Pd77.5Cu6Si16.5剪切模量的光纤位移检测

　　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: