基于PDMS 海绵介质的柔性光纤压力传感器制备及性能研究*

张会新 林雅坤 洪明森 洪应平 隋丹丹

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051）（2.中国兵器工业集团第二一四研究所 苏州 215000）

1 引言

任何两个物体接触均产生压力，压力作为生活中重要物理量之一，对压力监测的研究变得尤为重要。电容式压力传感器、压阻式压力传感器等均为目前常见压力传感器，但是这些相比柔性压力传感器在一些特殊场合不能得到很好的应用。在医疗领域、机器人领域和测量不规则物体的场合中，柔性压力传感器因其轻薄便携，柔韧性高被广泛应用［1～3］。近年来，柔性压力传感器的研究持续开展，但是制作大面积、低成本、工艺简单、可分布式测量的柔性压力传感器仍然是一个巨大的挑战。光纤传感技术作为一种新的传感监测技术，具有传输距离长、抗干扰能力强、耐腐蚀等优点［4］。目前应用最广泛的光纤压力传感器是法布里-珀罗压力传感器［5］和光纤布拉格光栅压力传感器［6］，两种传感器均要利用经过微加工处理后的光纤制作，由于光纤自身纤细易断的特点导致微加工的过程需要极其精细，产生费用昂贵，批量生产性价比低。所以，本文研究制备一种结构简单、柔韧性好、灵敏度高、成本低、便于量产的柔性光纤压力传感器具有极大的应用价值［7］。

本文基于背向瑞利散射原理，设计了一种柔性光纤压力传感器。采用单模光纤作为传感元，聚合物PDMS 作为封装增敏材料［8］制备了海绵增敏结构。使用ABAQUS 软件对设计的增敏结构进行有限元模拟研究，以检验理论的正确性。搭建测试平台对传感器进行相应的静态性能试验。得出结论：不同特性敏感基体封装的传感器对力敏感度不同，且压力与应变均呈现极高的线性关系，根据此结论可以制备应用于不同场合测量的高灵敏度、高线性度及重复性好的柔性历传感器件［9］。

2 传感器的结构设计与原理分析

2.1 传感器的结构设计及制作

本文设计PDMS 海绵结构作为柔性光纤压力传感器的增敏结构，海绵增敏结构相比实心增敏结构受力后形变更大。三维结构和实物如图1、图2所示，柔性基体由PDMS 和密安聚氨酯泡沫制成，中间嵌入单模光纤。

图1 三维结构示意图

图2 实物图

海绵增敏结构的传感器制作流程如图3 所示。第一步：将PDMS 预聚物和固化剂按一定比例倒入干净的一次性塑料杯，将杯子放于磁力搅拌器上使混合物充分搅拌呈乳白色。第二步：将清洁后的单模光纤嵌入在干净的密胺聚氨酯泡沫中，再将其完全浸入在PDMS 混合溶液中，之后放入真空干燥箱中进行脱泡（真空度<133Pa），将脱泡后的海绵放入干净的一次性塑料模具中。第三步，固化成型：将模具放在高低温箱内加热固化。在制作过程中通过使用不同厚度的模具制作不同厚度的PDMS 基体，加热固化时设置高低温箱不同温度制作不同固化温度的PDMS 基体。最后完成脱模即可。传感器制备所需材料如表1所示。

表1 传感器制备所需要的材料

图3 传感器制作流程示意图

2.2 传感器的工作原理分析

将制备好的传感器敏感元放在压力计上，利用压力计向传感器敏感元施加轴向压力，海绵结构的敏感单元受力发生形变，嵌入海绵结构内部的光纤也随敏感元受力产生相应的轴向应变，此时光纤内部粒子大小远小于入射光波长，在各方向的散射光强度不均匀，即发生瑞利散射现象［10～11］。在发生瑞利散射现象时，散射光在前后方向的散射强度一样，散射光向后传播称之为背向瑞利散射。背向瑞利散射的光信号承载着光纤各个部位的损耗信息，该散射光信号相对于其他散射光信号更容易被获取［12］。光频域反射技术（OFDR）就是基于背向瑞利散射原理提出的，本文利用该技术对施压后光纤中的光信号进行检测、编码，得到光纤受力位置和该位置产生的应变值［13］。

3 有限元仿真分析

使用ABAQUS 软件对柔性光纤压力传感器进行有限元仿真分析。柔性海绵增敏结构选用9∶1固化时间2h的PDMS基体，由于嵌入海绵增敏结构中的光纤直径相比于海绵结构的厚度非常小，可以忽略不计，所以在建立仿真模型时只考虑柔性海绵增敏结构的属性［14］。

首先利用ABAQUS 有限元仿真软件对柔性光纤压力传感器建立长：3.5cm、宽：1.5cm、高：0.3cm的三维有限元模型。其次给模型赋予弹性模量、密度、泊松比等PDMS 材料属性。然后对仿真模型进行位移约束，以确保仿真结果与真实试验结果一致。最后在模型的上表面均匀施加压力，从0kPa以步进27.7kPa 均匀增加到166.2kPa。记录并分析整个过程模型的应变情况。

3.1 传感器受力变形分析

如图4 所示是外力27.7kPa 作用下传感器模型轴向应变分布图。仿真结果显示，海绵增敏结构的传感器受力产生应变基本分布均匀。

图4 应变分布图

3.2 法向力作用下的传感器输出应变特性

如图5 所示是施加不同压力时，光纤不同位置的应变情况，表明光纤的应变值随施加压力增加而增加，在施加相同压力时，在受力的中心点应变值最大。中心点为7.5mm处，取不同压力该点的应变值绘制应变与压力的拟合图，如图6，拟合结果表明柔性光纤压力传感器的灵敏度为1.6με/kPa，拟合系数大于0.99，可见压力与应变之间呈现良好的线性关系。

图5 传感器受力时应变情况图

图6 光纤中间位置压力与应变拟合图

4 实验测试与分析

图7 是搭建的柔性光纤压力传感器的测试系统。该系统包含推拉力计、OFDR 测试仪、光纤跳线及计算机。首先将柔性光纤压力传感器与光纤跳线熔接，然后用光纤擦拭器清洁跳线头后与OFDR 测试仪连接，并在光纤尾段打结以减少端部效应的影响。

图7 柔性光纤压力传感器测试系统

4.1 不同厚度的PDMS对传感器灵敏度的影响

选取固化温度分别为80℃和100℃条件下不同厚度的PDMS 传感器进行测试，每个传感器敏感元尺寸都相同，长：35 mm、宽：15 mm，配比9：1，固化时间：2h。测量过程施加压力的范围：0～276.2kPa，按步长27.7kPa增压。记录两种固化温度条件下不同厚度的PDMS 传感器的测试结果，根据测试结果绘制出传感器随压力变化产生的应变变化图，如图8和图9所示。

图8 80℃下不同厚度受力应变图

图9 100℃下不同厚度受力应变图

图8 和图9 显示在实验加载过程中不同厚度PDMS 基体封装的传感器应变和压力之间呈现较高的线性关系，说明在加载实验中PDMS 柔性基体未发生塑性形变，始终处于弹性状态。对实验记录的数据点拟合，拟合直线的斜率即为传感器灵敏度，从而得到两种固化温度条件下各厚度的光纤压力传感器的灵敏度，如表2和表3所示。

表2 固化温度80℃下不同厚度的灵敏度

表3 固化温度100℃下不同厚度的灵敏度

由表2 和表3 可以看出，在不同固化温度的条件下，封装传感器的PDMS 基体呈现厚度越小，传感器对压力就越灵敏。实际应用中可根据可根据不同测量力度选择合适厚度的传感器，厚度薄的传感器灵敏度高，更适合微小形变的测量，厚度相对大的传感器适合大力度的测量。

4.2 不同固化温度的PDMS 对传感器灵敏度的影响

选取敏感元厚度分别为3mm 和5mm 条件下不同固化温度的PDMS 传感器进行测试，每个传感器敏感元尺寸都相同，长为35mm、宽为15 mm，配比为9∶1，固化时间为2h。测量过程施加压力的范围：0～276.2kPa，按步长27.7kPa 增压。记录基体厚度分别为3mm 和5mm 条件下不同固化温度的PDMS 传感器的测试结果，根据测试结果绘制出传感器随压力变化产生的应变变化图，如图10、图11所示。

图10 3mm厚度下不同固化时间受力应变图

图11 5mm厚度下不同固化时间受力应变图

图10、图11 显示在实验加载过程中传感器应变和压力之间的关系不受PDMS 基体固化温度影响，呈现良好的线性关系，说明传感器敏感基体在加载过程中未发生塑性形变，始终处于弹性状态。对实验记录的数据点拟合，拟合直线的斜率即为传感器灵敏度，从而得到两种厚度条件下不同固化温度的光纤压力传感器的灵敏度，如表4和表5所示。

表4 3mm厚度基体在不同固化温度下的灵敏度

表5 5mm厚度基体在不同固化温度下的灵敏度

由表4 和表5 可以看出，3mm 和5mm 厚度敏感基体封装的传感器均在固化温度80℃时灵敏度最高，固化温度150℃时，由于温度过高，基体硬度相对偏大，施压后传感器应变量小，所以传感器灵敏度较低，相反固化温度65℃时，基体内部固化不完全，传感器灵敏度相比80℃条件下也明显下降。实验结果表明：PDMS 基体在固化温度为80℃条件下封装的传感器柔韧性和灵敏度高。

5 结语

本文设计并制作了一种柔性光纤压力传感器，从传感器制作工艺流程和参数设置对灵敏度的影响两个方面进行了研究。制作出不同性质的传感器增敏单元，经过实验测试和分析，结果表明：传感器灵敏度随PDMS 敏感元基体厚度减少而增大，在基体完全固化的条件下，传感器灵敏度随固化温度降低而增加。根据实验结果分析可得：基体厚度小固化温度低的传感器可以用于微小压力检测，基体厚度大固化温度高的传感器可应用于测量较大压力的场合。本文设计的柔性光纤压力传感器在敏感基体厚度3mm，固化温度80℃，压力范围：0～276.2kPa时，具有较高灵敏度。可应用于不规则物体表面压力测量。