本发明基于裸光纤的光纤传感器应变灵敏度标定方法属于检测技术领域，涉及一种基于裸光纤的光纤应变传感器灵敏度标定方法。该方法由万能试验机作为中介，在同样的试件上加载相同的力时，会得到相同的应力应变，利用未封装过的裸光纤做基准，标定光纤光栅应力应变传感器。在标定过程中，通过操作计算机控制加载装置每次加载的力、并光纤解调仪采集测量数据，利用标定数据，与裸光纤对比，得到光纤光栅应变传感器灵敏度，从而实现光纤光栅传感器应变特性的准确标定。此种方法适用于任意光纤应研究传感器的灵敏度系数标定，避免考虑加载力到拉伸应力的转换及试件弹性模量范围等问题产生的误差，大幅提高了标定精度，且操作方便，快速，易推广。
1.一种基于裸光纤的光纤应变传感器灵敏度标定方法，其特征是，标定方法是由万能试验机作为中介，在同样的试件上加载相同的力时，会得到相同的应力应变，利用未封装过的裸光纤做基准，标定光纤应变传感器；在标定过程中，通过操作计算机控制加载装置每次加载的力、并采用光纤解调仪采集测量数据，利用标定数据，与裸光纤对比，得到光纤应变传感器灵敏度，从而实现光纤应变传感器应变特性的准确标定；方法的具体步骤如下：第一步、安装连接光纤应变传感器标定硬件系统
先将光纤应变传感器和裸光纤(2)安装在拉伸试件(3)上，并固定，再将拉伸试件(3)固定在万能试验机(1)的施力部分上，施力部分与计算机(5)连接，控制拉伸试件(3)的拉伸量，光纤应变传感器和裸光纤(2)接入光纤解调仪(4)的通道中，光纤解调仪(4)与计算机(5)连接，用于在相应软件上读取光纤应变传感器波长，相互通讯实现对应力信号的采集；
标定开始时，启动万能试验机(1)，开启计算机(5)、光纤解调仪(4)；操作计算机利用万能试验机(1)的系统软件实现拉伸试件(3)的高精度拉伸，每次拉伸固定拉伸量；同时，由计算机(5)通过光纤解调仪(4)的系统软件，读取每次万能试验机拉伸后的光纤应变传感器和裸光纤(2)的波长测量值信号，实现对光纤应变传感器和裸光纤(2)波长读数的实时采集读取及存储过程，完成整个光纤应变传感器标定过程；
计算机(5)内存储有整个标定过程的测量数据，利用计算机(5)对标定数据进行数据分析，进而对标定数据进行光纤应变传感器特征函数拟合；得到裸光纤和光纤应变传感器波长的相关曲线；公式(1)为光纤布拉格光栅的响应峰值波长：公式(2)为改变纤芯折射率和光栅周期时，布拉格波长变化量ΔλB；由公式(3)计算应力应变变化：λB＝2neffΛ (1)ΔλB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ (2)其中：λB为光纤光栅波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期，即栅距，Δneff为光纤纤芯的有效折射率变化量，Δε表示应变变化量；
通过公式(4)求取待标定的光纤应变传感器应变灵敏度系数K，完成光纤应变传感器灵敏度标定；
其中，a为裸光纤的应力应变灵敏度系数，k为裸光纤—光纤应变传感器波长曲线斜率；
式中， 为波长λ拟合值与真值均值之差的平方和，其中， 为波
长λ拟合值， 为真值均值； 为波长λ真值与真值均值之差的平方
一种基于裸光纤的光纤应变传感器灵敏度标定方法
技术领域
[0001] 本发明属于检测技术领域，涉及一种基于裸光纤的光纤应变传感器灵敏度标定方法。
背景技术
[0002] 在测量技术领域中，光纤应变传感器处于十分重要的地位。由于其具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等且灵敏度高，具与光纤遥测技术可内在相容，广泛应用于测量领域中。其原理是是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质，如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。光纤应变传感器的精度直接依赖于其灵敏度，因此，对光纤应变传感器应变灵敏度的标定尤其重要。随着光纤光栅技术的发展，市面上不同种类的光纤应变传感器越来越多，光纤应变传感器的封装技术和解调技术也多种多样，这些使得现今对光纤应变传感器的标定过程的要求也越来越苛刻，需要更加快速、普适性高的标定系统。而现有的标定方法有时无法满足所有种类的光纤应变传感器的标定需求。因此，如何合理设计标定方法实现可以对不同种类的光纤应变传感器进行快速标定成为目前的主要难题和研究方向。
[0003] 彭健等人2010年在湖北工业大学学报第125卷第4期发表的《基于等强度梁的光纤光栅测试系统的性能分析》中研究了光纤光栅测试系统的应力应变性能，将光纤应变传感器安装固定在悬臂等强度梁上，进行不同程度的静态加载实验，得到多组光纤应变传感器测量值，将其与应变片的输出信号进行对比，标定光纤应变传感器。白生宝等人在2011年发表的专利号为201110236205.6的专利《一种光纤光栅应变传感器灵敏度标定方法》中介绍了一种确定光纤应变传感器灵敏度的方法，主要是利用四点弯矩梁的性质进行标定，将光纤光栅应变传感器与高精度应变片均置于四点弯矩梁上，通过传感器与高精度应变片测量值的对比，实现了对光纤应变传感器灵敏度系数的标定。闫继送等人在2013年发表的专利号为201310264981.6的专利《一种分布式光纤应变系数标定装置及标定方法》中设计了一种标定分布式光纤应变传感器的装置及方法，通过控制夹具承载平台和电控位移承载平台的移动，标定光纤的应变曲线，最终得到该光纤在规定环境温度下的应变系数。
[0004] 以上这三种方法虽然实现了从原理上完成标定的过程，但是对于应力应变值的计算和测量并没有精准的评定基准，从而影响整体传感器应变特性的标定，普适性不高、且效率低，且标定过程过于复杂不易推广，在实际应用中对操作人员的要求过大。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种基于裸光纤的光纤应变传感器灵敏度标定方法，该方法首先安装连接光纤应变传感器标定硬件系统，采集光纤应变传感器信号进行标定，裸获取光纤—光纤应变传感器波长曲线。避免了应力应变真值无法确定的问题，实现传感器应变灵敏度系数的准确标定。另外，此方法对所有光纤应变传感器都能普遍适用，且满足快速标定的需求。
[0006] 本发明采用的技术方案是一种基于裸光纤的光纤应变传感器灵敏度标定方法，其特征是，标定方法是由万能试验机作为中介，在同样的试件上加载相同的力时，会得到相同的应力应变，利用未封装过的裸光纤做基准，标定光纤应变传感器。在标定过程中，通过操作计算机控制加载装置每次加载的力、并采用光纤解调仪采集测量数据，利用标定数据，与裸光纤对比，得到光纤应变传感器灵敏度，从而实现光纤应变传感器应变特性的准确标定；方法的具体步骤如下：
[0007] 第一步、安装连接光纤应变传感器标定硬件系统
[0008] 先将光纤应变传感器和裸光纤2安装在拉伸试件3上，并固定，再将拉伸试件3固定在万能试验机1的施力部分上，施力部分与计算机5连接，控制拉伸试件3的拉伸量，光纤应变传感器和裸光纤2接入光纤解调仪4的通道中，光纤解调仪4与计算机5连接，用于在相应软件上读取传感器波长，相互通讯实现对应力信号的采集；
[0009] 第二步、光纤应变传感器标定及信号采集
[0010] 标定开始时，启动万能试验机1，开启计算机5、光纤解调仪4；操作计算机利用万能试验机1的系统软件实现拉伸试件3的高精度拉伸，每次拉伸固定拉伸量；同时，由计算机5通过光纤解调仪4的系统软件，读取每次万能试验机拉伸后的光纤应变传感器和裸光纤2的波长测量值信号，实现对光纤应变传感器和裸光纤2波长读数的实时采集读取及存储过程，完成整个光纤应变传感器标定过程；
[0011] 第三步、获取裸光纤—光纤应变传感器波长曲线
[0012] 计算机5内存储有整个标定过程的测量数据，利用计算机5对标定数据进行数据分析，进而对标定数据进行光纤应变传感器特征函数拟合；得到裸光纤和光纤应变传感器波长的相关曲线；公式(1)为光纤布拉格光栅的响应峰值波长：公式(2)为改变纤芯折射率和光栅周期时，布拉格波长变化量ΔλB；由公式(3)计算应力应变变化：
[0013] λB＝2neffΛ (1)
[0014] ΔλB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ (2)
[0015]
[0016] 其中：λB为光纤光栅波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期即栅距，Δneff为光纤纤芯的有效折射率变化量，Δε表示应变变化量；
[0017] 通过公式(4)求取待标定的光纤应变传感器应变灵敏度系数K，完成光纤应变传感器灵敏度标定；
[0018] K＝ak (4)
[0019] 其中，a为裸光纤的应力应变灵敏度系数，k为裸光纤—光纤应变传感器波长曲线斜率；
[0020] 采用线性度系数R2作为实验曲线相关性的评定：
[0021]
[0022] 式中， 为波长λ拟合值与真值均值之差的平方和，其中，为波长λ拟合值， 为真值均值； 为波长λ真值与真值均值之差的平
方和，i为样本序号，i＝1,2,…,n，n为样本数。x y X Y
[0023] 本发明的有益效果是本方法相对比于对光纤应变传感器应变灵敏度系数的其他传统标定方法来说，其无需定量计算不同拉伸量对应的应力应变理论值，且无需测量不同拉伸量对应的应力应变实测值，避免确定应力应变过程中的误差，只需与未封装过的裸光纤作为对比，通过实验得到裸光纤与光纤应变传感器波长变化，即可对光纤应变传感器进行标定，准确获取其实际应变灵敏度系数。此种方法适用于任意光纤应研究传感器的灵敏度系数标定，避免考虑加载力到拉伸应力的转换及试件弹性模量范围等问题产生的误差，大幅提高了标定精度，且操作方便，快速，易推广。
附图说明
[0024] 图1为光纤应变传感器标定系统的布置图。图中，1-万能试验机，2-光纤应变传感器和裸光纤，3-拉伸试件，4-光纤解调仪，5-计算机。
[0025] 图2为光纤应变传感器标定方法的流程图。
[0026] 图3为裸光纤—光纤应变传感器波长曲线图。其中，X轴-裸光纤测量值，Y轴-光纤应变传感器测量值，1-线性系列1曲线，2-系列1曲线。
具体实施方式
[0027] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
[0028] 附图1为光纤应变传感器标定系统的安装图。本实施例中所使用的光纤解调仪型号为MOI公司的si255-16-ST/160-NO，其测量范围是-15000—15000με，解调精度为1pm。实施例中所用裸光纤中心波长为1536nm，待标定的光纤应变传感器的中心波长为1588nm，且其量程为0—2000με，分辨率为0.5με。
[0029] 附图2为光纤应变传感器标定方法的流程图，整个标定方法分为以下三个部分，光纤应变传感器标定硬件系统安装布置，光纤应变传感器标定及信号采集、裸光纤—光纤应变传感器波长曲线获取。方法的具体步骤如下：
[0030] 第一步、安装连接光纤应变传感器标定系统
[0031] 本实施例中，光纤应变传感器标定系统的安装图如附图1所示。在标定开始前，先将光纤应变传感器和裸光纤2以同种固定方式安装在拉伸试件3上，再将拉伸试件3固定在万能试验机1的上，万能试验机1施力部分与计算机5连接，控制拉伸试件3的拉伸量，光纤应变传感器和裸光纤2接入光纤解调仪4的通道中，光纤解调仪4与计算机5连接，通过相应软件系统读取光纤应变传感器及裸光纤的波长变化。
[0032] 第二步、光纤应变传感器标定及信号采集
[0033] 标定开始时，启动万能试验机1，打开计算机5、光纤解调仪4。操作计算机5利用万能试验机1的系统软件实现拉伸试件3的高精度加载拉伸过程。
[0034] 根据本次实施例中选用的光纤应变传感器量程，设定每次拉伸加载5kN，对裸光纤和光纤应变传感器分别施加0、5kN、10kN、15kN的力，进行拉伸实验。每次万能试验机1拉伸后，待光纤应变传感器和裸光纤2的波长示数稳定后，操作计算机5分别读取裸光纤和光纤应变传感器的测量值信号，并对其读数实现实时采集读取及存储过程，完成整个光纤应变传感器标定过程。
[0035] 第三步、裸光纤—光纤应变传感器波长曲线获取
[0036] 本实施例标定测量过程结束后，操作计算机5，利用光纤解调仪4采集测量波长数据，处理实验数据，得到裸光纤及光纤应变传感器两者的拟合曲线，如图3所示，x代表裸光纤测量值，y代表光纤应变传感器测量值，得到裸光纤—光纤应变传感器波长曲线的斜率k＝3.9849，且已知裸光纤的灵敏度系数a＝1.2pm/με，利用公式(4)最终得到标定的光纤应变传感器的实际应变灵敏度系数为1.2k＝4.78188。利用公式(5)计算实验获取的曲线线性2
度，得到其线性度为R＝0.9998。
[0037] 该标定方法相对于传统的分析光纤应变传感器特征来说，无需研究分析确定不同拉伸量对应的应力应变理论值及实测值，只需通过实验得到对比于裸光纤的传感器波长变化，即可对光纤应变传感器进行标定，准确获取光纤应变传感器的实际应力灵敏度系数。该方法可以实现对任意光纤应变传感器的高速、高精度标定过程，效率高、普适性强。
