ICS 49.053 V 26
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
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。
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 RFBG 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)。
(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。
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Δλ/λ0 与机械应变Δε 的比值，见式(2)。
Δ λ
k = λ0………………………………………………(2)
Δε
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
PλB： 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
Δε： 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
Λ： 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
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
6 测试条件
6.1 环境条件
测试应在下列条件下进行：
温度：(20±2)℃
相对湿度：45%～75%
6.2 测试设备
测试设备及主要技术指标如表 2 所示。
表 2 测试设备及主要技术指标
7 测试项目
测试项目见表 3。
表 3 测试项目
表 3 测试项目 (续)
8 测试方法
8.1 外观检查
在光线充足的室内进行目测，应符合本标准 5.1 的要求。
8.2 中心波长
将 FBG 传感器连接至光谱仪，测得其中心波长(如图 3)。记录 FBG 传感器的中心波长，如果客户要求，还应记录 FBG 光谱。
图 3 FBG 反射谱
8.3 3dB 带宽
将 FBG 传感器连接至光谱仪，测得的 FBG 反射谱见图 3 所示。可得到峰值功率 P0 向下 3dB 处的波长宽度即为 3dB 带宽。应记录测得的 3dB 带宽，如果客户要求，还应记录 FBG 光谱。
8.4 反射率
用光谱仪测量 FBG 应变传感器未弯曲时的 FBG 光谱(见图 4)。根据定义，反射率计算方法(见式(3))如下：
RFBG = PλB × 100%…………………………………………(3)
P
图 4 FBG 反射谱(左图)和透射谱(右图)
应记录测得的反射率，如果客户要求，还应记录 FBG 光谱。
8.5 应变灵敏度
8.5.1 测试方法
应变灵敏度准确地描述了 FBG 应变传感器对其产生的应变的响应，可以是非线性的。应变灵敏度通常由拉伸应变测试确定。为均匀地拉伸 FBG 段，必须使用适当的工具通过单轴拉伸应变加载样品。拉伸试验提供了通过单轴应变加载的 FBG 的精确应变特性。对于校准程序，参考测量系统的分辨力应至少要比被测传感器的测量分辨力高 5 倍。必须确保参考测量系统的测量不确定度允许排除系统测量偏差。如果参考测量系统的测量不确定性较差，则应记录下来。
样品的伸长率可以通过精密引伸计来测量，例如法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪或其他类型的干涉仪等光学引伸计。在样品变形最具代表性的 FBG 变形的地方，通常将参考应变计置于试样的表面。但该方法可能受因固定不当(主要是粘合剂)引起的应变转移误差的影响。此时， 建议使用物理上和应用程序无关的参考系统，如图像相关或散斑图案干涉测量系统。光学非接触式测量方法可以测量应用传感器(带涂层传感器，固定材料，样品材料)的所有部件的表面位移。光学方法的选择取决于应变范围、应变分辨力和环境条件的要求。
应变灵敏度确定也可用于确定应变传感器样品的应变因子 k(见 8.6)。如果应变传感器连接到要评估的材料上，并且如果拉伸试验设备配备有测量系统(例如数字图像相关系统或基于散斑干涉测量的系统，其独立于评估方法来确定应变响应)，可以评估所涉及的材料如涂层，粘合剂等对应变灵敏度特性的影响。
以拉伸试验设备为例，夹持在承载设备中的引入单轴拉伸应变的试样(见图 5)被用于测定应变灵敏度。设备的操作原理如下： 被测传感器(样品上的传感器，试件)应集中安装在主要应力方向。样品应精确对准并固定在把手上，使施加力的轴线与要表征的传感器的应变方向一致，在加载过程中不得引入弯曲。
如果要使用特殊类型的 FBG 应变传感器，例如光栅长度较长的 FBG，可适当引入工装或调解参数。调整后该设施的操作原理和标准不确定性应文件化并根据要求提供。
应变灵敏度是通过对传感器样品施加单轴应变来确定。测量程序应遵循如下内容：
a) 应变范围应从传感器规定的最小到最大应变至少 5 等距离的步长进行变化。此过程应该在至少三个拉伸和释放测量循环中进行。
b) 在测量过程中参考环境条件应达到至少±0.5K 的温度稳定性，以避免温度引起样品波长的变
化。如果对测试传感器有特殊要求， 必须改善温度稳定性。妥善储存后， 根据制造商的说明(详细规范见附录 B)，FBG 应变传感器应在标准条件下安装在标准试样或试验装置上。
c) 用于确定应变灵敏度的安装条件(结合类型)应与传感器操作的安装条件相同。
特别指出，在被测设备处于长期应变测量的情况下时，应变灵敏度的测定应考虑温度和湿度的影响。建议在结合机械、热和环境负荷下进行测试。
图 5 拉伸试验设备示例
8.5.2 计算和记录
应变灵敏度由 FBG 波长变化量 Δλ 和应变变化量 Δε确定。应变灵敏度计算公式(见式(4))为：
k………………………………………………(4)
记录 FBG 的应变灵敏度和测量程序。
8.6 应变因子
8.6.1 测试方法
用应变因子 k 被引入作为实际使用的线性近似值。因任何应变传感器的应变灵敏度不必是线性的，而是可以偏离线性函数。对于应变测量结果的简单说明， 在规定的条件下使用应变因子。应变因子的使用已经在过去几十年中得到确立。制造商为其应变传感器产品提供应变因子， 并在规定的应用条件下定义应变因子有效的不确定度。制造商必须确保所有规定条件下的应变因子的稳定性， 并且对应变灵敏度的所有特定环境和长期影响都在应变因子的不确定度范围内。
确定应变传感器产品的应变因子 k 的常用方法是四点弯曲试验法。根据测试设备的可用性， 可以采用四点弯曲试验法(刚架梁试验法)或拉伸试验法。选择不同的测试方法必须考虑安装传感器材料的具体要求。
以弯曲梁用于应变传感器应变因子 k 的测量为例。设备的操作原理如下： 被测传感器应按主要方向安装在梁上。应使用四点弯曲试验装置(或刚架梁试验装置)，在梁的中间给出线性应变和应力分布，并在载荷应用的内点之间给出恒定的弯矩。这避免了由于弯矩变化而导致梁材料的不均匀性影响传感器。传感器应集中安装在弯曲梁上。
应通过位移而不是载荷产生弯曲，以避免弯曲梁的蠕变作用。加载装置(见图 6)应是刚性的。在弯
曲梁中应产生尽可能小的扭转。传递到被测传感器中的应变 εa 应在-1000μm/m 到+1000μm/m 之间的应变范围，允许的偏差为±100μm/m ;而应变极限应根据弯曲梁的材料选择。该应变应保持在允许的弹性范围内，也就是金属材料屈服强度的 70%。其他材料的屈服强度应根据相关标准定义，或者必须通过试验定义。应变 εa 的测量不确定度最大为 0.5%。在弯曲梁的工作范围内， 应变不得超过 0.5%的不确定度值。
图 6 四点弯曲试验装置(左)和剪力弯矩图(右)测试设备应允许在多个加载步骤中引入静态应变。
弯曲梁的弯曲应通过位移测量来测量(见图 7)。
图 7 通过位移测量确定应变(注：①压缩表面②拉伸表面)
弯曲梁的凹面上测量的表面应变见式(5)。
用于弯曲梁的凸面上的测量的表面应变见式(6)。
因为 FBG 应变传感器被放置在距离弯曲梁表面的距离 s 处(见图 8)，FBG 中的测量应变 εOSS 应被校正。
弯曲梁的修正应变 εf 见式(7)。
图 8 弯曲梁表面安装的 FBG 应变传感器
图 8 中，0.5h 为弯曲梁表面距离中性轴的距离，s 为传感器距离结构表面的距离，①为弯曲梁的中性轴，②为表面安装的传感器。
FBG 应变传感器的应变因子 k 应通过以下方式之一确定：
a) 弯曲试验法：将力施加到安装了被测传感器的弯曲梁上;
b) 拉伸试验法：在测量期间将测试传感器安装在距离为 L0 的两个点处，在轴向位移的运动过程进行应变测量。
测量程序应遵循如下内容：
a) 载荷可以连续或逐级引入。推荐采用逐级加载，以避免拉伸试样或梁材料的强度性能发生变化。根据传感器必须执行的负载范围来定义负载阶跃数。应变范围应从传感器规定的最小到最大应变至少 5 等距离的步长进行变化。测量应该在至少三个拉伸和释放测量循环中进行。逐级恒定控制载荷步骤应进行位移控制以避免蠕变效应。
b) 在测量过程中以参考环境条件为准，温度稳定度至少为±0.5K，以避免温度引起样品 FBG 中心波长的变化。如果对测试传感器有特殊要求， 必须改善温度稳定性。妥善储存后， 根据制造商的说明，FBG 应变传感器应在标准条件下安装在标准试样或试验装置上。
c) 用于确定应变因子 k 的安装条件(粘合类型)应与传感器操作的安装条件机械相同。
具体测量程序参考如下步骤：
a) 将被测的 FBG 应变传感器样本分为相等或相近的两份，分别粘贴于弯曲梁工作段的受拉面和受压面，并按照规定的工艺要求进行处理。粘贴时，应保证 FBG 应变传感器的纵轴平行于弯曲梁的轴向应力方向。
b) 所测试的传感器应在正负方向交替进行至少三次预加载。预加载应产生一个比用于应变因子 k的测试的应变至少要高出 10%的应变。如果传感器不能负向加载，则只进行正加载。
c) 安装有 FBG 应变传感器的弯曲梁应调整到零位，应记录测量值 λ0。
d) 将光纤应变传感器粘贴在弯曲梁上，传感器尽量靠近梁中心位置。加载后梁表面轴向机械应变的标称值为：预加载(0，+1100，-1100)µm/m，测试时加载(0，+1000，-1000)µm/m。 FBG 应变传感器的应变计算方法参见附录 C。
e) 试验时应符合 6.1 规定的环境条件，用于应变因子测定并已粘贴了 FBG 应变传感器的弯曲梁，应在同一环境中放置不少于 12h。
特别指出，在长期应变测量的情况下，应变因子 k 的测定也应考虑温度和湿度的影响。建议在结合
机械、热和环境负荷下进行测试。
8.6.2 计算和记录
按公式(8、9、10)计算单个光纤应变传感器的应变因子ki，光纤应变传感器在弯曲梁受拉时的真实应变 εZL，光纤应变传感器在弯曲梁受压时的真实应变 εZY。
ki
εZL = εAL )……………………………………………(9)
εZY = εAY )……………………………………………(10)
式中：
εZL ——光纤应变传感器在弯曲梁受拉时的真实应变;
εZY ——光纤应变传感器在弯曲梁受压时的真实应变;
εAL ——弯曲梁表面受拉时的机械应变(1000μm/m);
εAY ——弯曲梁表面受压时的机械应变(1000μm/m);
Δ λL ——加载与卸载时同一光纤应变传感器受拉时中心波长读数差的三次平均值;
Δ λY ——加载与卸载时同一光纤应变传感器受压时中心波长读数差的三次平均值;
e ——光纤应变传感器敏感栅的中心线与梁表面之间的距离。
按公式(11)计算平均应变因子k
n ——被测 FBG 应变传感器样本中的样品数，即样本容量。样本抽取应符合 GB/T 10111 的要求。
样品的抽样和统计评估方法见附录 D。
按公式(12)、公式(13)计算 FBG 应变传感器应变因子对其平均值的分散性 δk 和应变因子的标准偏差 Sk：
δk = tp……………………………………………(12)
sk
tp ——置信水平为p 的 t 分布临界值，置信水平p 一般取 95%。tp 值与被测 FBG 应变传感器总数 n的对应关系见表 4。
表 4 t 分布的临界值表(置信水平p=95%)
表 4 t 分布的临界值表(置信水平p=95%) (续)
记录应变因子 k 和测量程序。
8.7 线性度
先进行预加载，预加载方式与 8.6 中应变因子的试验方法相同，正式加载时以应变最大量程的 1/5为一级，即若要做±1000μm/m 范围的线性度，则以每 200μm/m 为一级进行递加，并在每级稳定 5s 时采集数据，达到 1000μm/m 后回程，以每 200μm/m 为一级进行递减至-1000μm/m，再回零为一个循环，共做 3 次循环。
将应变传感器实际静态特性的校准特性曲线与某一参考直线不吻合程度的最大值作为线性度 ξL，其计算公式见式(14)、式(15)、式(16)：
(ΔyL)max = max Δyi , L i = 1, 2, , n………………………………(15)
Δyi,L = yi _ yi…………………………………………… (16)
其中yFS 为满量程输出，定义为yFS = B(xmax _ xmin ); B 为所选定的参考直线的斜率; Δyi,L 为非线性偏差，定义为第 i 个校准点平均输出值与所选定的参考直线的偏差;(ΔyL)max 为 n 个测点中的最大偏差。
基于所得到的 m 个标定点，利用偏差平方和最小来确定“最小二乘直线”，设参考直线为：
yLS = a + b × x
利用最小二乘法得到最佳a, 和b, 值，见式(17、18)：
a
b
其中yi 为输出波长，xi 为yi 所对应的微应变。
拟合出的最小二乘直线即为用来计算线性度选取的参考直线，算出最小二乘直线输出yi,，则偏差ΔyLH 见式(19)。
ΔyLH = yi, _ yi……………………………………………(19)
求其绝对值最大值即为最大偏差|Δy LH |max。线性度 ξLH 见式(20)：
100%………………………………………(20)
记录线性度和测量程序。
8.8 重复性
重复线性度测量至少 3 次，计算传感器的重复性。
通过贝塞尔公式计算光纤传感器在正行程及反行程相应测量点多次读数的标准偏差见式(21)。
s2………………………
式中：
sui，sdi ——光纤传感器在正行程及反行程相应测量点多次读数的标准偏差;
yuij，ydij ——第 i 次测量上正行程和反行程的第j 个测量数据;
yui，ydi ——第 i 次测量上正行程和反行程测量数据的算术平均值。
整个测试过程的标准偏差见式(22)：
s
传感器的重复性指标见式(23)：
…………………………………………(23)
式中，3 为置信概率系数，3s 为置信限或随机不确定度。
记录重复性和测量程序。
8.9 机械滞后
检验机械滞后的试验装置、弯曲梁、测量仪器与 8.6 相同。机械滞后试验应在室温下和极限工作温度下分别进行。记录数据前预先加卸载三次。
加载方法：0→1000μm/m →0，每次加载达(1000±50)μm/m 时停留时间不得超过 1min。
正式加载前，记录每个 FBG 应变传感器的初始读数(或零点)，然后加卸载三次，记录每个 FBG 应变传感器每次卸载时的读数，计算每个 FBG 传感器相邻两次卸载时的应变读数之差，取绝对值较大者Δεmax 进行单只 FBG 传感器的机械滞后和该批传感器的机械滞后平均值的计算。
计算单个 FBG 应变传感器的机械滞后Zi，见式(24)。
Zi = Δεmax………………………………………………(24)
对于同一批次的机械滞后值可用 n 支被测传感器机械滞后的平均值，见式(25)。
Z = Σ Zi………………………………………………(25)
i=1
式中：
Δεmax ——相邻两次卸载时应变读数之差的绝对值较大者;
Zi ——第 i 只 FBG 应变传感器的机械滞后值;
Z ——被测 FBG 应变传感器样本的机械滞后平均值。
记录机械滞后和测量程序。
8.10 蠕变
检验蠕变的试验装置、弯曲梁、测试仪器与 8.6 相同，应变传感器安装在梁的正反两个方向，加载时为了使弯曲梁保持恒定的机械应变，可采用固定位移的加载方式，加载后弯曲梁不得有振颤产生。试验前各被测 FBG 应变传感器应保持 4h 以上未承受机械载荷，测定蠕变时只允许加载一次。
试验应在室温下进行。试验前采集初始数据， 试验时将梁在 15s 内加载至(1000±50)μm/m 并保持恒定，加载后 1min 内必须完成记录。拉伸和压缩应变传感器的第一次读数作为初始值，然后每隔 10min采集一次数据，直至第 60min，然后回零，再进行数据采集。
a) 计算每个 FBG 应变传感器各次加载应变读数与第一次读数之差，取其中最大差值用 θi 表示。
b) 分别计算出将受拉、受压 FBG 应变传感器的平均值θL 和θY，然后以两者之中较大者经灵敏系数修正后，即得该批 FBG 应变传感器的蠕变值θ。
计算公式见式(26、27、28)：
i……………………………………………(26)
i……………………………………………(27)
max…………………………………………………(28)
式中：
nL ——受拉时被测 FBG 应变传感器的个数;
nY ——受压时被测 FBG 应变传感器的个数;
θi ——单只被测 FBG 应变传感器蠕变值;
θmax ——被测 FBG 应变传感器的最大蠕变值。
记录蠕变和测量程序。
8.11 温度引起应变
8.11.1 测量方法
FBG 应变传感器的温度引起应变响应由下面因素决定：①光纤形成复杂传感器结构的材料的热膨胀，②FBG 随温度变化的折射率变化。
以上两种都影响 FBG 的布拉格波长，并因此影响测量装置显示的应变，这将导致产生测量误差。热光效应和热膨胀之和导致的应变记作 εs，见式(29)。
等式右边的第一项描述了由于温度变化所引起传感器材料的膨胀，第二项描述温度引起的应变，并表示为 εT。温度引起的应变是光纤特有的， 且典型值为 7.8×10-6 ·K-1 (对于 1550nm 范围内的波长和标准单模玻璃光纤有效，例如 SMF28)。裸光纤材料的热膨胀 α (等式(29)中的第三项)可以忽略不计。然而，对于任何塑料涂层中的二氧化硅光纤，由于热膨胀系数的温度依赖性热膨胀可随温度而大幅上升;对于大多数聚合物，杨氏模量随着温度下降得更快。事实上，FBG 应变传感器的温度效应在低温下是最强的，并且在高温下逐渐降低。该效应的大小取决于聚合物的类型及其玻璃转变温度。
考虑到热膨胀细节，可以将许多标准应用的应变表示为波长的相对变化，见式(30)。
= k .(αgm .ΔT)+ ξ .ΔT……………………………………(30)
对于应变测量，所获得的测量值应进行校正，以达到最终结果。在测量装置处显示的是温度引起的应变和机械诱导应变之和。通常， 测量需要的结果是机械诱导应变。为了得到这一点，应从装置显示的应变值中减去温度引起的应变。
测量程序应遵循如下内容：
a) 温度引起应变 εT 应在温箱或恒温器中在预期温度范围内测定，而不引入应变。测量光缆应适用于所需的测量温度。FBG 应变传感器应以常见的方式连接，以便以后安装。应使用手册中可查到热膨胀系数的材料并对该材料进行适当的温度校正。
b) FBG 应变传感器材料的热膨胀系数应由制造商告知或指定，并在手册中可查。
c) 试样的温度测量所需的设备应具有优于 0.2K 的不确定度。
d) 应测试至少五个 FBG 应变传感器的温度特性。应记录式样编号、样品数量以及温度变化过程，选择适当的温度梯度，并记录循环次数。
e) 建议在降温下进行测量，首先将 FBG 应变传感器加热到最高温度，接下来，温度将逐级或线性地下降，使得在记录测量的应变值之前达到热平衡。在 0℃至 100℃的温度下，应严格避免样品发生冷凝。在此过程中应记录 FBG 应变传感器的温度和布拉格波长变化。
8.11.2 计算和记录
温度引起应变 εT 根据关系简化，见式(31)。
Δ λ
ε = _ α .ΔT…………………………………………(31)
如果要完善测量结果，则需要计算平均值和标准差。平均值和标准差应根据各个测量值确定。
应记录分析结果或用图形表示温度引起应变。如果是线性关系，可以用拟合表达式给出。
8.12 最小弯曲半径
FBG 应变传感器应放置在装载设备中并以给定半径(例如使用已知直径的管)弯曲。FBG 应变传感器从松弛状态，不断减小其弯曲半径，对其进行测试，同时观察频谱图中的布里渊中心频率，直到 FBG应变传感器的噪声非常大，无法正常测试。如果 FBG 应变传感器在该测试之后仍然完全可操作，并且可以被认为是未损坏的，那么给定的半径应该被记录为最小的曲率半径。测试应重复至少三次。
记录最小弯曲半径数值。
8.13 应变测量范围
8.13.1 概述
-当满足以下条件之一时，达到最大应变范围：
-在测量过程中，传感器数据出现突变;
-光谱出现明显啁啾，造成应变恒定时数据读数波动大于 50μm/m;
-在适当应变下 FBG 应变传感器的应变因子 k 偏差大于指定的不确定度;
-光谱中最大的旁瓣与布拉格峰值之差不低于 5dB;
-光谱显示不再适合评估的结构。
8.13.2 测试设备
应使用与 8.5 或 8.6 相同的测试方法，以确定室温下的最大应变范围。应使用具有已知应变行为
的弯曲梁或拉伸应变试验样品来产生确定的应变。设定应变的最大不确定度应小于 1%。应变应连续可调，负载可进行连续或逐级加载。在连续加载的情况下， 应调整加载速率，以避免拉伸试样或梁材料的强度性能发生变化。推荐采用逐级加载， 以避免样品或梁材料的强度特性发生变化。在逐步加载的情况下，应至少以 5000μm/m 的步长调整应变步长。在弯曲梁或拉伸应变试样的工作范围内，应变变化不大于 0.5%。
8.13.3 测量程序
经过适当的调整，一般讲 FBG 应变传感器安装在弯曲梁上，使其可以被压缩和拉伸。梁上的安装必须使 FBG 应变传感器可以被压缩和拉伸。如果 FBG 应变传感器只可测正应变，那么弯曲梁的加载方向只能在 FBG 应变传感器的正应变方向上，否则应使用拉伸试验方法。
传感器应连接测量仪器，并记录零点和光谱。试样应连续或逐步变形，直到达到目标应变。梁上的正应变和负应变，或拉伸试样的拉伸应变应根据相关的力学方程计算。
如果试验设备不能达到中止标准的应变，试验中得到的最大应变值应记录为最大应变。
8.13.4 计算和记录
应变 ε 的表达式见式(32)。
应记录 FBG 传感器的粘接方式和最大应变范围。如客户需要，应记录 FBG 应变传感器光谱。
8.14 疲劳寿命
试验步骤：调整设备使梁表面的机械应变水平为(1000±50)μm/m。分别在室温和极限工作温度下进行试验，每隔一定的循环次数或时间，观察一次 FBG 应变传感器的输出波形并记录输出幅值，直至疲劳损坏或规定的循环次数为止。
当出现下列情况之一者，即认为疲劳损坏：
a) FBG 应变传感器无信号输出;
b) FBG 应变传感器输出应变幅值变化 10%;
c) FBG 应变传感器回零超过所加最大应变的 10%;
d) FBG 应变传感器输出波形出现明显啁啾。
数据处理：
被测 FBG 应变传感器中任意一只最先达到疲劳损坏的循环次数，即为该批或该型号 FBG 应变传感器的疲劳寿命。
被测 FBG 应变传感器样本的疲劳试验循环次数应不少于表 1 中技术指标规定的循环次数。
8.15 环境适应性
FBG 应变传感器可用于航空结构地面试验和飞行试验，用于飞行试验时必须满足相关环境适应性要求。技术协议的试验项目、量值要求高于 RTCA/DO-160 的要求，应首先遵循技术协议的要求，否则应遵循 RTCA/DO-160 的要求。由于光纤光栅传感器在航空中应用大部分是半封闭环境，温度、湿热、振动等是影响光纤传感器环境适应性的主要因素， 在环境适应性试验中必须考虑。在航空应用特别
是飞行环境的应用中，光纤光栅解调仪的环境适应性是必须考核的内容，其建议参数可参见附录 E。
9 测试结果处理
9.1 概述
经测试的 FBG 应变传感器应出具测试报告，不合格判定依据 9.2，等级评定依据 9.3。测试报告推荐的模板见附录 F。
9.2 不合格判定
测试结果中若有任一单项工作性能未达到表 1 中 C 级的技术指标，则判定该传感器为不合格。
9.3 等级评定
FBG 应变传感器依据实际测量结果，按表 1 分级情况，给出对应的级别判定。
附录 A
(资料性附录)
光纤光栅应变传感器安装及记录格式
将 FBG 应变传感器与结构表面相结合或埋植于结构内部的过程称为 FBG 应变传感器的安装。FBG应变传感器以下列方式之一附着在测量对象表面或嵌入在测量对象中：
- 连续结构接触：FBG 应变传感器和待测结构在连续表面上具有摩擦锁定结合;FBG 应变传感器旨在测量结构在连续表面经历应变的平均应变或一个分量。
- 不连续结构接触：FBG 应变传感器和待测量结构在不同的表面/点组之间(一般是传感器两端)具有摩擦锁定结合，其间具有非接合间隙;FBG 应变传感器旨在测量表面/点之间经历应变的平均应变或一个分量。
FBG 应变传感器测量时，尾纤或光缆必须放置牢固，以不干扰测量对象和测量信号为准。
FBG 应变传感器的安装时，应详细记录以下各项，记录格式参见表 A.1：
a) 试件材料的种类和被测表面的清理步骤;
b) 粘接剂的种类;
c) 固化处理和稳定化处理过程;
d) FBG 传感器安装前后的中心波长值及环境温度。
表 A.1 光纤光栅应变传感器安装记录表
附录 B (资料性附录)空白详细规范
B.1 概述
空白详细规范旨在帮助制造商选择必要和实用的陈述，并帮助用户比较来自不同制造商的 FBG 应变传感器。与所涉及的传感器模型和应用相关，可以进一步陈述。参照本标准，FBG 应变传感器和相应的测量设备应由以下参数描述。
B.2 FBG 应变传感器的机械设置
机械设置参数包括：
- 结构细节和几何尺寸;
- FBG 应变传感器阵列的中心波长和测点间距;
- 连接要求，例如连接器类型，跳线长度，跳线类型，最小弯曲半径;
- 传感器光纤直径(包层直径);
- 光纤涂层的直径;
- 涂层材料类型;
- 粘合材料，例如用于表面粘合的胶水;
- 标距长度;
- 如果与标距长度不同，则以 mm 为单位的自由光纤长度;
- 固定点的距离(可选);
- 以克或千克为单位的质量;
- FBG 在光纤中的位置;
- 应变传感器的本征频率。
B.3 FBG 应变传感器的工作特性
工作特性参数包括：
- 布拉格波长 λB;
- FBG 应变灵敏度;
- 应变因子 k;
- FBG 光纤类型;
- 光纤头的光纤类型(由于例如芯径不匹配导致的损耗);
- FBG 应变传感器的温度引起应变;
- FBG 光谱宽度;
- FBG 反射率;
- FBG 应变传感器阵列的最大插入损耗;
- 信噪比;
- 索引配置文件(例如切趾);
- 未使用传感器的推荐存储条件，例如湿度，温度，紫外线辐射;
- 指定特征的环境条件;
- 如果光纤传感器使用应变传感器或贴片预应变;
- 应变传感器的滞后;
- 具有极高精度要求的应变传感器的线性度。
B.4 FBG 应变传感器的极限参数
极限参数包括：
- 最大应变范围;
- 正向应变;
- 负向应变;
- 给定振荡幅度和频率的最大负载循环次数(疲劳行为);
- 最小工作曲率半径;
- 1000μm/m 应变下的寿命;
- 3000μm/m 应变下的寿命。
B.5 FBG 应变传感器的温度数据
温度数据包括：
- 存储温度范围;
- 安装温度范围;
- 工作温度范围。
B.6 根据要求提供 FBG 应变传感器的更多信息
其他信息包括：
- 应用的实用提示(参考处理规定);
- 在确定几何尺寸测量方向上的传感器刚度;
- 在环境温度下允许的相对湿度;
- 在特定温度下的屈服强度。
B.7 FBG 解调仪的关键性能数据
关键性能数据包括：
- 基本工作原理(例如扫频激光，光谱仪，滤波器);
- 峰值确定方法(例如，频谱拟合，最大/最小值，插值，3dB 值的平均值，假峰值检测);
- 布拉格波长测量的稳定性(仪器稳定性);
- 布拉格波长测量的可重复性;
- 推荐的 FBG 类型，例如 FBG 应变传感器的轮廓(例如变迹)，光纤类型，纤芯直径;
- 布拉格波长测量范围;
- FBG 峰值检测范围;
- 每秒样本的采样率;
- 每个通道/每台仪器的最大传感器数量;
- 布拉格峰值漂移分辨力，以 pm 为单位;
- 以 dB 为单位的动态范围;
- 可用的光功率预估值;
- 可检测最小 FBG 信噪比;
- 所需/建议的校准间隔;
- 通道数量;
- 一根光纤上的传感器与不同通道上的传感器之间的同步测量或时间延迟;
- 运行条件(例如温度范围和湿度范围，振动和机械冲击，高度);
- 能量消耗;
- 电源(例如 12 VDC，110/230 VAC);
- 电源的特殊需求(接地，稳定源);
- 仪器的尺寸和重量;
- 界面;
- 交付/推荐的 DAQ 软件;
- DAQ 软件的灵活性(开源，用于个人编程的DLL，不可更改);
- 仪器中使用的连接器类型/光纤类型;
- 有关光源的信息(最大功率和光谱特性);
- 激光安全说明(在常规操作和光纤断裂条件下);
- 寿命(仪器/光源);
- 建议的服务间隔;
- 有关性能测试/校准的文档。
附录 C
(资料性附录)
光纤光栅应变传感器的应变计算方法
根据检测的传感器 FBG 反射波长，通过厂家提供公式系数，可以一一对应地计算出应变值，光纤应变传感器的计算方法分为线性拟合方式(见式(C.1))和温度补偿方式(见式(C.2))。
(C.1)
式中：
λ0 ——应变传感器初始波长值;
λi ——传时刻应变传感器输出波长值;
ε0 ——传感器初始应变值;
εi ——i 时刻传感器测量出的应变值; k ——应变因子。
式中：
λ0 ——应变传感器初始波长值;
λi ——i 时刻应变传感器输出波长值;
ε0 ——传感器初始应变值;
εi ——i 时刻传感器测量出的应变值; k ——应变因子;
ΔT ——应变传感器环境温度变化量;
“T ——应变传感器温度系数。
航空用 FBG 应变传感器测试中应提供传感器的系数 “T、k 数值，温度自补偿方式应变传感器可不提供 “T 数值。
附录 D
(规范性附录)抽样和统计评估
D.1 抽样
按照规定的测试范围，采用以下抽样方法：
- 随机抽样;
- 类型测试;
- 系列测试;
- 单个样品测试。
许多 FBG 应变传感器的属性只能在安装的传感器上确定。在这种情况下应进行统计评估。应注意样品传感器的数量以及评估的日期。
D.2 随机抽样
执行随机抽样的必要条件为假设该特征遵循高斯分布。所有用于特性测试的传感器应属于同一生产线。应选择大量样品(至少 5 个)。随机抽样测试的结果对于一个生产线是有效的。
D.3 类型测试
类型测试是 D.2 中的随机抽样测试。此处，至少五个这种类型的样品的测试结果对所有生产线都是有效的。
D.4 系列测试
系列测试是 D.2 中的随机抽样测试，其结果是针对传感器系列中的单个样品确定的结果，并且对整个系列有效。
D.5 单独样品测试
此处，应测试传感器系列的每个样本或特定 FBG 应变传感器的原型。
D.6 记录测量结果
系列测试、类型测试和随机抽样测试的结果表示为其相应标准差的算术平均值。应规定标准差表述形式。
如果传感器x1 至xn 被测试，则该特性被引用为传感器的 n 个确定值x1 至xn 的平均值x，见式(D.1)
xi………………………………………………(D.1)
标准差(单个值的)见式(D.2)：
s D.7 抽样条件
选择进行测试的传感器应与进行测试的环境达到平衡;无论如何，传感器应在这种环境中暴露至少6 个小时。
D.8 环境试验条件
所有试验应在规定的温度和相对湿度条件下进行;记录参数值及其公差。
D.9 各个特性的抽样方法
表 D.1 给出了各个特性所需的抽样方法。
表 D.1 各个特性所需的抽样方法
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
航空飞行环境下 FBG 应变传感器的测量仪器(光纤光栅解调仪)，必须考虑可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性和相关环境适应性等要求。
建议技术指标满足表 E.1 要求。
表 E.1 航空用光纤光栅解调仪建议技术指标
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
F.1 基本情况
F.2 测试条件
F.3 使用的计量标准器具
F.4 测试结果
