柔性光纖壓力傳感器的增敏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隋丹丹，張會(huì)新，張利平，洪應(yīng)平，蘆夜召，崔 凱

(1.中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

隨著新材料和工藝技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。同時(shí)，人們對(duì)壓力傳感器也提出更高的要求，因此，越來(lái)越多的科研人員都開始了對(duì)柔性壓力傳感器的研究，以實(shí)現(xiàn)傳感器的柔性、輕薄、可折疊等特點(diǎn)[1]。

根據(jù)壓力傳感器技術(shù)的不同，常分為壓電式[2]、壓阻式[3-4]、電容式[5-6]以及光學(xué)式[7-8]等。其中基于光學(xué)機(jī)理的光纖壓力傳感器具有抗電磁干擾、傳輸距離遠(yuǎn)、柔韌性好、便于復(fù)用、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，成為了學(xué)者們的研究熱點(diǎn)[9]。根據(jù)測(cè)試方法的不同，光纖壓力傳感器的種類也多種多樣?，F(xiàn)今光纖測(cè)試方法主要分為光損耗[10]、 光時(shí)域反射(optical time domain reflectometry，OTDR)和光頻域反射(optical frequency domain Reflectometry，OFDR)技術(shù)[11]。其中OFDR與OTDR技術(shù)是分布式測(cè)量的主流方法，可以檢測(cè)到大范圍傳感區(qū)域內(nèi)的信號(hào)變化。而且，與OTDR技術(shù)相比，OFDR空間分辨率不受信噪比和動(dòng)態(tài)范圍的制約[12]。

綜合考慮，本文根據(jù)OFDR技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量的光纖的應(yīng)變值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同壓力的檢測(cè)。為了進(jìn)一步提高光纖壓力傳感的靈敏度，提出一種膜片式倒凹槽結(jié)構(gòu)的增敏模型，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為柔性基底，普通單模裸光纖進(jìn)行傳感的光纖壓力傳感器。當(dāng)傳感器受到法向壓力時(shí)，PDMS既能保護(hù)脆弱易斷的光纖，又利用受壓形變的帶動(dòng)作用，使光纖發(fā)生軸向拉伸。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理分析

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作

傳感器的三維結(jié)構(gòu)及尺寸圖如圖1所示，上層的觸頭層為受力接觸面，由PDMS制成。下層為帶有圓形凹槽結(jié)構(gòu)的薄膜層，內(nèi)部嵌入未處理過(guò)的單模裸光纖，薄膜層同樣由PDMS制得。

(a)傳感器三維結(jié)構(gòu)圖

制作基于PDMS柔性襯底的壓力傳感器的工藝流程如圖2所示。

圖2 傳感器的制作過(guò)程示意圖

將PDMS (sylgard 184，dow corning)的預(yù)聚物和固化劑按照質(zhì)量比10∶1進(jìn)行混合，攪拌至混合物成奶白色后停止攪拌。然后將混合物放入真空烘箱中抽真空30 min，去除混合物中氣泡。為了便于脫膜，需要在模具內(nèi)部各個(gè)壁面上均勻的涂抹一層凡士林，然后將光纖放入模具中，并對(duì)光纖施加一定的預(yù)應(yīng)力，其目的是使其繃直，減少測(cè)試時(shí)由于光纖未繃直帶來(lái)的誤差。接下來(lái)將脫泡后的PDMS混合液慢慢倒入處理好的模具中，靜止2 h后放到60 ℃的加熱板上，固化2 h得到柔性光纖壓力傳感器。

1.2 傳感器測(cè)量原理分析

利用基于背向瑞利散射原理的OFDR系統(tǒng)，對(duì)光纖壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)在觸頭臺(tái)上施加法向壓力的時(shí)候，觸頭臺(tái)發(fā)生形變，而下面的PDMS薄膜層整體被壓縮，使內(nèi)部光纖發(fā)生形變，增大了光纖軸向的應(yīng)變，從而導(dǎo)致光纖的背向瑞利散射信號(hào)頻率發(fā)生漂移，所以光譜漂移與光纖的應(yīng)變成正比。通過(guò)對(duì)OFDR測(cè)量?jī)x內(nèi)部的參考臂與信號(hào)臂的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換及相關(guān)運(yùn)算，得到光譜漂移量。

(1)

式中：λ和Δλ分別為平均光波長(zhǎng)和光的波長(zhǎng)漂移值；v和Δv分別為平均光頻率和光的頻率漂移量；Ks為應(yīng)變校準(zhǔn)常數(shù)。

一般對(duì)于鍺硅酸鹽玻璃纖芯光纖，應(yīng)變校準(zhǔn)常數(shù)為

Ks=0.78

(2)

Ks主要由光纖纖芯的摻雜種類和濃度決定，其次還受到包層成分與涂覆層成分的影響。

計(jì)算出光纖頻率的偏移量后，光纖的應(yīng)變量可以用式(3)表示[13]：

(3)

因此經(jīng)過(guò)OFDR測(cè)量?jī)x內(nèi)部進(jìn)一步編碼，可以導(dǎo)出相應(yīng)的應(yīng)變值。我們只需要得到應(yīng)變與壓力的關(guān)系，就可以準(zhǔn)確測(cè)出所受壓力的大小。

2 有限元仿真分析

采用Abaqus軟件對(duì)傳感器模型進(jìn)行有限元仿真分析。首先對(duì)傳感器建模，由于傳感器的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以采用二維軸對(duì)稱單元模型進(jìn)行計(jì)算。其次值得注意的是觸頭層和下面的柔性襯底的作用是進(jìn)行力的傳遞，增加光纖的形變，因此仿真中選用Mooney-Rivlin超彈性模型設(shè)置PDMS材料的參數(shù)。同時(shí)，因?yàn)楣饫w(直徑125 μm)相對(duì)于傳感器的整體尺寸來(lái)說(shuō)非常小，所以我們的仿真模型不包括光纖。

2.1 傳感器受力變形分析

圖3(a)和圖3(b)為在100 kPa法向壓力下的傳感器形變圖及軸向應(yīng)變的分布情況。可以看出，增敏模型由于底部的倒凹槽結(jié)構(gòu)，相比于普通模型來(lái)說(shuō)對(duì)觸頭臺(tái)下方的PDMS薄膜層沒(méi)有向上的支撐力，約束減少，所以在同樣載荷下，增敏模型會(huì)發(fā)生更大的形變。

(a)普通傳感器模型

2.2 法向力作用下的傳感器輸出應(yīng)變特性

圖4(a)為增敏模型在100 kPa壓力時(shí)，距離觸頭臺(tái)不同深度d(參見(jiàn)圖3(b)中標(biāo)注)處的應(yīng)變分布。從圖中可以看出，在距離觸頭臺(tái)底面不同深度的應(yīng)變分布不一樣，在觸頭臺(tái)的正下方的位置(x為0～5 mm，參見(jiàn)圖3(b))的應(yīng)變比其他位置的應(yīng)變分布更加均勻。仿真結(jié)構(gòu)厚度為4 mm時(shí)，在深度d為3 mm處的應(yīng)變較其他兩個(gè)深度的應(yīng)變更大。因此，可以確定光纖嵌入的位置以及測(cè)量點(diǎn)的位置為觸頭臺(tái)的正下方3 mm處。根據(jù)圖4(a)的分析結(jié)果，進(jìn)行仿真，記錄仿真中在觸頭臺(tái)正下方深度為3 mm處不同壓力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，觀察兩種模型對(duì)靈敏度的影響，如圖4(b)所示。由圖4(b)，可以很明顯發(fā)現(xiàn)，帶有倒凹槽結(jié)構(gòu)的光纖壓力傳感器的應(yīng)變更大，從而實(shí)現(xiàn)增大靈敏度。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

圖5為制作的傳感器實(shí)物圖，左側(cè)為傳感器的上面結(jié)構(gòu)圖，右側(cè)為傳感器背面結(jié)構(gòu)圖。

(a)不同深度位置的應(yīng)變分布

圖5 傳感器實(shí)物圖

圖6為傳感器測(cè)試平臺(tái)，將推拉力計(jì)安裝在測(cè)試臺(tái)上，通過(guò)上下移動(dòng)推拉力計(jì)對(duì)傳感器施加法向壓力。將傳感器內(nèi)部光纖與跳線熔接，連接到OFDR測(cè)量?jī)x(型號(hào)LUNA OBR4600)上，用于光纖軸向應(yīng)變的測(cè)量。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖

利用傳感器測(cè)試平臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)上下移動(dòng)推拉力計(jì)對(duì)2種傳感器進(jìn)行施加法向力，范圍是0～250 kPa,，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到圖7所示實(shí)際測(cè)量中兩種模型對(duì)靈敏度的影響。可以發(fā)現(xiàn)，在100 kPa以內(nèi)，壓力與應(yīng)變近似成線性關(guān)系；超過(guò)100 kPa，應(yīng)變成指數(shù)增長(zhǎng)。在0～100 kPa內(nèi)普通模型和增敏模型的靈敏度分別為1.09/kPa和1.69/kPa，在100～250 kPa壓力范圍內(nèi)，普通模型和增敏模型的靈敏度分別為1.58/kPa和3.35/kPa。實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)得到的圖7和圖4(b)對(duì)比，符合仿真的結(jié)果。

圖7 兩種模型實(shí)際測(cè)量中對(duì)靈敏度的影響

根據(jù)圖7的結(jié)果，超過(guò)120 kPa后壓力和應(yīng)變的線性度不佳，所以我們將壓力范圍設(shè)為0～100 kPa對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。所以，上下移動(dòng)推拉力計(jì)，增量為10 kPa，記錄10個(gè)數(shù)據(jù)，重復(fù)5次，得到圖8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。由圖8可以看出測(cè)試結(jié)果具有很好的重復(fù)性，并且線性度均達(dá)到0.998以上，壓力靈敏度為1.69/kPa。

(a)傳感器的重復(fù)性

實(shí)驗(yàn)還測(cè)試了降壓過(guò)程中壓力與微應(yīng)變的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)范圍依然是0～100 kPa，每次減少10 kPa，進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果具有很好的重復(fù)性，線性度均達(dá)到0.996以上。圖9為傳感器一次正反行程測(cè)試結(jié)果圖。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每次升壓結(jié)束后進(jìn)行降壓測(cè)試得到的微應(yīng)變均小于加壓時(shí)的微應(yīng)變。分析造成遲滯的原因，可能是由于PDMS的彈性后效，施加一定壓力后再降壓，PDMS不能立即彈回。為了解決上述問(wèn)題，決定調(diào)整PDMS的配比，改變觸頭臺(tái)的彈性模量，相關(guān)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。

圖9 正反行程結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文提出了一種增敏結(jié)構(gòu)的柔性光纖壓力傳感器，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該傳感器能夠有效的提高光纖壓力傳感器的靈敏度，且操作簡(jiǎn)單，成本低。在0～100 kPa的壓力范圍內(nèi)，靈敏度由1.09/kPa提高到1.69/kPa，同時(shí)還具有很好線性度與重復(fù)性，可用于智能機(jī)器人、人造皮膚領(lǐng)域等領(lǐng)域。但是由于傳感器的厚度還是有些大，影響了傳感器的柔韌性，所以后期需要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行優(yōu)化，以及考慮陣列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。