光纖光柵壓力計及傳感特性范文

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《華南師范大學學報》2016年第一期

摘要：

設計了一種基于懸臂梁結構的光纖布拉格光柵（FBG）壓力傳感器，采用應變片作為懸臂梁，將垂直壓力轉換成軸向應力．FBG固定在懸臂梁上，將應力轉換成中心波長的漂移．通過半導體激光器斜邊檢測法檢測FBG波長的移動．研究了FBG柵區長度和特征反射光譜寬度的關系，選擇并制作了柵區長度為1mm的FBGs作為傳感器，確保FBG中心波長漂移時，半導體激光的波長仍在FBG的反射光譜區域內，擴大了傳感器的動態范圍．在懸臂梁雙側設計了FBGs對結構，利用這對FBGs對環境溫度相應系數相同的特性，消除環境溫度波動對壓力測量的影響．在實驗中改變FBGs對的溫度，測量了它們對溫度的響應并利用溫度消敏算法獲得傳感器的溫度不敏感性能．提出了FBG壓力傳感器的空分復用技術，利用多個光纖耦合器和光電探頭（PD）陣列組成傳感網絡．上述的壓力傳感網絡技術在邊坡、基坑等土木工程結構安全監控領域具有實用價值．

關鍵詞：

光纖光柵；壓力計；光纖傳感網絡；特性

壓力是工業生產和環境監測的重要參數之一，壓力傳感器被廣泛應用于現代生活的各個領域，壓力的實時和分布式測量在工業生產、環境測量和軍事安全等方面具有重要的意義．傳統的壓力傳感器多為電磁類傳感器，其靈敏度低、測量范圍小、組網復雜，無法滿足快速發展的工業需要．光纖布拉格光柵（FBG）具有靈敏度高、結構小巧、性能穩定和易于組網等優點．研究者已提出了許多傳感器結構，例如將FBG黏貼在開口環有機玻璃上［1］，等強度懸臂梁與彈簧管結合的FBG壓力傳感器［2－3］，膜片式FBG壓力傳感結構［4－6］和基于聚合物的光柵壓力傳感器［4，6－7］等，然而這些結構在測量壓力時會受到外界溫度的影響．后來，許多基于溫度補償的FBG壓力傳感結構相繼被研究，如基于懸臂梁結構的溫度補償的光柵壓力傳感器［5，8－11］，還有具有溫度補償的彈性結構FBG傳感器［9，12－16］和改進型聚合物壓力傳感器［17］等．這些傳感結構雖然消除了溫度對測量系統的影響，但是光譜儀和光柵解調儀的成本較高，不適合廣泛應用．本文提出了一種基于懸臂梁的光纖光柵壓力傳感器，利用低成本的單波長半導體激光二極管和斜邊檢測方法實現了傳感器的信號解調，為了增大傳感器的動態范圍，研究設計了大帶寬FBG，具有結構簡單小巧、靈敏度高、成本低等優點，可消除溫度對壓力測量的影響．此外，本文還提出了多傳感器復用技術，將多個傳感器組成傳感網絡，適用于鐵路、水壩、山體等大型土木工程的壓力監測．

1研究方法

1．1壓力計機械結構設計傳感器選用懸臂梁作為傳感元件，能將外界的垂直壓力轉換為懸臂梁上的軸向應變，懸臂梁的示意圖如圖1所示．懸臂梁一端固定，另一端自由彎曲，外界壓力施加在自由端．施加壓力后，懸臂梁發生彎曲，懸臂梁上同一截面的上下表面產生大小相同，方向相反的應變，上表面為拉伸應變，下表面為壓縮應變．

1．2FBG傳感器設計和傳感器復用技術FBG的折射率在光纖軸向方向呈周期性變化，當1束光進入光柵時，滿足布拉格條件的光將被反射，其反射波長B稱為光柵的中心波長，其布拉格條件.光源為15501nm激光器，為保證當FBG的中心波長漂移時，激光仍被FBG反射，實驗需要較大帶寬的FBG．FBG的帶寬與其柵區長度有關，用Optiwave軟件對不同柵區長度的FBGs進行模擬仿真，纖芯的直徑為8μm，反射率為146，包層直徑為125μm，反射率為1445，光纖光柵的FBG波長為1549nm，模式參數為8817×10－4（圖3）．隨著FBG的柵區長度增加，其透射譜深度逐漸增加（圖3A），而其3dB帶寬隨之減小（圖3B）．FBG的柵區長度從05mm增加到25mm時，其3dB帶寬迅速下降，在柵區長度增加至25mm后，其帶寬基本不變，而且隨著光柵長度的增加，光柵的反射率增加，透射率減小．綜合考慮FBG的反射率和帶寬要求，選擇了柵區長度為1mm的FBG.采用光源為15501nm的低成本半導體激光二極管，激光管帶光纖尾纖輸出，為單波長多縱模工作，帶寬小于001nm，激光功率為802mW，FBG的中心波長為15489nm，柵區長度為1mm，其光譜如圖4所示．2根FBGs的3dB帶寬為12nm，其光譜帶寬足夠大，能保證FBGs中心波長發生大的漂移時，激光仍被FBGs反射，增加傳感器的動態范圍．使用的FBG最高能夠監測的微應變為16870nm．傳感器的系統如圖5所示，DFB激光器發出15501nm的激光，經過分束器后，分成2路信號，分別進入黏貼在懸臂梁上下側FBGs．耦合器接受經過FBGs反射后的光信號，傳送給光電二極管，轉換成電信號，經過放大后進行數據處理．

2結果與討論

采用相位掩膜法刻寫FBG，所用激光器為KrF激光器（ATLEX500），激光的波長為193nm，掩模板的周期為107118nm．去除涂覆層后的載氫光纖（H2的氣壓約為9MPa，溫度約為98℃，載氫時間為3d）放置在掩模板前方，通過可調狹縫來調節刻寫FBG的長度，圖4為實驗室刻寫的2根1mm的FBGs的反射譜．傳感器選用彈簧片作為懸臂梁，其長度為100mm，厚度為1mm．把2根刻寫好的FBGs分別黏在彈簧片根部的上下表面（圖1），當彈簧片的自由端發生彎曲時，彈簧片上側FBG被拉伸，下側FBG被壓縮，在不同的彈簧片偏移量下，2根FBGs的反射譜如圖6所示．隨著彈簧片自由端偏移量的增加，彈簧片上側FBG產生拉伸應變，其中心波長往長波方向漂移，如圖6中黑色箭頭所示．彈簧片下側FBG產生壓縮應變，其中心波長往短波方向漂移，如圖6中紅色箭頭所示．FBG中心波長的漂移不僅受應變的影響，同時還受外界溫度變化的影響．當保持偏移量y不變時，改變外界溫度，彈簧片上下側FBGs的反射譜變化如圖7所示．隨著溫度從25℃升高到45℃，彈簧片上下側FBGs的中心波長均往長波方向漂移，并且漂移量相等，因此，將上下兩側的光信號做減法處理，可以消除溫度對壓力測量的影響．傳感器的壓力測量系統如圖5所示，對彈簧片自由端施加應力，改變其豎直偏移量．當豎直偏移量從0逐漸增大至10mm時，光電探頭（PD）接收到的光功率變化如圖8所示．隨著彈簧片自由端的偏移量增加，上側FBG的中心波長向長波方向漂移，反射的激光功率增加．相反，下側FBG的中心波長向短波方向漂移，反射的激光功率減小．隨著懸臂梁偏移量的升高，懸臂梁上下側FBGs的光功率差逐漸變大．

把彈簧片和FBGs同時水浴加熱，以檢測溫度對傳感器的影響（圖9）．當水溫從26℃升高到55℃時，隨著溫度的增加，彈簧片受熱膨脹，上下側FBGs都被拉伸，并且FBGs自身對溫度敏感，這使中心波長向長波反向漂移，FBGs反射的激光功率也增加.然而，彈簧片上下側FBGs反射的激光功率隨溫度的變化趨勢基本一致，即上下側FBGs反射的光功率的差值不隨溫度變化（圖9），曲線的方差為00008，均方差為00286．所以可以通過對PD接收到的2路光信號做減法處理的方法，去掉溫度對壓力測量的影響．因此，光功率的差值只與外界壓力有關．本文利用光纖布拉格光柵（FBG）實現了將外界壓力信號轉換為光功率信號，采集光信號可實現檢測外界壓力的功能．利用光纖對信號的復用原理，1根光纖可實時傳輸多個傳感信號．將多個壓力傳感器分別布置在測量區域的不同地點，使其組成壓力傳感網絡，對整個測量區域進行實時分布式的壓力監測．

3結論

設計了一種實用的光纖光柵壓力傳感器，并對其原理和特性做了理論分析和實驗驗證．傳感器用1根彈簧片作為懸臂梁，將外界壓力轉換為軸向應變．黏貼在彈簧片根部上下兩側FBGs對軸向應變敏感，其中心波長會隨著應變變化而漂移，使PD接收到的由FBGs反射的激光功率發生變化．由于采用了差動FBG結構，彈簧片上下側FBGs對溫度具有相同的反應，通過減法處理，可消除外界溫度對壓力測量的影響．此外還提出來將多個傳感器復用，組成壓力傳感網絡，對測量區域內的壓力進行實時監測．光柵壓力傳感器具有結構小巧、成本低、性能穩定、靈敏度高、對溫度不敏感等優點，其組成的傳感網絡對工業上測量壓力具有重要的意義．

作者：魯昌濤 周斌 姜恒和 單位：華南師范大學華南先進光電子研究院