎杆上任一点x处的应力σ满足胡克定律σ=,dt时间内该点位能与动能分别为

$ {{\rm{d}}{E_{\rm{e}}} = \frac{1}{2}\sigma \varepsilon A{\rm{d}}x = \frac{1}{2}\frac{{Ac}}{E}{\sigma ^2}{\rm{d}}t} $ (5)
$ {{\rm{d}}{E_{\rm{d}}} = \frac{1}{2}\rho A{\nu ^2}{\rm{d}}x = \frac{1}{2}\frac{{Ac}}{E}{\sigma ^2}{\rm{d}}t} $ (6)

式中A为钎杆横截面面积,应力波在dt时间内通过钻杆任一截面之总能量为

$ {\rm{d}}{E_z} = {\rm{d}}{E_{\rm{e}}} + {\rm{d}}{E_{\rm{d}}} = \frac{{Ac}}{E}{\sigma ^2}{\rm{d}}t $ (7)

已知钎杆中入射应力波脉冲持续时间为τ,其能量可表示为

$ {E_z} = \frac{{Ac}}{E}\int_0^\tau {{\sigma ^2}{\rm{d}}t} $ (8)

应力波法利用监测得到的入射应力波能量间接表示冲击活塞的冲击能,用于式(8) 积分计算的应力波形必须是冲锤冲击钎杆时产生的第一个入射纵波,在实际测量时,为避免反射波的影响,可增加吸能装置或采用长钎杆,以保证检测结果的准确可靠.

1.2 光纤光栅传感原理

光纤光栅传感器采用波长编码,引起其布喇格波长变化的物理量均可被其感知.布喇格公式的数学表达式为

$ {\lambda _{\rm{B}}} = 2{n_{{\rm{eff}}}}\mathit{\Lambda } $ (9)

式中,neff为纤芯的有效折射率,Λ为光栅常量.恒温条件下,应力作用于FBG光纤介质时,通过机械拉伸改变其光栅常量,同时弹光效应使其折射率发生变化,两者引起波长漂移综合表现为

$ \frac{{\Delta {\lambda _{\rm{B}}}}}{{{\lambda _{\rm{B}}}}} = \left\{ {1 - \frac{{n_{{\rm{eff}}}^2}}{2}\left[ {{P_{12}} - \upsilon \left( {{P_{11}} + {P_{12}}} \right)} \right]{\varepsilon _x}} \right\} = \left( {1 - {P_{\rm{e}}}} \right){\varepsilon _x} $ (10)

式中,εx为轴向应变,P11P12为Pockel系数,υ为泊松比,Pe称为光纤介质有效弹光系数.对掺锗石英光纤,其有效弹光系数Pe=0.22,应力引起的FBG布喇格波长漂移为1.15 pm/με[10],中心波长漂移与轴向应变为线性关系.

2 实验结果与分析 2.1 光纤光栅冲击能测试系统

光纤光栅冲击能测试系统如图 2.试验台采用卧式安装,冲击活塞简化为冲杆A1A2,为避免反射波的干扰以准确检测入射应力脉冲波形,采用长度为4 m的实心杆B1B2为测量杆,其右端为自由端状态,两杆横截面面积相同,材料均为不锈钢,测速器用于记录冲杆冲击速度.

图 2 光纤光栅冲击能测试系统示意图 Fig.2 Diagram of impact energy measuring system with FBG

设测量杆与冲杆的接触面处为其输入端,选取两测点x1x2,分别距输入端1 000 mm和1 500 mm.为消除弯矩对测量结果的影响,每一测点位置处沿杆轴向对称粘贴两个FBG应变传感器[15].四根传感器中心波长分别为1 532.012 nm、1 531.998 nm、1 532.027 nm、1 532.003 nm.选用可调法布里-珀罗滤波法对光纤光栅传感信号进行解调,解调仪扫描波长范围为1 528~1 568 nm,最小分辨率可达1 pm.当两杆相互作用时,FBG传感器的波长漂移信号经解调后输入到电脑,通过Smart Scan软件实现波长漂移量到应变的直接转化,观察并记录测点处应变时程曲线变化.

2.2 测试结果与分析

在相同冲击速度下,记录两杆不同冲击方式下(如图 3)的测点x1检测信号,采样频率为20 kHz,其捕获入射应力波形如图 4.

图 3 不同冲击方式示意图 Fig.3 Diagram of different impact modes
图 4 不同冲击方式下测点x1捕获入射应力波 Fig.4 Incident strain pulse detected at point x1 with different impact modes

两杆对心与非对心冲击作用可归结为一维应力纵波问题,此时测量杆中仅存在轴向应变.两种冲击方式下,由于冲击接触面积大小不同,冲杆与测量杆能量传递效率不同,其与冲击接触面积大小成正比关系,体现在入射应力波振幅上即为对心正冲击下的应变大于非对心冲击.在受到非轴向作用力时,测量杆中质点除存在轴向运动外,还存在横向惯性作用,杆上入射应力波幅值较前两种冲击方式最小,如图 4.分析可得,在相同冲击速度下,对心正冲击方式入射应力波振幅最大,两杆之间能量传递效率最高.

图 3中两杆对心正冲击时x1x2测点传感器捕获应变时程如图 5.已知测量杆纵向弹性模量为193 GPa,材料密度为7.93×103 kg/m3[16],可得杆中应力波波速为c=4 933.35 m/s.两测点起振时间差为T=0.1 ms,已知x1x2沿杆轴向距离为500 mm,计算得传感器检测应力波波速为5 000 m/s,与理论值的相对误差为1.35%.

图 5 光纤光栅记录的应力波信号 Fig.5 Incident stree wave detected by FBG

测点x1x2与测量杆自由端相距分别为3 000 mm、2 500 mm,应力波在该距离内往返传播一次所用的时间为1.22 ms、1.01 ms.观察图 5(b)可得,两测点捕获的入射应力波形一致,振幅大小基本相同,其持续时间均约为τ=320 μs,远小于入射应力波往返自由端所需时间,两测点处检测入射应力波均未受到反射应力波的影响,入射波与反射波实现波形分离.

不同采样频率下测点x1处入射应力波信号经傅里叶变换及归一化后的频谱如图 6(a)图 6(b)为相应能量频谱密度.分析可得,应变脉冲信号频率分布范围广、成分多,其中可被明显识别的信号频率有630 Hz、1 260 Hz、1 880 Hz、3 140 Hz、3 760 Hz、4 390 Hz、5 650 Hz、6 270 Hz、6 900 Hz.频率范围0~5 000 Hz内,信号包含频率成分多,频谱幅值较大,5 000~10 000 Hz内,信号包含频率成分少,频谱幅值较小,信号能量主要集中在0~5 000 Hz内.光纤光栅系统采样频率越高,采集到信号中的高频成分越多.图 6(b)的能量频谱密度与图 6(a)中的规律保持高度的一致性.

图 6 应力波频域信号 Fig.6 Frequency spectrum of stress wave

选取10组入射应力波形数据,将入射应力波能量与冲杆动能进行对比,如图 7.冲杆动能与测点x1x2检测入射波能量分别记作EkE1E2.实验中冲杆A1A2与测量杆B1B2的冲击作用可视作有限长杆与半无限长杆的共轴撞击.理论分析认为,当两杆波阻抗相同时,系统满足能量守恒定律[17],即冲杆A1A2的动能将全部传递给测量杆B1B2.图 7(a)中两测点检测的入射应力波能量基本相同,其规律与图 5(b)波形保持一致,但与冲杆动能具有一定的误差,其主要原因是光纤光栅解调系统采样点数较少,入射应力波形较为尖锐,检测能量小于实际值.图 7(b)给出了两测点入射应力波能量与冲杆动能相对误差曲线,其传递能比均保持在93%以上.

图 7 冲杆动能与入射应力波能量对比 Fig.7 Comparison of the kinetic energy of impact bar and the incident stress wave energy
3 结论

本文基于光纤光栅传感器对冲击能进行检测.与末速度、示功图、气压法相比,基于光纤光栅的冲击能检测无需破坏系统的内部结构,操作性较强且简单方便,测量结果更加准确可靠;同时,该方法受环境影响较小(如不受电磁干扰、耐腐蚀等),可用于复杂工况下的冲击能检测.实验结果表明,两杆对心正冲击时,检测入射应力波能量与相应冲杆动能的相对误差保持在7%以下,具有良好的重复性和稳定性,基本满足冲击机械性能测试要求.提高光纤光栅系统解调频率将有利于对更高频冲击能量信号的检测,同时获得更完整的入射应力波形,减小系统误差.

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