HB 8618－2021 航空用光纤光栅应变传感器性能测试要求 Performance test requirements for optical fiber grating strain sensors used in aviation 2021－04－19发布 2021－07－01实施 中华人民共和国工业和信息化部 发 布 ICS 49.053 V 26 HB 8618－2021 I 目 次 前言……………………………………………………………………………………………………………… I 1 范围…………………………………………………………………………………………………………1 2 规范性引用文件……………………………………………………………………………………………1 3 术语和定义、 符号……………………………………………………………………………………………1 4 FBG应变传感器概述………………………………………………………………………………………3 5 性能指标……………………………………………………………………………………………………3 6 测试条件……………………………………………………………………………………………………4 7 测试项目……………………………………………………………………………………………………5 8 测试方法……………………………………………………………………………………………………6 9 测试结果处理………………………………………………………………………………………………17 附录 A(资料性附录) 光纤光栅应变传感器安装及记录格式……………………………………………18 附录 B(资料性附录) 空白详细规范 ……………………………………… ………………………………19 附录 C(资料性附录) 光纤光栅应变 传感器的应变计算方法…………… ………………………………22 附录 D(规范性附录) 抽样和统计评估……………………………………………………………………23 附录 E(资料性附录) 关于使用光纤光栅应变传感器测量仪器的建议…………………………………25 附录 F(资料性附录) 光纤光栅应变传感器测试证书推荐格式…………………………………………26 HB 8618－2021 II 前 言 本标准按照 GB/T 1.1－2009 给出的规则起草。 本标准由中国航空综合技术研究所归口。 本标准起草单位：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所。 本标准主要起草人：宋 昊、吴 天、王文娟、申雅峰、张慧君、薛景锋、张爽爽、陈 斯、 张梦杰、张欣颖、赵启迪、邓足斌。 HB 8618－2021 1 航空用光纤光栅应变传感器性能测试要求 1 范围 本标准规定了光纤光栅应变传感器的性能指标、测试条件、测试项目、测试方法、测试结果的处理。 本标准适用于航空用光纤光栅应变传感器的性能测试。 2 规范性引用文件 下列文件对于本标准的应用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，仅注明日期的版本适用于本 文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)使用于本标准。 GB/T 7424.1 光缆总规范 第1 部分：总则 GB/T 7424.2 光缆总规范 第2 部分：光缆基本试验方法 GB/T 10111 随机数的产生及其在产品质量抽样检验中的应用程序 GB/T 12160 单轴试验用引伸计的标定 RTCA/DO－160 机载设备的环境条件和测试程序( Environmental conditions and test procedures for airborne equipment ) 3 术语和定义、符号 3.1 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1.1 光纤布拉格光栅 FBG fiber Bragg grating 简称 FBG，即纤芯折射率周期性变化的一段光纤。在单模光纤中写入的布拉格光栅，可以选择性 地反射特定波长的窄带光，而透射其他波长的光。 3.1.2 FBG应变传感器 FBG strain sensor 用一个或多个 FBG作为应变测量敏感元件的传感器。 3.1.3 布拉格波长 λB Bragg wavelength 满足布拉格衍射条件，且与布拉格反射最大值和前向传输最小值对应的波长。 3.1.4 反射率 R FBG reflectivity 对FBG布拉格波长光的最大反射效率，一般用％表示，最大为 100％。 3.1.5 FBG谱线宽度 FBG spectral width FBG反射光谱中主瓣的半高全宽，光谱高度为布拉格波长谱高的 50％时的光谱宽度(见图 1)。 HB 8618－2021 2 (1) 主瓣和最大旁瓣的光强度差 (2) 距离布拉格波长一侧或两侧最大值的波长间隔 (3) FBG信噪比 图 1 布拉格光栅反射光谱特性 3.1.6 应变灵敏度 strain sensitivity 安装在被测试件上的 FBG应变传感器，其轴向受到单向应力时引起的中心波长变化，与此单向应 力引起的试件表面的轴向应变之比，见式(1)。以 k0表示。 k 0………………………………………………(1) 3.1.7 应变因子 gauge factor 引入无量纲的系数 k作为应变因子，表示 FBG应变传感器波长的相对变化 ∆λ/λ0与机械应变 ∆ε的 比值，见式(2)。 k   0………………………………………………(2) 3.2 符号 下列符号适用于本文件： a： 弯曲梁中点到支脚之间的距离 h： 弯曲梁的厚度 k： 应变因子 ki： 第i只光栅的应变因子 k： 平均灵敏系数 l，L： 长度 n： 光纤纤芯折射率 neff： FBG 的有效折射率 P0： FBG 反射谱的峰值光功率 Ps： FBG 反射谱的最大旁瓣光功率 波长( nm)光强度( dBm) HB 8618－2021 3PλB： FBG 的光功率 P1，P2：弯曲梁的中点挠度 R： 反射率 α： 光纤材料的热膨胀系数 αgm： FBG 应变传感器的载荷传递材料的热膨胀系数 ε： 试件表面上的轴向应变 ∆ε： 试件表面上的轴向应变量 εa： 施加到测试样品的应变 εT： 温度引起应变(热输出) εOF： 在测量对象表面的弯曲应变 εOSS： 由应用的 FBG应变传感器测量的应变 εp： 弯曲梁表面的应变 εf： 用有限厚度的附加传感器测量的弯曲梁的应变 εs： 表观应变 λB： 布拉格波长 λ0： 初始波长 Δλ： 由应变变化引起的 FBG中心波长变化 ： FBG 周期 μ： 弯曲梁的泊松比 ξ： 热光系数 4 FBG应变传感器概述 4.1 用途 FBG应变传感器安装于航空结构表面或埋植于复合材料内部，实现航空结构应变响应的高精度测 试，为关键部位应变及载荷监测、损伤识别、结构寿命评估提供数据支撑。 4.2 原理 FBG应变传感器在规定的测量范围内，应变量能对传感器反射中心波长进行调制，并且应变量和 FBG反射波长呈现一一对应关系。 4.3 结构 FBG应变传感器主要由传感器基底、光纤光栅、尾纤、保护套管及连接头等组成(见图 2)。传感器 安装及记录表建议格式参见附录 A。 图 2 产品结构示意图 5 性能指标 5.1 外观及附件 HB 8618－2021 4 a) 传感器基底、尾纤表面不应有明显的凹痕、划伤、裂缝、变形等现象； b) 传感器上金属部件不应有锈蚀和其他机械损伤； c) 说明功能的符号文字及产品的所有标志应清晰端正、安装牢固； d) 尾纤连接应紧固，尾纤强度应符合 GB/T 7424.1 和 GB/T 7424.2的要求。 5.2 技术指标 FBG应变传感器的主要性能应符合表 1 的要求。 表1 FBG应变传感器主要性能指标 指标编号 指标名称 说明 级别 A B C 1 中心波长 传感器的中心波长 nm 1510～1590 2 3 dB带宽 传感器的3 dB带宽 nm 0.1～1 3 反射率 传感器的反射率 ％ 10～100 4 应变灵敏度 波长变化与应变变化比值 pm/με 厂家给出 5 应变因子 波长相对变化与应变比值 / 厂家给出 6 应变因子分散性 对平均值的分散性 ％ ±1 ±2 ±3 7 线性度 传感器的线性度 ％ 0.5 1 2 8 重复性 传感器的重复性 ％ 0.5 1 2 9 机械滞后 室温下的机械滞后 μm/m 3 5 8 10 蠕变 室温下的蠕变 μm/m 3 5 10 11 温度引起应变 由温度引起材料热膨胀及光栅折射率 变化而产生的应变 με/℃ 根据不同材料等决定 12 最小弯曲半径 传感器无损坏最小弯曲程度 mm 20 30 50 13 应变测量范围 室温下