光纖布拉格光柵壓力傳感器標(biāo)定中的不確定度研究①

程書輝 吳 晟 李 川 謝 濤 胡練華 趙振剛 張長勝

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院)

光纖布拉格光柵壓力傳感器標(biāo)定中的不確定度研究①

程書輝 吳 晟 李 川 謝 濤 胡練華 趙振剛 張長勝

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院)

研制了一種量程為10kN的光纖布拉格光柵壓力傳感器標(biāo)定裝置，可實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵壓力傳感器的標(biāo)定和靜態(tài)測(cè)試。對(duì)光纖光柵解調(diào)儀獲得的中心波長和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的壓力值進(jìn)行最小二乘擬合，求出靜態(tài)標(biāo)定系數(shù)，并分析了標(biāo)定裝置的不確定度來源以合成不確定度。試驗(yàn)結(jié)果表明：光纖布拉格光柵壓力傳感器的響應(yīng)靈敏度為9.77×10-5nm/N，線性度2.79%FS，經(jīng)二階擬合后重復(fù)性誤差2.61%FS，標(biāo)定裝置的A類不確定度5.73N。

壓力傳感器 標(biāo)定 不確定度 Bragg波長

光纖傳感器具有靈敏度高、實(shí)時(shí)性好、抗電磁干擾及防燃防爆等優(yōu)點(diǎn)，因而被大量應(yīng)用于實(shí)際工程中[1～3]。但是對(duì)于每一款新研發(fā)的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)壓力傳感器，在使用之前必須進(jìn)行標(biāo)定研究。針對(duì)這個(gè)問題，楊淑連設(shè)計(jì)了一種工作波長為800mm的光纖壓力傳感器，并用溫度和雙折射進(jìn)行補(bǔ)償，在不同溫度和壓力條件下其相對(duì)誤差小于1.5%，在0～40MPa的壓力范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.0%以內(nèi)[4]；蘭春光等開發(fā)設(shè)計(jì)了一種滿足工程應(yīng)用需求的液體壓力傳感裝置，并通過大量標(biāo)定試驗(yàn)分析了該裝置的傳感特性，結(jié)果表明在測(cè)量范圍為0.0～2.5MPa時(shí)其分辨率小于0.4%FS，遲滯小于2.4%FS，重復(fù)性小于2.3%FS，線性度小于2.1%FS，總精度小于4%FS，傳感器具有溫度補(bǔ)償、線性度和重復(fù)性好及精度要求高等優(yōu)點(diǎn)[5]；陳富云等研制了一種雙模式光纖Bragg光柵土壓力傳感器，荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的靈敏度為412.7pm/MPa，非線性誤差為1.97%FS，重復(fù)性誤差為3.68%FS[6]。

筆者設(shè)計(jì)了一種量程為10kN的FBG壓力傳感器標(biāo)定裝置對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，對(duì)光纖光柵解調(diào)儀的中心波長和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀產(chǎn)生的壓力值進(jìn)行最小二乘擬合，求出傳感器靜態(tài)標(biāo)定系數(shù)，并分析該裝置的不確定度分量以合成不確定度和傳感器的靜態(tài)標(biāo)定系數(shù)，極大地提高了標(biāo)定精度。

1 FBG壓力傳感器的工作原理

如圖1所示，F(xiàn)BG壓力傳感器主要由平膜片、傳力桿、等強(qiáng)度梁和雙光纖光柵組成。平膜片受到一個(gè)縱向的壓力時(shí)，平膜片通過連接在平膜片和等強(qiáng)度梁間的傳力桿將壓力傳遞給等強(qiáng)度梁，等強(qiáng)度梁右邊受到傳力桿傳來的應(yīng)力而引發(fā)形變，導(dǎo)致粘貼在等強(qiáng)度梁上下側(cè)的光纖光柵發(fā)生改變。

圖1 FBG壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于布拉格光纖光柵，根據(jù)耦合模理論[7～9]，其中心反射波長λB為：

λB=2nΛ

式中n——FBG的有效折射率；

Λ——光柵周期。

λB隨n和Λ的變化而變化，n和Λ又受到應(yīng)變、溫度等因素的影響，所以可以通過Λ的變化求得應(yīng)變、溫度等因素的變化，這就是光纖光柵的傳感原理。

當(dāng)光纖布拉格光柵受到外力作用時(shí)，由于彈光效應(yīng)和光柵周期引起光纖布拉格光柵反射波中心波長λB的偏移ΔλB為：

ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ

式中 ΔΛ——光柵周期的增量。

當(dāng)只考慮應(yīng)力ε的影響時(shí)，光纖光柵中心反射波長的變化ΔλB為：

式中Pe——有效彈光系數(shù)，對(duì)于硅材料Pe≈0.22；

Pij——彈光矩陣的泡克爾斯系數(shù)；

υ——泊松比。

2 FBG壓力傳感器標(biāo)定原理

處于光纖光柵解調(diào)儀中的ASE寬帶光源發(fā)出的光信號(hào)通過光纖傳輸給安放在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀中的FBG壓力傳感器。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀給FBG壓力傳感器施加一個(gè)縱向壓力時(shí)，傳感器中的光纖光柵發(fā)生變化，然后引起反射波長發(fā)生改變，改變波長的光信號(hào)通過光纖傳輸給光纖耦合器，通過耦合器將信號(hào)傳給光纖光柵解調(diào)儀模塊實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的解調(diào)，并在上位機(jī)中記錄反射后的中心波長。圖2為FBG壓力傳感器不確定度標(biāo)定研究的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 FBG壓力傳感器不確定度標(biāo)定

3 FBG壓力傳感器標(biāo)定過程不確定度分析

當(dāng)環(huán)境溫度從26.4～26.8℃變化時(shí)，記錄標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀施加給FBG壓力傳感器的壓力值和上位機(jī)中顯示在光柵解調(diào)儀中的中心波長，并畫出在試驗(yàn)過程中正行程和反行程的壓力和波長值的離散圖(圖3)，各離散點(diǎn)誤差棒如圖4所示。

a. 正行程

b. 反行程

圖4 FBG壓力傳感器標(biāo)定過程中的波長誤差棒

圖3反映出FBG壓力傳感器的壓力值與波長成近似線性關(guān)系，傳感器的靈敏度則用擬合曲線斜率表示，正反行程靈敏度分別是9.88×10-5、9.77×10-5nm/N，其擬合曲線分別是y=9.88×10-5x+1533.718、y=9.77×10-5x+1533.719。

按照J(rèn)JF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)與表示》分析FBG壓力傳感器的主要誤差來源[10]，并評(píng)價(jià)不確定度。

計(jì)算可得由重復(fù)性引入的A類評(píng)定不確定度為5.73N。

4 結(jié)束語

針對(duì)FBG壓力傳感器的標(biāo)定問題，設(shè)計(jì)了一種量程為10kN的標(biāo)定裝置，對(duì)FBG壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，運(yùn)用最小二乘法擬合光纖光柵解調(diào)儀的中心波長和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的縱向壓力值，并分析整個(gè)試驗(yàn)裝置的不確定度分量來源以合成不確定度。試驗(yàn)結(jié)果表明：FBG壓力傳感器的靈敏度為9.77×10-5nm/N，線性度為2.79%FS，二階擬合重復(fù)性誤差為2.61%FS，標(biāo)定裝置的A類不確定度為5.73N。

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StudyonUncertaintyofFBGPressureTransducerCalibration

CHENG Shu-hui, WU Sheng, LI Chuan, XIE Tao, HU Lian-hua, ZHAO Zhen-gang, ZHANG Chang-sheng

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScience&Technology)

A calibration equipment with 10kN range for FBG (fiber bragg grating) pressure sensor was devel-

TH812

A

1000-3932(2017)03-0233-04

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云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013FZ021)；昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(KKSY201303044)。

程書輝(1988-)，碩士研究生，從事智能信息處理研究。

聯(lián)系人李川(1971-)，教授,從事傳感器的研制與檢測(cè)應(yīng)用研究，1625677252@qq.com。

2016-04-15，

2017-02-15)