摘 要：在材料結(jié)構(gòu)建造的焊接過程中,通常需要對(duì)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(duì)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(cè)量實(shí)驗(yàn),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(shí)測(cè)量要求的不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖Bragg 光柵可以很好的測(cè)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(cè)量 1．引言 基于光纖Bragg 光柵的測(cè)量系統(tǒng)，具有精確度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，且便于復(fù)用,可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)， 還因?yàn)槠洳捎貌ㄩL(zhǎng)編碼方式和數(shù)字式測(cè)量技術(shù)，有效減少了光路中光源抖動(dòng)和功率波動(dòng)帶來的測(cè)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(gè)局部快速加熱到高溫，并隨后冷卻的過程。隨著熱源的移動(dòng)，焊件的溫度隨時(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)要求介紹了一種基于光纖Bragg 光柵的應(yīng)變、溫度同時(shí)測(cè)量的方法。根據(jù)FBG 既是敏感元件又是傳光元件的特點(diǎn)[4-5]，大大簡(jiǎn)化了傳感探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過將一個(gè)通道光柵置于細(xì)鋼管中感受測(cè)量點(diǎn)溫度的分布情況，再將另外一個(gè)通道光柵固定粘貼在基底上感受相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)處的應(yīng)變及溫度共同的變化，從而間接的得到測(cè)量點(diǎn)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(cè)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(cè)量。 2．測(cè)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(shí)，它能對(duì)波長(zhǎng)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(zhǎng)處出現(xiàn)峰值，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(zhǎng)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(duì)式（1）求導(dǎo)可得 由式（2）可見知Bragg 中心波長(zhǎng)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(duì)外界應(yīng)變和溫度都是敏感的。在受應(yīng)力時(shí)會(huì)由于光柵周期的伸縮及彈光效應(yīng)引起中心波長(zhǎng)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(duì)光纖Bragg 光柵波長(zhǎng)的影響是相互獨(dú)立并線性變化的，光纖Bragg 光柵的中心反射波長(zhǎng)的相對(duì)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(duì)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(jì) 我們采用的是600mm× 600mm×6mm 的鋁合金板，焊縫為橫截面中心線，實(shí)驗(yàn)要求在沿焊縫深度焊接的過程中測(cè)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(shí)驗(yàn)中我們共安排了四個(gè)光纖通道，四個(gè)通道光纖Bragg 光柵布點(diǎn)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(gè)通道，共四個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)連接四個(gè)不同中心波長(zhǎng)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(gè)測(cè)量點(diǎn)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(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)處的應(yīng)變及溫度混合作用引起的波長(zhǎng)變化。只感受溫度變化的一根光纖作為通道3，同時(shí)感受對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)處應(yīng)變和溫度變化的另一根光纖作為通道4。 每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)處光纖Bragg 光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖2 所示： 圖2 中，一個(gè)測(cè)量點(diǎn)處傳感段由兩個(gè)FBG 光纖光柵構(gòu)成，其中FBG1 牢固粘貼在測(cè)量點(diǎn)基底上，同時(shí)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(cè)量點(diǎn)處溫度的變化。這樣，利用FBG2 得到的溫度引起的波長(zhǎng)變化量，代入式（3）中，就可以求出對(duì)應(yīng)點(diǎn)處由應(yīng)變引起的波長(zhǎng)變化量，通過各自波長(zhǎng)變化量及其相關(guān)系數(shù)，就可以得到焊接過程中焊接點(diǎn)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(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理示意圖。將光纖Bragg 光柵的四個(gè)通道分別接到光纖光柵解調(diào)器的對(duì)應(yīng)通道上，然后將光纖光柵解調(diào)器和計(jì)算機(jī)相連，以此監(jiān)測(cè)中心波長(zhǎng)的漂移。 4．實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的值，監(jiān)測(cè)在焊接時(shí)各個(gè)FBG 波長(zhǎng)的偏移情況。對(duì)于我們一般選用的光纖Bragg 光柵，其溫度系數(shù)為10.3275pm/ °C ，實(shí)驗(yàn)室室溫為15 °C 。焊縫中心線上方垂直焊縫方向四個(gè)測(cè)量點(diǎn)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(shí)，我們選取保存完好的六組數(shù)據(jù)，將距離焊縫15mm 處五個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的FBG 中心波長(zhǎng)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(cè)量點(diǎn)，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(shì)相同，幅值隨著與焊縫的距離而變化，并當(dāng)焊點(diǎn)處在垂直焊縫方向的中心線時(shí)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(gè)方向上應(yīng)變及溫度的變化分布情況，達(dá)到本實(shí)驗(yàn)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(shí)測(cè)量的方法。根據(jù)光纖光柵傳感原理可以由各個(gè)不同中心波長(zhǎng)的Bragg 光柵中心波長(zhǎng)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(cè)量。 參考文獻(xiàn) [1] 李志遠(yuǎn),錢乙余等.先進(jìn)連接方.機(jī)械工業(yè)出版社,2000:1-6 [2] 徐濟(jì)進(jìn), 陳立功等. 厚板對(duì)接多道焊最高焊接溫度的預(yù)測(cè).焊接. 2000:6-8 [3] 唐慕堯.焊接測(cè)試技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988. 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