光纖光柵應力傳感器

趙偉涵

摘要：在參考已有光纖光柵傳感器的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計了一種基于菱形體、膜片結(jié)構(gòu)、粘結(jié)劑和溫度補償?shù)墓饫w光柵壓力傳感器。傳感器采用菱形體結(jié)構(gòu)，將FBG所承受的壓力轉(zhuǎn)換為橫向拉力，因此具有高的靈敏度。同時，通過在菱形體中間粘一“工”形膜片，避免了光柵因彎曲而發(fā)生折斷現(xiàn)象，且減少了菱形體因受壓力而產(chǎn)生傾斜的概率，進而提高了測量的準確性。圓柱體材料選用304不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)置不銹鋼菱形框架;通過參考幾種粘接劑的主要性能指標，“工”形膜片選用353ND膠粘于菱形體中間夾層處，該膜片選用純鈦材料，重量輕、耐腐蝕。為補償溫度影響，串聯(lián)一根溫度補償光纖光柵。

關(guān)鍵詞：光纖光柵 壓力傳感器 溫度補償 靈敏度

一、光纖光柵應力傳感器測量背景

光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor ）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應變等物理量的直接測量。

一般都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應變傳感器，通過確定2個光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度系數(shù)，利用2個二元一次方程解出溫度與應變。

二、光纖光柵應力傳感器的設(shè)計

在參考已有光纖光柵傳感器的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計了一種基于菱形體、膜片結(jié)構(gòu)、粘結(jié)劑和溫度補償?shù)墓饫w光柵壓力傳感器，傳感器呈微型圓柱體，高度為13mm，直徑為33mm;本文設(shè)計的傳感器采用菱形體結(jié)構(gòu)，將FBG所承受的壓力轉(zhuǎn)換為橫向拉力，因此具有高的靈敏度。同時，通過在菱形體中間粘一“工”形膜片，避免了光柵因彎曲而發(fā)生折斷現(xiàn)象，且減少了菱形體因受壓力而產(chǎn)生傾斜的概率，進而提高了測量的準確性。該光纖傳感器無任何電子器件，具有良好的防水、防電和抗電磁干擾性能。

本文設(shè)計的光纖布拉格光柵壓力傳感器外殼封裝為圓柱體，微型，可以滿足礦井下狹小區(qū)域檢測的需求。圓柱體材料選用304不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)置不銹鋼菱形框架，“工”形膜片用353ND膠粘于菱形體中間夾層處，該膜片選用純鈦材料，重量輕、耐腐蝕。圓柱體側(cè)面鑿一小圓孔，為接光纜輸出線提供方便。

將光纖傳感器件利用粘接劑直接固定于構(gòu)件表面，是最為直接、簡單、可行的測量方法。所以當通過粘貼式光纖傳感器測量基體應變時，膠黏劑的質(zhì)量會直接影響到粘接層的應變傳遞，從而影響到應變測量結(jié)果。所以選擇合適的膠黏劑對光纖光柵測量結(jié)果的準確性有重要的意義。國內(nèi)相關(guān)研究報告顯示，目前采用比較多的膠粘劑是502 膠、401 膠、高溫固化環(huán)氧膠 353ND、323LP、M- Bond610 膠等。三類代表性膠合劑的主要性能指標見表1。

通過對三類膠性能的比較發(fā)現(xiàn)，353ND膠具有粘結(jié)強度高、耐高溫、剪切強度高等諸多優(yōu)勢，是光纖粘結(jié)劑的首選材料;M-Bond610膠盡管粘結(jié)強度和剪切強度方面不如353ND，但它更適合在超低溫狀況下使用，同時這種產(chǎn)品特別適用于真空環(huán)境下使用;502膠水盡管在諸多方面都不如M-Bond610、353ND膠，但價格優(yōu)勢明顯，因此在一些特定場合可以作為應急方案，綜上，本實驗采用353ND膠。

傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：在圓柱體的上表面和下表面的內(nèi)側(cè)各開一個矩形槽，便于菱形體固定放置。傳感器內(nèi)部由對稱的不銹鋼菱形體連接，菱形體中間粘“工”形膜片，測力光纖光柵粘于該膜片中心軸線上，為保證光纖光柵出現(xiàn)啁啾，粘時應使光纖光柵處于拉緊狀態(tài)?？紤]到溫度的影響，再串聯(lián)一個溫度補償光纖光柵，在封裝外殼的對稱位置設(shè)置兩個光纖光柵的出口。

傳感器內(nèi)部受力分析：當內(nèi)部菱形結(jié)構(gòu)受到勻速垂直向下的壓力T時，菱形體會產(chǎn)生橫向拉力F，拉力F會使“工”形膜片產(chǎn)生橫向拉伸形變，進而把拉力傳遞給粘在上面的光纖光柵。此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了將縱向拉力轉(zhuǎn)化為橫向拉力。

總結(jié)

該傳感器量程為0～0.24MPa，靈敏度為3.341nm/MPa，該傳感器體積小、精度高、靈敏度高，比普通FBG提高了6683倍，且具有很好的線性度和重復性。該傳感器可以應用到對傳感器體積要求小，溫度變化較大的環(huán)境。適合埋于煤層、巖層中用于壓力的測量。在傳感器的封裝設(shè)計過程中，也存在諸如傳感器外殼圓柱體上下表面不平、無法均勻施壓等問題。若對其進一步改進，傳感器性能會進一步得到提高，可推廣到其他應用領(lǐng)域中。

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江蘇大學 212013