一種新型FBG微力傳感器*

張智禹, 于文革

(沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136)

0 引 言

微力傳感器是微傳感器的一種。它是最早開始研制的微機械產品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品,其原理是將力轉換成電信號輸出的器件。最常見的微力傳感器有壓阻式、電容式、諧振式3種。目前,微力傳感器的量程范圍很小且靈敏度低，很難對更加微小的力進行測量[1]。同時在進一步提高靈敏度的研究過程中，遇到了如下幾個問題：l)非線性隨著靈敏度提高變差；2)靈敏度提高，穩定性變差；3)過載能力不夠；4)靜電封接時背島與玻璃片粘接[2]。

近年來，光纖Bragg光柵(FBG)在光纖傳感方面的應用越來越受到人們的重視。FBG作為傳感元件，具有抗干擾能力強﹑體積小﹑質量輕﹑附加損耗小等特點,并且具有獨特的傳感信息波長編碼和易于實現分布式傳感的優點[3,4]。但是,裸FBG的拉力靈敏系數較小，這給信號檢測帶來了不便，制約了光柵在力測量中的應用，因此，提高FBG靈敏度是使光纖光柵進入實用化測量需解決的關鍵技術。經研究用聚合物對光纖光柵進行封裝處理是提高其靈敏度的重要方法[6,7]，此外，聚合物封裝還可增加FBG的強度，從而增加其環境適應性。因此，用聚合物封裝提高FBG拉力靈敏度一直以來是國內外專家研究的重點。

本文利用FBG的特點設計制作了一種微力傳感器。該傳感器利用杠桿原理，將作用力在光柵端放大，起到力增敏作用。當作用力在0～1.666 N變化時，其拉力靈敏度為0.952 nm/N，是裸光纖拉力靈敏度的3.81倍。

1 拉力傳感原理

由耦合模理論[8]可知，FBG的中心反射波長為

λB=2neffΛ,

(1)

式中neff為導模的有效折射率；Λ為光柵周期。由式(1)可知，FBG的中心反射波長λB隨neff和Λ的改變而改變，壓力對Bragg波長λB的影響是由FBG周期地伸縮和彈光效應引起的。

當溫度不變，若沿光纖軸向施加拉力F，根據胡可定律，光纖產生的軸向應變為

(2)

式中E為光纖的楊氏模量，S為光纖的橫截面積。

拉力F所引起的Bragg波長的變化為

(3)

式中Pe為單橫石英光纖的有效彈光系數。

2 微力傳感器增敏封裝原理

該設計結構如圖1所示，將FBG用聚合物[9]封裝成均勻柱體，聚合物底端固定在外殼底板上，上端固定在杠桿的一端，為了保證其受力能在豎直方向，在聚合物旁豎立一根鋼管，圓環和杠桿前端固定，圓環可以在鋼管上滑動，當力作用于有機物封裝的FBG處時，通過杠桿原理擴大作用力，使其起到拉力增敏的作用。

圖1 微力傳感器結構示意圖

當P2作用于有機物封裝的FBG處時，由杠桿原理可知，杠桿另一端產生向上的拉力P1為

(4)

式中l2為受力桿到支點的長度，l1為聚合物作用點到支點的長度(l2>l1)。

將式(3)帶入式(4)中可得FBG反射波長的變化為

(5)

式中E′為聚合物的楊氏模量，S′為聚合物的橫截面積，該結構的拉力靈敏度系數為

(6)

3 實 驗

實驗室溫度為22 ℃,并假設溫度不發生變化。實驗所用光柵中心波長為1 560 nm，其反射率大于85 %。所用聚合物楊氏模量E=109Pa，泊松比μ=0.4，封裝后其直徑為4 mm，長度為8 cm，杠桿前端l1長度為6 cm，后端l2長度為30 cm，即l2/l1=5，杠桿為直徑5 mm的鋼棒。在杠桿的受力端有機封裝的FBG處添加砝碼，通過改變砝碼的質量而改變壓力，每次加砝碼10 g。實驗用解調儀的分辨率為1 pm，在電腦上讀出每次壓力改變引起的中心波長的變化量。

實驗測量數據如表1所示。

數據代入式(6)可得kρ=1.24×10-3/N，裸光纖光柵的拉力靈敏度系數為1.61×10-4/N,該結構的拉力靈敏度理論值是裸光纖的7.71倍。

表1 測量數據

通過表1可知中心波長和微力的關系如圖2所示。

圖2 中心波長和微力的關系圖

由圖2可以看出：中心波長和微力具有良好的線性關系，其線性方程為y=0.952x+1 559.837，其線性擬合度為r2=0.999 3，此傳感器的拉力靈敏度為0.952 nm/N,是裸光纖的3.81倍(裸光纖的拉力靈敏度為0.25 nm/N)。

封裝后的微力傳感器的理論靈敏度是裸光纖的7.71倍，實驗值比理論值小的原因主要如下：

1)杠桿不是完全的剛體，受力時會發生形變；

2)圓環和鋼管之間運動時會有摩擦力；

3)聚合物受力時會產生切向的分力。

4 結束語

為了提高FBG的微拉力靈敏度,本文采用杠桿結構和聚合物結合的封裝方法。封裝后，作用力每變化0.098 N

使波長變化0.952 nm，實現了對微力的高度敏感,其靈敏度是裸光纖靈敏度的3.81倍,并且提高了對微拉力的測量量程。該傳感器利用光柵獨有特點可以有效地避免原始微壓力傳感器在提高靈敏度過程中遇到的問題。它是一種新型的微力傳感器，具有很大的發展潛力。

參考文獻:

[1] 鄭瑋瑋,劉學觀,趙光霞.微壓力傳感器參數設計及靈敏度分析[J].儀表技術與傳感器,2011(7):15-17.

[2] 尹 顥,楊 恒,王文襄,等.抗高過載微壓傳感器[J].傳感器技術,2001,20(4):48-51.

[3] 張曉暉,丁雙紅.光纖通信系統用減反膜的研究[J].海軍工程大學學報, 2003,15(3):23-26.

[4] Kersey A D, Davis M A, Patrick H J,et al.Fiber grating sen-sors [J].Light Wave Technol, 1997,15(8):1442-1463.

[5] Xu M G, Reekie L, Chow Y T,et al.Optical in fiber grating high pressure sensor [J].Electron Lett, 1993,29(4):398-399.

[6] 張 穎,劉志國,郭轉運,等.高靈敏度光纖光柵壓力傳感器及其壓力傳感特性的研究[J].光學學報,2002,22(1):89-91.

[7] 劉麗輝,張偉剛,郭宏雷,等.光纖布拉格光柵壓力增敏的實驗研究[J].中國激光,2004,31(10):1266-1268．

[8] Hocker G B.Fiber optic sensing of pressure and temperature [J].Appl Opt,1979,18(9):1445-1448.

[9] 文慶珍,苑秉成,黃俊斌.光纖光柵壓力傳感器封裝增敏技術[J].海軍工程大學學報,2005,17(3):1-4.