基于光纤布拉格光栅的压力传感器设计

林俊辉 王 涛 杨期江 李聚保 徐东华

（广州航海学院，广东 广州 510725）

传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志[3]，目前压力传感器的阵容中包括涣散硅压阻式、电容式、差动电感式和陶瓷电容式等。随着生产过程自动化领域的飞速发展，智能传感器测量和控制的应用日益增加，自动化测控技术的升级研究成为时代发展迫切需要突破的关口，更可靠、灵敏且抗干扰能力强的传感器是该研究领域绕不过的关键点。光纤光栅作为传感元件具有抗电磁场干扰、耐久性好以及信号传输距离长等特点[4]，基于光纤的特点和结构优化，该文设计了一种新型的腔体式悬臂梁压力感应器，将光栅并进行了大量试验，对感应器各个单元进行了结构和材料的设计、筛选，并记录了相应的试验数据，最终确定为外直径120mm、高100mm 的圆柱体结构。该感应器为上部承载单元、十字复位单元，下方则为传动柱和悬臂梁、复位橡胶和主腔体。材料主要由工程塑料和金属制作，具有结构简单且便于生制作、安装、采集试验数据和价格低廉、承重强等特点。进行试验时，分别做了几组封装试验，并多设置了一组光纤光栅进行温度补偿，以减少温度对试验数据的影响。该文设计的一维力传感器可用于微力测量领域。

1 悬臂梁一维力传感器结构介绍

第一组试验感应器上部结构如图1所示。

该传感器为高分子材料及黄铜等材料的复合结构，压力作用于传感器顶部图中1 号位置、然后由2 号（十字型复位单元）传递到3 号悬臂梁位置上的光纤光栅中，使其产生形变，从而改变光栅中心波长，检测系统接收光信号实时显示变化。

图1 是第一试验组，采用最初的设计结构和材料；第一试验组中光栅载体的悬臂梁如图2所示，采用铍铜材质；十字复位单元示意图如图3所示，材质为聚碳酸酯PC，是传感器主要弹性承压部件之一，用于传感器压力试验卸载后整个系统的弹性复位（压力归零）。其余结构采用电木。

图2 悬臂梁示意图

图3 复位单元示意图

2 试验目标

试验有3 个目标，第一是研究铍铜和65 号弹簧钢哪种材料更适合作为试验的弹性载体。第二是借助光纤光栅FBG技术，求得应力变化与光纤光栅中心波长变化的比值K。第三是在试验中获得该文设计的感应器的适用测量应力区间，即感应器测量应力的极限区间。

3 悬臂梁一维力传感器原理

光纤光栅是近期发展非常迅速的光纤无源器件，依靠FBG 光纤光栅中心波长和应力应变的对应关系及与光纤之间天然的兼容性，被用于制作应变传感单元。光纤光栅传感器具有非传导性、灵敏度高、抗腐蚀、抗电磁干扰、极化不敏感以及可分布式测量等优点，不需要电源供电力。该文针对自主设计的一维力传感器进行载荷试验，发挥光纤光栅压力传感器的优势，分析一维力传感器工作原理及感应器添加负载时悬臂梁受力产生的弯矩变化情况，利用光纤光栅传感器的中心波长漂移量变化进行载荷计算，确定传感器灵敏度和测量极限。并结合试验，证实FBG 的中心波长漂移量和悬臂梁受力形变所产生的弯矩变化呈线性关系，利用FBG 的应力特性获得实时载荷量[5]。

该文主要采用均匀光纤光栅为传感元件，其均匀光纤光栅的栅格以周期沿轴向均匀分布，并且在径向各处的折射率neff均相等，Λ为光栅的空间周期。光纤光栅纵向应变压力传感器主要基于光纤光栅解调器检测反射谱中心波长的偏移量，进而得出其受外界应变。将λB称为FBG 中心波长，则中心波长如公式（1）所示。

式中：neff是光纤纤芯的等效折射率；Λ是光栅周期。

当neff、Λ受外界影响时，会导致中心波长发生变化。在实际使用中，将FBG 的传感特性用微分方程来表示，如公式（2）所示。

式中：ΔλB为FBG 中心波长偏移量；ΔΛ为光纤光栅的周期变化量；Δneff为等效折射率变化量。

假设外界温度场及其他外界条件恒定不变，光纤光栅只受轴向应力的作用，则优轴向应力所致的周期变化可为公式（3）。

式中：εz为纵向应力方向的应变张量。

轴向应变引起的FBG 中心波长相对位移量如公式（4）所示。

定义有效弹光系数pe如公式（5）所示。

得到由轴向应变引起的FBG 中心波长的相对位移量，如公式（6）、公式（7）所示。

4 应力与光栅中心波长变化数据分析

4.1 第一组试验

该试验组中，将光栅封装在图2 铜质悬臂梁中心线处，并使用专用胶水固定，开始记录压力与光纤中心波长变化的数据。光栅波长初始值为1549.777，以表格数据记录表现压力与折射波长变化关系，如图4所示。

图4 第一组试验波长变化折线图

试验开始时，在小重量的负载下，光栅中心波长没有数据变化，这说明该负载使铜质悬臂梁产生的形变非常小，难以被光栅捕捉。载重量上到超过50g～100g 后，出现了短暂规律的波长变化数据。但是继续增大砝码重量后却得到了不规律的数据，并且在超过1000g 之后数据已经固定，撤去砝码后长期静止后，光栅波长无法恢复到初始空载值。总结出的问题如下：1）铜质悬臂梁弹性不足，受压形变后恢复慢。2）产生不可逆塑性形变，试验数据不规律。3）试验过程中，砝码摆放时间也需要调整，每次放和收都需要静置试验体一段时间，才能得到相对稳定的波长数据。

4.2 第二组试验

根据以上试验数据和研究结论，该文对感应器的结构和材料进行了相应调整，去掉了原先底部的橡胶支撑块，感应器的结构变得更简洁，也相应减少了影响试验的不良因素。另外，复位单元、光栅的载体——悬臂梁的材料和结构也进行了重新升级，均采用0.6mm65 号的淬火锰钢弹簧钢片，弹性更强，硬度更高，洛氏硬度为HRC44-46。该材料具有耐高低温、抗松弛、耐疲劳、韧性好、力学性能优和材料环保等优点，重新封装光栅，组装好感应器后得到了如下数据，如图5所示。

图5 第二组试验波长变化折线图

在该文设计的一维力传感器中，可观察到在0g～390g 的负载下，光纤光栅波长变化与负载之间有函数关系存在。设压力值与波长变化之间的函数关系为N=K×Δλ+b（N为压力、K为变化系数、Δλ为波长变化量、b为常数）。

通过上述数据可得K=300、b=0，即波长变化量与负载之间的函数关系为N=300×Δλ。第二组试验改良型传感器如图6所示。

图6 第二组试验改良型传感器（上部复位单元及悬臂梁均采用65 号弹簧钢）

5 结论

经过多次对比试验，在0g～390g，光栅中心波长变化与应力变化呈线性关系，数值成正比关系，也验证了铍铜和65号弹簧钢作为形变载体的适用性。结论就是65 号弹簧钢的弹性更好，更适合作为弹性载体，但后期试验中发现其容易生锈而影响试验数据，为此该文采取了多种防锈措施，如喷漆、涂防锈油和电镀，为防止防锈措施影响应力变化，最终选择了涂防锈油的方案。该试验验证了该文设计的感应器在借助光纤光栅技术的前提下具备一定的测量能力，具备深入研究和继续优化的基础，可应用于微力测量的场景中，但结构的紧凑性和材料类型还有封装工艺、测量范围仍需进一步优化。