溫度精度補償的光纖光柵土壓力傳感器

吳國軍，何少靈，桑衛兵

（中國船舶重工集團公司第七一五研究所，浙江杭州 310023）

0 引言

土壓力傳感器主要用于堤壩、邊坡、路基等結構體內部土體的壓力[1-2]。傳統的土壓力傳感器主要基于電阻應變式和振弦式兩種原理[3]，但這兩種類型的土壓力傳感器普遍存在長期穩定性差、易受電磁干擾、分布式測量難以實現等不足[4]。

光纖光柵作為一種較新型的光纖無源器件，具有本質安全、抗電磁干擾、使用壽命長、易于組網等優點，基于光纖光柵的土壓力傳感器也漸漸成為人們研究的熱點。王花平等人提出了一種光纖光柵土壓力傳感器，將一根受力光柵粘貼于圓薄板中心處，通過圓薄板將土壓力轉換為光柵可測的應變量。但由于其是將光纖光柵完全于薄板粘貼，在薄板產生撓度時，易造成光柵的啁啾，引起光柵波峰的展寬或分裂，導致測量精度下降[5]。趙艷等人提出一種圓平膜片薄板撓曲型光纖光柵土壓力傳感器，將光柵粘接固定于一組對稱的光柵固定柱上，在實現壓力增敏的同時避免了傳感器在測量過程中產生啁啾現象[6]。但其在溫補光柵的處理上還存在以下兩個問題：（1）溫補光柵和測壓光柵光路相互獨立，增加系統的復雜程度；（2）溫補光柵粘貼于底座上，且雙端出纖，無法確保其在測量過程有評測外界應力影響，無法有效保證溫度補償精度。

針對上述存在的幾個問題，本文論述了一種新穎的光纖光柵土壓力傳感器，完成壓力測量功能的前提下，又實現了精確溫度補償的最終目標。通過實驗結果可知，該款光纖光柵壓力傳感器在不同溫度下所獲得的壓力值的范圍小于0.4%FS；基于0.5 MPa的壓力測量范圍下，壓力精度有0.38%FS。

1 工作機理

如圖1為溫度精確補償的光纖光柵土壓力傳感器。該傳感器結構具有平面膜片特點，整體呈扁圓柱體狀。其中的測壓光柵兩端固定于膜片中心處，且對其施加一定大小的預拉力。當膜片在外界壓力作用下向內彎曲，從而拉伸測壓光柵，使其中心波長產生漂移，通過檢測該漂移量，即可反推出所施加壓力的大小。溫補光柵與測壓光柵串聯，其單端固定，柵區呈完全自由狀態，因而不受外界應力影響，可以精確測量其所處環境的溫度量，對測壓光柵在測量過程中因溫度引起的波長漂移量實現較為精確的補償。

圖1 傳感器結構布局圖Fig.1 Schematic diagram of the proposed pressure sensor

在實施壓力測量中，傳感器結構中的測壓光柵模塊同時受到壓力和溫度的兩重影響，而溫補光柵只受到溫度影響，不受壓力影響。在光纖光柵線性作用范圍內，測壓光柵與溫補光柵的波長與溫度及壓力變化存在如下關系：

其中，λP為測壓光柵的波長，λT為溫補光柵的波長，KT1為測壓光柵的溫度系數，KP1為測壓光柵的壓力系數，KT2為溫補光柵的溫度系數，P為環境的壓力，T為環境的溫度。將（1）、（2）式約去T，即可得：

可見，λ與P成正比。當獲得λ的數值，可求出壓力值。

2 實驗結論與探究

傳感器在實驗過程中所用的測壓光柵和溫補光柵的初始波長分別約為1 535.6 nm和1 550 nm。對測壓光柵施加一定大小的預拉力，使其波長均增大約0.5 nm。光纖光柵中心波長的測量采用Micro Optics公司生產的SM130解調儀，波長解調精度1 pm。土壓力傳感器的材料選用不銹鋼，其外殼直徑為40 mm，厚度為5 mm。平面膜片的有效受壓面直徑為30 mm，厚度為1.4 mm。測壓光柵與膜片之間用Epoxy TEK 353ND膠進行粘接。光柵的尾纖通過光纖松護套和鎧裝護套進行保護。傳感器實物圖如圖2所示。

圖2 傳感器實物圖Fig.2 Physical map of the proposed sensor

2.1 壓力性能測試

試驗中采用水壓來模擬實際使用中的土壓力。將傳感器放置于壓力罐內，調節壓力罐內的壓力值，以0.1 MPa的間隔逐漸加壓，從0 MPa開始至0.5 MPa，記錄下各個壓力測試點溫補光柵及測壓光柵的波長數值。后將測壓光柵及溫補光柵的壓力與波長值進行數值擬合，得到的擬合結果如圖3所示。

圖3 測壓光柵、溫補光柵與壓力的關系曲線圖Fig.3 Relations of both FBGs with the pressure

從圖3中可以看出，溫補光柵的波長對壓力完全不敏感，其波長起伏源于解調儀在自身精度范圍內的隨機波動。測壓光柵的波長則與壓力存在較好的線性關系，線性擬合度為1.0000，進而保證傳感器可高精度有效測壓。其中測壓光柵的壓力系數達到917.8 pm/MPa，又確保了傳感器可以高分辨率測量。

表1 傳感器壓力精度測定Table1 Precision test of the sensor

在測定壓力精度中，將標校后的傳感器放置在壓力罐內，通過施加不同的壓力，壓力測量值由軟件實時讀取。壓力罐內的壓力值以標準壓力表（FLUKE 2700G）作為參考。測試結果見表1。可知在0.5 MPa的量程內，傳感器的壓力精度可達0.38%FS'。

2.2 溫度性能測試

測試傳感器的溫度性能時，將傳感器放置于恒溫水槽內，以9℃的間隔調節水槽的溫度從0℃開始升至45℃，記錄各個溫度測試點下測壓光柵及溫補光柵的波長數值。將測壓光柵及溫補光柵的波長與溫度進行數值擬合，獲得測壓光柵及溫補光柵的溫度系數，如圖4、5所示。其中恒溫水槽內的實際溫度由高精度溫度計讀取。

圖4 測壓光柵及溫補光柵的波長與溫度的關系曲線圖Fig.4 Wavelength relation of PS FBG and the temperature

圖5 溫補光柵的波長與溫度的關系曲線Fig.5 Wavelength relation of TC FBG and the temperature

為了簡化算法，測壓光柵的波長與溫度的數據擬合采用線性擬合的方法進行，從圖中可以看出，其線性擬合度達到了0.999 9，溫度系數為0.025 9 nm/℃。而在將溫補光柵的波長與溫度的數據擬合中，采取了二次擬合的方式，使其波長與溫度的擬合度達到了1.000 00，確保了其測溫精度，從而為測壓光柵提供精確的溫度補償。

2.3 溫度補償性能測試

將傳感器置于某一溫度的恒溫水槽中，利用傳感器的各項參數及解調儀測得的波長值解算出經過溫度補償后的壓力測量值，并觀察該壓力值在不同溫度下的波動，測試結果如圖6所示。

圖6 不同溫度下的壓力測量值波動曲線圖6 Variation of the measured pressure under different temperature

從圖6中可看出，經過溫度補償后的壓力測量值基本保持不變，最大的波動小于0.002 MPa（0.4%FS），說明傳感器在不同的溫度條件下，溫補光柵能夠精確的溫度補償。

3 結論

本文提出一種新穎的基于溫度補償的光纖光柵土壓力傳感器。該傳感器結構具有平面膜片特點，膜片在外界壓力作用下產生向內的撓度拉動測壓光柵以實現壓力傳感。傳感器引入串接的溫補光柵，且柵區呈自由狀態，使之對外界壓力不敏感，可以在測壓過程中做到溫度精確補償。實驗中，傳感器在不同溫度下壓力測量值的變化范圍小于0.4%FS；在0.5 MPa的壓力測量范圍內，壓力精度達到了0.38%FS。