Acceleration test of substrate-packaged fiber Bragg grating sensor
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摘要:
为测试光纤光栅（FBG）传感器是否可以承受由加速度引起的稳态惯性载荷，以及在承受这些载荷期间的传感性能，设计了一种铝合金基片封装式光纤光栅应变和温度传感器，并对其进行了加速度性能验证。确定了FBG应变和温度传感器的设计尺寸，阐述了封装过程，分析了 FBG 传感器的应变和温度传感机理，开发了基于体相位光栅和线阵光电探测器的光谱检测解调系统。搭建了加速度试验装置，并按照GJB150.15A“加速度试验”要求和方法对选取的 FBG 应变和温度传感器进行了加速度性能测试。试验结果表明：在加速度试验前后的 2 min 性能测试中，波长偏移量均未超过±50 pm，且光强变化未超过0.3 V；在加速度试验中，波长偏移量最大波动为±7 pm，光强均在1.3 V～4.003 V内。验证了所设计的光纤光栅传感器具备承受加速度载荷的能力，且承受载荷期间传感性能良好。
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关键词:
- 基片式光纤光栅传感器 /
- 铝合金封装 /
- 波长解调技术 /
- GJB150.15A“加速度试验”
Abstract:To test whether the fiber Bragg grating (FBG) sensor can endure the steady-state inertial loads caused by the acceleration and the sensing properties during the loads, a FBG strain and temperature sensor with aluminium alloy substrate package was designed, and the acceleration performance on the sensor was tested. The sizes of FBG strain and temperature sensor were designed and its package process was described. The strain and temperature sensing mechanisms of FBG sensor were analyzed, and the spectrum detection and demodulation system based on volume phase grating and linear array photodetector was developed. Finally, the acceleration test equipment was established, and the acceleration performance test of the selected FBG strain and temperature sensor was carried out in accordance with the requirements and methods of GJB150.15A acceleration test. The experimental results show that in the 2 min performance test before and after the acceleration test, the wavelength offset is below to ±50 pm, and the change of light intensity is below to 0.3 V. In acceleration test, the maximum fluctuation of wavelength offset is ±7 pm, and the light intensity is in the range of 1.3 V～4.003 V. It is proved that the designed FBG sensor has the ability to endure the acceleration loads and has the good sensing performance during the acceleration loads.
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引言
微通道板(MCP)作为微光像增强器的3大核心部件之一，其相关参数的性能直接制约着微光夜视技术的发展[1-4]。为了制作出高品质的MCP，需要大量满足要求的高精度玻璃纤维，所以设计一套玻璃纤维的制作系统是必要的。在正常拉丝的前提下，因各个部件积累而来的系统误差是影响拉丝结果的最主要因素[5]。因此在工作中各个部件由于外部作用而产生的误差需要被严格地控制，特别是伺服电机的工作而引起的振动，利用计算机仿真技术对相关机械结构的性能可进行分析，并能有效计算相关误差，进而达到优化系统的目的，将相关误差严格控制在精度允许范围内。最后进行拉丝实验，该实验将真实反映系统的性能，并验证系统设计的合理性。
1 玻璃纤维制作系统总体设计
1.1 系统总体设计原理
用于MCP的玻璃纤维制作系统的设计指标如下：
1) 送料速度为0.1 mm/min~20 mm/min
2) 加热系统最高温度为999.9℃，正常工作温度为750℃
3) 拉丝速度为0.25 m/min~12 m/min, 拉丝速度分辨率为0.01 m/min
根据以上的技术要求，设计出了一套用于MCP的玻璃纤维制作系统，其工作原理如图 1所示。该系统主要由送料机构、加热系统、测径仪、拉丝机构、切丝机构、控制柜组成。测径仪将测出的直径信号发送给控制柜，控制柜根据直径信号来发送指令，控制伺服电机的转速和切丝机构的切丝时间间隔。
1.2 系统总体的结构设计
如图 2所示，用于玻璃纤维制作的系统由送料机构、加热炉、测径仪、拉丝机构、控制柜和切丝机构组成。拉丝系统的运行过程如下：将准备好的预制棒通过夹具固定在送料机构上，送料机构将预制棒送入电炉中加热，熔化后的玻璃混合物从电炉下端流出，经过测径仪，在拉丝机构的拉力作用下，玻璃纤维一直向下运动，达到要求的长度后，玻璃纤维被剪断。用作MCP(微通道板)的玻璃纤维，会将单纤维捆扎成截面为正六边形的纤维束，再用同一拉丝系统将它拉成相应截面形状的一次复丝。所以，一台拉丝系统必须担当单纤维和复式纤维的多次拉伸任务，由于单纤维和复式纤维的截面形状和尺寸不一样，工艺参数变化范围广，所用的玻璃材料品种性能不同，因此，拉丝系统必须有较广泛的适应性。
同时为了使复式纤维结构紧密，拉丝过程中还要抽真空。由于微通道板是精细的高技术光电子产品，净化要求很高，为了提高成品率，应尽量减少人手的接触所造成的污染，要求拉丝系统的自动化程度尽可能高，纤维拉制过程中能自动测量直径，自动调节切断，整个拉丝过程都是在高度净化的环境中进行，对气流的分布都有特殊的要求。
2 重要零部件的有限元仿真分析
2.1 拉丝机构的振动模态分析
工作过程中，玻璃纤维拉丝系统的工作环境要求很高，需要单独设置一个相对密闭空间，以排除外界湿度、噪声、温度等因素影响，但内部系统的干扰不容忽视。由于拉丝机构最下端的2个带轮分别与2个伺服电机相连，如图 3所示，如果伺服电机的转速控制不当，不仅会对拉出玻璃纤维的精度产生影响，还会使整个拉丝系统出现疲劳或者共振现象。所以，为了将振动对拉丝系统的影响降低到最小，我们应该对该机构进行模态分析，以找到适合其工作的最佳状态。
拉丝机构主要由2块挡板、6个带轮和2个气缸组成，气缸提供动力推动2块挡板来实现对玻璃纤维的夹紧和放松如图 3和图 4所示。最下端的2个带轮分别与伺服电机相连，通过带动皮带来实现拉丝的作用。
由于机械结构的受迫振动可能会产生共振现象，2个伺服电机提供了一定频率的震源。若拉丝机构发生了共振现象，将会使玻璃纤维出现扭转和受到横向拉伸的作用，严重影响玻璃纤维的精度以及均匀性。情况严重时，共振还会使整个拉丝系统发生破坏，使设备的安全性和可靠性都大大降低，这不仅使拉丝无法正常进行，也会带来很大的安全隐患。所以对拉丝机构进行模态分析，从而得到其共振频率，为拉丝系统的设计提供参考具有重要的意义。下面采用有限元法对拉丝机构进行模态和谐响应进行分析。
机构的振动方程为
$$ M\frac{{{{\rm{d}}^2}u}}{{{\rm{d}}{t^2}}} + C\frac{{{\rm{d}}u}}{{{\rm{d}}t}} + Ku = F\left( t \right) $$ (1) 式中：M为结构刚度矩阵；K为结构质量矩阵；C为结构阻尼矩阵；μ为结构节点位移；F(t)为外力矢量。
无外力的情况下，F(t)=0。忽略阻尼对系统的影响，可得系统的自由振动方程为
$$ M\frac{{{{\rm{d}}^2}u}}{{{\rm{d}}{t^2}}} + Ku = 0 $$ (2) 若振动为简谐振动，则：
$$ u = \delta \sin \omega t $$ (3) 式中：δ为位移节点振幅向量；ω为固有频率；t为时间。
将(3)式代入(2)式可得：
$$ \left( { - {\omega ^2}M + K} \right)\delta = 0 $$ (4) 该方程组有n个解，即为n阶固有频率。特征向量δ即为振动模态。
在没有外界干扰的情况下，伺服电机成为整个拉丝机构受迫振动的唯一振动源。
首先利用Ansys Workbench软件对系统做模态分析。Ansys Workbench有限元模型通过外部UG软件导入，该模型只需要考虑机构整体刚度特性，忽略了原有模型中的部分细节。将拉丝机构两端的支架进行完全约束，然后进行再分析求解[5]。
经过计算得到拉丝机构的1~6阶固有频率，如图 5所示。通过固有频率表可知整个拉丝机构的1~6阶固有频率分别为：100.72 Hz、296.12 Hz、317.06 Hz、336.39 Hz、317.06 Hz、336.39 Hz、374.25 Hz、439.27 Hz。在实际应用中应该避开这些频率，以免发生共振现象。1~6阶模态振型如图 6~图 11所示。
为拉丝机构提供动力的2个完全同步的伺服电机，正常拉丝时的最大转速为3 600 r/min。振动源的频率为
$$ f = \left( {\frac{N}{{60}}} \right){\rm{Hz}} $$ (5) 式中N为伺服电机的最大工作转速。
由(5)式可以得到伺服电机最大工作转速为3 600 rpm时所对应的频率为60 Hz，与系统一阶固有频率100.72 Hz相差甚远，由于该系统的唯一震源即为2个伺服电机，所以在排除外界振动的情况之下，系统不会因此而发生共振，即2个伺服电机的振动对该系统的影响很小，可以忽略不计。
3 拉丝实验以及分析
系统设计完成以后，根据设计指标做了相关的实验，首先设置加热炉温度为745℃，预制棒进料速度为0.3 cm/min，观察拉丝速度与玻璃纤维直径之间的关系，图 12为在恒定温度情况下玻璃纤维的直径与拉丝速度之间的变化关系。
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图 12 玻璃纤维的直径与拉丝速度的关系Figure 12. Relationship between diameter of glass fiber and speed of drawing由图 12可知，拉丝速度太低的时候玻璃纤维的直径会随着拉丝速度的增加而增加，这是由于拉丝速度过慢，玻璃纤维未能正常张紧，正常张紧后玻璃纤维的直径会随着拉丝速度的增加而减小。根据设计指标需要得到直径大约为0.6 mm的玻璃纤维，故应该控制拉丝速度在3.5 m/min~4 m/min。
在玻璃纤维拉制过程中温度对玻璃纤维的直径影响很大，因为温度会影响玻璃的粘度，玻璃粘度的改变会直接影响最终玻璃纤维的直径。为了找出最佳温度，设置预制棒的进料速度为0.3 cm/min，拉丝速度为4 m/min，观察玻璃纤维的直径与温度之间的关系，图 13为在恒定拉丝速度情况下玻璃纤维的直径与温度之间的变化关系。
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图 13 玻璃纤维直径与温度之间的关系Figure 13. Relationship between glass fiber diamter and temperature由图 13可知，温度对玻璃纤维直径的影响很大[7-9]，大致呈现出随着温度升高而逐渐减少的趋势。通过Matlab对数据进行处理后可知，在进料速度为0.3 cm/min，拉丝速度为4 m/min的情况下，即得到0.6 mm玻璃纤维的最适合工作温度为751℃左右。
4 结论
玻璃纤维精度的保证是MCP制作得以展开的前提，系统的精度则是获得高精度玻璃纤维的关键。通过UG软件给该玻璃纤维制作系统进行了建模，利用有限元仿真软件进行了仿真计算，验证了该设计的振动源频率与系统的各介频率均不会靠近，不会发生共振现象。拉丝系统设计完成以后，做了相关的实验验证了该系统满足技术指标的要求，并找出了系统在该指标下最适合的拉丝速度和温度。该系统的设计为MCP制作的顺利展开提供了有力的保证，同时也为同类玻璃纤维制作系统的设计提供了参考。
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图 1 铝合金封装式光纤光栅应变和温度传感器设计
Figure 1. Design of FBG strain and temperature sensor with aluminium alloy package
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图 4 光纤光栅传感器离心机加速度试验装置图
Figure 4. Diagram of acceleration test equipment for FBG sensors based on centrifuge
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图 5 FBG传感器在加速度试验“前方向”测试波长和光强
Figure 5. Wavelength and light intensity results of FBG sensors (front-direction test)
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图 6 FBG传感器在加速度试验“后方向”测试波长和光强
Figure 6. Wavelength and light intensity results of FBG sensors (rear-direction test)
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图 7 FBG传感器在加速度试验“上方向”测试波长和光强
Figure 7. Wavelength and light intensity results of FBG sensors (up-direction test)
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图 8 FBG传感器在加速度试验“下方向”测试波长和光强
Figure 8. Wavelength and light intensity results of FBG sensors (down-direction test)
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图 9 FBG传感器加速度试验“左方向”测试波长和光强
Figure 9. Wavelength and light intensity results of FBG sensors (left-direction test)
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图 10 FBG传感器加速度试验“右方向”测试波长和光强
Figure 10. Wavelength and light intensity results of FBG sensors (right-direction test)
表 2 4只光纤光栅传感器在加速度试验前波长、光强变化
Table 2 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors before acceleration test
变化量 FBG_S1 FBG_S2 FBG_T1 FBG_T2 波长/pm 最大值与均
值的差值1.670 1.301 1.791 1.645 最小值与均
值的差值−1.430 −1.700 −1.809 −1.555 光强/V 0.021 2 0.021 2 0.010 6 0.010 6 
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表 3 4只FBG传感器在加速度“试验后”波长和光强变化
Table 3 Wavelength and light intensity variation of 4 FBG sensors (after acceleration test)
变化量 FBG_S1 FBG_S2 FBG_T1 FBG_T2 波长/pm 最大值与均
值的差值0.966 0.612 0.994 1.095 最小值与均
值的差值−0.934 −0.588 −1.206 −1.005 光强/V 0.021 2 0.010 6 0.021 2 0.010 6
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