基于光纖布拉格光柵的壓力傳感器設(shè)計

林俊輝 王 濤 楊期江 李聚保 徐東華

（廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725）

傳感技術(shù)是衡量一個國家信息化程度的重要標(biāo)志[3]，目前壓力傳感器的陣容中包括渙散硅壓阻式、電容式、差動電感式和陶瓷電容式等。隨著生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域的飛速發(fā)展，智能傳感器測量和控制的應(yīng)用日益增加，自動化測控技術(shù)的升級研究成為時代發(fā)展迫切需要突破的關(guān)口，更可靠、靈敏且抗干擾能力強的傳感器是該研究領(lǐng)域繞不過的關(guān)鍵點。光纖光柵作為傳感元件具有抗電磁場干擾、耐久性好以及信號傳輸距離長等特點[4]，基于光纖的特點和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該文設(shè)計了一種新型的腔體式懸臂梁壓力感應(yīng)器，將光柵并進行了大量試驗，對感應(yīng)器各個單元進行了結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計、篩選，并記錄了相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，最終確定為外直徑120mm、高100mm 的圓柱體結(jié)構(gòu)。該感應(yīng)器為上部承載單元、十字復(fù)位單元，下方則為傳動柱和懸臂梁、復(fù)位橡膠和主腔體。材料主要由工程塑料和金屬制作，具有結(jié)構(gòu)簡單且便于生制作、安裝、采集試驗數(shù)據(jù)和價格低廉、承重強等特點。進行試驗時，分別做了幾組封裝試驗，并多設(shè)置了一組光纖光柵進行溫度補償，以減少溫度對試驗數(shù)據(jù)的影響。該文設(shè)計的一維力傳感器可用于微力測量領(lǐng)域。

1 懸臂梁一維力傳感器結(jié)構(gòu)介紹

第一組試驗感應(yīng)器上部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該傳感器為高分子材料及黃銅等材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，壓力作用于傳感器頂部圖中1 號位置、然后由2 號（十字型復(fù)位單元）傳遞到3 號懸臂梁位置上的光纖光柵中，使其產(chǎn)生形變，從而改變光柵中心波長，檢測系統(tǒng)接收光信號實時顯示變化。

圖1 是第一試驗組，采用最初的設(shè)計結(jié)構(gòu)和材料；第一試驗組中光柵載體的懸臂梁如圖2所示，采用鈹銅材質(zhì)；十字復(fù)位單元示意圖如圖3所示，材質(zhì)為聚碳酸酯PC，是傳感器主要彈性承壓部件之一，用于傳感器壓力試驗卸載后整個系統(tǒng)的彈性復(fù)位（壓力歸零）。其余結(jié)構(gòu)采用電木。

圖2 懸臂梁示意圖

圖3 復(fù)位單元示意圖

2 試驗?zāi)繕?biāo)

試驗有3 個目標(biāo)，第一是研究鈹銅和65 號彈簧鋼哪種材料更適合作為試驗的彈性載體。第二是借助光纖光柵FBG技術(shù)，求得應(yīng)力變化與光纖光柵中心波長變化的比值K。第三是在試驗中獲得該文設(shè)計的感應(yīng)器的適用測量應(yīng)力區(qū)間，即感應(yīng)器測量應(yīng)力的極限區(qū)間。

3 懸臂梁一維力傳感器原理

光纖光柵是近期發(fā)展非常迅速的光纖無源器件，依靠FBG 光纖光柵中心波長和應(yīng)力應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系及與光纖之間天然的兼容性，被用于制作應(yīng)變傳感單元。光纖光柵傳感器具有非傳導(dǎo)性、靈敏度高、抗腐蝕、抗電磁干擾、極化不敏感以及可分布式測量等優(yōu)點，不需要電源供電力。該文針對自主設(shè)計的一維力傳感器進行載荷試驗，發(fā)揮光纖光柵壓力傳感器的優(yōu)勢，分析一維力傳感器工作原理及感應(yīng)器添加負載時懸臂梁受力產(chǎn)生的彎矩變化情況，利用光纖光柵傳感器的中心波長漂移量變化進行載荷計算，確定傳感器靈敏度和測量極限。并結(jié)合試驗，證實FBG 的中心波長漂移量和懸臂梁受力形變所產(chǎn)生的彎矩變化呈線性關(guān)系，利用FBG 的應(yīng)力特性獲得實時載荷量[5]。

該文主要采用均勻光纖光柵為傳感元件，其均勻光纖光柵的柵格以周期沿軸向均勻分布，并且在徑向各處的折射率neff均相等，Λ為光柵的空間周期。光纖光柵縱向應(yīng)變壓力傳感器主要基于光纖光柵解調(diào)器檢測反射譜中心波長的偏移量，進而得出其受外界應(yīng)變。將λB稱為FBG 中心波長，則中心波長如公式（1）所示。

式中：neff是光纖纖芯的等效折射率；Λ是光柵周期。

當(dāng)neff、Λ受外界影響時，會導(dǎo)致中心波長發(fā)生變化。在實際使用中，將FBG 的傳感特性用微分方程來表示，如公式（2）所示。

式中：ΔλB為FBG 中心波長偏移量；ΔΛ為光纖光柵的周期變化量；Δneff為等效折射率變化量。

假設(shè)外界溫度場及其他外界條件恒定不變，光纖光柵只受軸向應(yīng)力的作用，則優(yōu)軸向應(yīng)力所致的周期變化可為公式（3）。

式中：εz為縱向應(yīng)力方向的應(yīng)變張量。

軸向應(yīng)變引起的FBG 中心波長相對位移量如公式（4）所示。

定義有效彈光系數(shù)pe如公式（5）所示。

得到由軸向應(yīng)變引起的FBG 中心波長的相對位移量，如公式（6）、公式（7）所示。

4 應(yīng)力與光柵中心波長變化數(shù)據(jù)分析

4.1 第一組試驗

該試驗組中，將光柵封裝在圖2 銅質(zhì)懸臂梁中心線處，并使用專用膠水固定，開始記錄壓力與光纖中心波長變化的數(shù)據(jù)。光柵波長初始值為1549.777，以表格數(shù)據(jù)記錄表現(xiàn)壓力與折射波長變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4 第一組試驗波長變化折線圖

試驗開始時，在小重量的負載下，光柵中心波長沒有數(shù)據(jù)變化，這說明該負載使銅質(zhì)懸臂梁產(chǎn)生的形變非常小，難以被光柵捕捉。載重量上到超過50g～100g 后，出現(xiàn)了短暫規(guī)律的波長變化數(shù)據(jù)。但是繼續(xù)增大砝碼重量后卻得到了不規(guī)律的數(shù)據(jù)，并且在超過1000g 之后數(shù)據(jù)已經(jīng)固定，撤去砝碼后長期靜止后，光柵波長無法恢復(fù)到初始空載值?？偨Y(jié)出的問題如下：1）銅質(zhì)懸臂梁彈性不足，受壓形變后恢復(fù)慢。2）產(chǎn)生不可逆塑性形變，試驗數(shù)據(jù)不規(guī)律。3）試驗過程中，砝碼擺放時間也需要調(diào)整，每次放和收都需要靜置試驗體一段時間，才能得到相對穩(wěn)定的波長數(shù)據(jù)。

4.2 第二組試驗

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)和研究結(jié)論，該文對感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和材料進行了相應(yīng)調(diào)整，去掉了原先底部的橡膠支撐塊，感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)變得更簡潔，也相應(yīng)減少了影響試驗的不良因素。另外，復(fù)位單元、光柵的載體——懸臂梁的材料和結(jié)構(gòu)也進行了重新升級，均采用0.6mm65 號的淬火錳鋼彈簧鋼片，彈性更強，硬度更高，洛氏硬度為HRC44-46。該材料具有耐高低溫、抗松弛、耐疲勞、韌性好、力學(xué)性能優(yōu)和材料環(huán)保等優(yōu)點，重新封裝光柵，組裝好感應(yīng)器后得到了如下數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 第二組試驗波長變化折線圖

在該文設(shè)計的一維力傳感器中，可觀察到在0g～390g 的負載下，光纖光柵波長變化與負載之間有函數(shù)關(guān)系存在。設(shè)壓力值與波長變化之間的函數(shù)關(guān)系為N=K×Δλ+b（N為壓力、K為變化系數(shù)、Δλ為波長變化量、b為常數(shù)）。

通過上述數(shù)據(jù)可得K=300、b=0，即波長變化量與負載之間的函數(shù)關(guān)系為N=300×Δλ。第二組試驗改良型傳感器如圖6所示。

圖6 第二組試驗改良型傳感器（上部復(fù)位單元及懸臂梁均采用65 號彈簧鋼）

5 結(jié)論

經(jīng)過多次對比試驗，在0g～390g，光柵中心波長變化與應(yīng)力變化呈線性關(guān)系，數(shù)值成正比關(guān)系，也驗證了鈹銅和65號彈簧鋼作為形變載體的適用性。結(jié)論就是65 號彈簧鋼的彈性更好，更適合作為彈性載體，但后期試驗中發(fā)現(xiàn)其容易生銹而影響試驗數(shù)據(jù)，為此該文采取了多種防銹措施，如噴漆、涂防銹油和電鍍，為防止防銹措施影響應(yīng)力變化，最終選擇了涂防銹油的方案。該試驗驗證了該文設(shè)計的感應(yīng)器在借助光纖光柵技術(shù)的前提下具備一定的測量能力，具備深入研究和繼續(xù)優(yōu)化的基礎(chǔ)，可應(yīng)用于微力測量的場景中，但結(jié)構(gòu)的緊湊性和材料類型還有封裝工藝、測量范圍仍需進一步優(yōu)化。