摘要:提出用反射型光纤位移法对非晶体Pd77.5Cu6Si16.5的剪切变模量的测试方法。讨论了测试原理,得到了测量非晶态微应变的一种新途径,分析了误差来源,对光纤测距条件进行了修正,提出了测试的约束条件。
引 言
非晶态Pd77.5Cu6Si16.5(文中简称PdCuSi)亦称人造金钢石,其强度仅比金属胡须的强度略低,断裂强度(370kg/mm2),剪切变量微小(0.1mm/1.5cm),其力学性质独特,该物质的切应变、剪切变模量用普通光学手段进行测试非常困难。光纤测微是八十年代发展起来的技术。本文提出运用反射型光纤位移的检测方法测量PdCuSi的微应变和剪切模量。
1 PdCuSi剪切变模量的光纤位移传感机理
光纤位移传感是把被测信息载荷到被导光的光纤上,通过光电转换把变化的光强转换成光电信息。如图1所示,从光源输出的光经光纤照射到PdCuSi样本上,经反射被另一光纤由探测器接收。若光纤直径为2a,数值孔径为NA,光纤与被测PdCuSi样本距离为b,导出光纤光功率Wo,光耦合系数u[1]之间关系为
式中u为交叠面积St与光锥端So面积之比,由于接收光纤芯径很小,光锥边缘与接收光纤芯交界之弧线作直线计(图2)
式中δ与光纤数值孔径NA之间的关系为δ=2btg[arcsin(NA)],其中b为测距的变化量, δ <2a。
取PdCuSi样本的长度、厚度、宽度分别为L,H,C,样本受力F后发生切变Δb(μm量级),如图3所示。剪切模量G[2]为
其中ν为PdCuSi泊松比。
对于(1)式考虑单位光功率输入,由于Δb形变微小
入光纤强度,ΔW为样本经Δb切变导入光纤光强Wi与Wo之差。(5)式表明导出光功率Wo与样本压强P的关系,结合光电转换规律可得到材料的剪切变模量G。
2 测量系统
测量系统组成如图4所示。光纤传感器采用SS-PA管阵列,其分辨率高、光敏元件尺寸可依需要设计。光功率Wo与光电流Il[3]存在关系为
式中λ光波波长,Wo为导出光纤功率,q电子电量,h普朗克常数,η为SSPA管列阵的量子效率。
光伏效应的输出电压
式中k玻尔兹曼常数,Ts绝对温度,Is为SSPA管列阵反向饱和电流。
综合(6),(7)式导出光纤光功率与光伏电压关系为
测量系统中光电变换及放大电路如图5。PIN用SSPA管作为放大器输入端,其阻抗极大(>10MΩ),为了检测微弱的电信号,放大器采用高输入阻抗LMC662工作频率1kHz的集成运放,其噪声电压仅22nV/Hz[4]。从提高I/V转换效率和防自激两者考虑,RL一般较大,增加一级LMC662形成较大电压输出。
3 测试条件讨论与误差分析
光纤位移检测属微位移测量,要使测量的G,b保持高精度,测试的约束条件分析如下:
(1)检测范围b
对于图1,很显然b≤d/2tg(arcsinNA)时,接收光纤象之外,两光纤耦合为零,无反射进入接收光纤。若b≥(d+2a)/2tg(arcsinAN)时,接收光纤位于光锥之内,耦合最强。考虑光强的几何分布b=10(d+2a)/2tg(arcsinNA)时,受光光纤光强度是整体光强10-4,故b不宜大于此值。当d/2tg(arcsinNA)
(2)测式样本尺寸的选择
由图4看出,arcsinNA arctg(2H/L)根据代数合成微小误差判据,取arctg(2H/L)=0.05arcsinNA其几何尺寸的约束条件H/L≤2.62×10-2。考虑到光纤形成的光锥面积,结合(1)约束条件测试样本表面积CL=100a2
(3)光源信号光强漂移的补偿[4]
为了消除光源光强漂移的影响,采用光强分束器负反馈稳幅补偿方法,如图6所示。
相应的应变在50μm至150μm变化曲线,②描述的是本文(1)式(5)式结合后得到的p-b曲线。④线考虑(10)式修正后运用计算机给出的PdCuSi应力p—应变b拟和曲线。③线和④线两者的拟合性相当好,表明本文采用光纤位移检测微应变具有较高精度且测试手段可靠,方法简洁。
结束语
综上所述,本文把光纤测距原理运用到有特殊力学性质的PdCuSi的剪切模量的测量上,设计了测试原理,对已有的光纤测距条件进行了修正,并讨论了误差来源与测试约束条件,测试手段可靠,拟合曲线一致性好。该方法为测量强度大、韧性好的材料切变性质提供一种新的有效途径。
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作者简介:丁么明(1963-),男(汉族),湖北孝昌人,硕士,副教授,从事微电子与光纤理论等方面的教学与科研。
