光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数是一个及其重要的参数，它直接影响应变的测量结果，为了保证光纤光栅应变传感器在使用过程中成活率和长期性，一般都要对其进行不同形式封装和使用粘接剂进行安装，加之使用环境的不同，光纤光栅应变本身的传感特性会发生变化。为了保证应变测量数据的准确可靠，在使用前，应对光纤光栅应变传感器的灵敏度系数进行标定。本文提出了一种基于金属材料拉伸实验的光纤光栅应变传感器应变灵敏度系数标定方法，并通过标定实验，验证了该方法的可行性。
1、光纤光栅应变传感器应变测量原理
光纤光栅应变传感器是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤传感组件，其作用效果相当于在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜，当一束中心波长为的宽光谱光经过光纤光栅应变时，被光栅反射回一束单色光。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯有效折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。
由光谱特性可知，光纤光栅应变的反射谱中心波长为
常温条件下，对普通石英光来说，，按公式（4）可计算出初始中心波长为（1510~1590）nm的光纤光栅传感器应变灵敏度系数理论平均值为1.209。
2、光纤光栅应变传感器应变标定方法
以专用标定试样为依托，如图1所示，在专用标定试样上粘贴光纤光栅应变传感器，应用拉伸试验机对标定试样施加轴向应力，使标定试样工作区域产生均匀变形，标定试样受到轴向应力作用表面产生应变，通过装卡在标定试样上的高精度引伸计读取试样的形变量，经过计算得到光纤光栅应变传感器的应变，从而实现光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数标定。
图 1标定原理图
图中：a、b两点之间为专用标定试样的工作区域，长度为，即标距；F为粘贴在标定试样
3、光纤光栅应变传感器应变灵敏度系数标定实验
3.1 制作专用标定试样
标定试样选择的金属材料为45CrNiMoVA；试样原始标距为50mm，直径为10mm；试样粗加工后，进行淬火和回火处理，首先加热至860℃后，保温60min，用油冷却，完成淬火；然后再加热至200℃，保温180min，用油冷却，完成回火处理。热处理完成后对标定试样进行精加工，保证试样粗糙度。
3.2 粘贴光纤光栅应变传感器
使用酒精擦拭标定试样工作区域，用3M胶带将将光纤光栅应变传感器光栅区域固定在试样工作区域一端，将传感器拉直后固定另一端，栅区应粘贴在工作区域中间位置。将专用胶水均匀涂抹在光纤光栅应变传感器栅区两侧，使传感器和标定试样紧密贴合，静置24h，使胶水完全固化。
3.3 标定试样夹持
使用螺纹夹具夹持标定试样，夹持力为2MPa，引伸计标距设为50mm，控制试验机加载500N的预紧力。
3.4 标定过程
拉伸试验机试验方式设置为变形控制，速率为0.01mm/min，按0.025mm的变形量逐级加载，直至试样变形量达到0.125mm，每一级稳定2min后，分别记录变形量和中心波长，变形量达到0.125mm并稳定2min后卸载，重复进行三次，记录光纤光栅应变传感器的中心波长变化和高精度引伸计读取的形变量。将实验数据按照公式（6）进行线性拟合，拟合曲线如图4~图6所示。
图 6 光纤光栅应变传感器中心波长变化与应变拟合曲线
（第3次实验）
将三次实验结果的光纤光栅应变传感器应变系数的平均值作为该传感器的应变灵敏度系数，经计算该光纤光栅应变传感器应变灵敏度系数为1.2532。
由以上实验可知，光纤光栅应变传感器理论应变灵敏度系数与标定的应变灵敏度系数存在较大差异，其主要原因为光纤光栅应变传感器在标定时粘粘贴在标定试样上，粘贴剂的选择，粘贴剂的多少，粘贴的长度、位置，静置时间，夹持力度、环境条件等都会对应变灵敏度系数标定结果产生影响。因此光纤光栅应变传感器在工程应用前，均应对应变灵敏度系数进行标定。
4、结语
通过以上研究，对于裸光纤光栅传感器应变灵敏度系数的标定可以利用金属材料拉伸实验来进行，整个标定过程只需要制作一个拉伸试样即可完成光纤光栅应变传感器灵敏度系数的标定，标定过程简单，方法简便可靠，为光纤光栅应变传感器在工程上的应用奠定了基础。
参考文献
[1] GB/T 228.1-2021金属材料 拉伸实验 第1部分：室温实验方法[S]，中国标准出版社.
[2] 孙丽、张春巍，结构健康监测光纤光栅传感系统理论与应用[M]，科学出版社，2020年.
