基于光纖布拉格光柵的壓力傳感器設計

林俊輝 王 濤 楊期江 李聚保 徐東華

（廣州航海學院，廣東 廣州 510725）

傳感技術是衡量一個國家信息化程度的重要標志[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。隨著生產過程自動化領域的飛速發展，智能傳感器測量和控制的應用日益增加，自動化測控技術的升級研究成為時代發展迫切需要突破的關口，更可靠、靈敏且抗干擾能力強的傳感器是該研究領域繞不過的關鍵點。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構優化，該文設計了一種新型的腔體式懸臂梁壓力感應器，將光柵并進行了大量試驗，對感應器各個單元進行了結構和材料的設計、篩選，并記錄了相應的試驗數據，最終確定為外直徑120mm、高100mm 的圓柱體結構。該感應器為上部承載單元、十字復位單元，下方則為傳動柱和懸臂梁、復位橡膠和主腔體。材料主要由工程塑料和金屬制作，具有結構簡單且便于生制作、安裝、采集試驗數據和價格低廉、承重強等特點。進行試驗時，分別做了幾組封裝試驗，并多設置了一組光纖光柵進行溫度補償，以減少溫度對試驗數據的影響。該文設計的一維力傳感器可用于微力測量領域。

1 懸臂梁一維力傳感器結構介紹

第一組試驗感應器上部結構如圖1所示。

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

圖1 是第一試驗組，采用最初的設計結構和材料；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；十字復位單元示意圖如圖3所示，材質為聚碳酸酯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的彈性復位（壓力歸零）。其余結構采用電木。

圖2 懸臂梁示意圖

圖3 復位單元示意圖

2 試驗目標

試驗有3 個目標，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，求得應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計的感應器的適用測量應力區間，即感應器測量應力的極限區間。

3 懸臂梁一維力傳感器原理

光纖光柵是近期發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力應變的對應關系及與光纖之間天然的兼容性，被用于制作應變傳感單元。光纖光柵傳感器具有非傳導性、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點，不需要電源供電力。該文針對自主設計的一維力傳感器進行載荷試驗，發揮光纖光柵壓力傳感器的優勢，分析一維力傳感器工作原理及感應器添加負載時懸臂梁受力產生的彎矩變化情況，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。并結合試驗，證實FBG 的中心波長漂移量和懸臂梁受力形變所產生的彎矩變化呈線性關系，利用FBG 的應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。光纖光柵縱向應變壓力傳感器主要基于光纖光柵解調器檢測反射譜中心波長的偏移量，進而得出其受外界應變。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neff、Λ受外界影響時，會導致中心波長發生變化。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力的作用，則優軸向應力所致的周期變化可為公式（3）。

式中：εz為縱向應力方向的應變張量。

軸向應變引起的FBG 中心波長相對位移量如公式（4）所示。

定義有效彈光系數pe如公式（5）所示。

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

4 應力與光柵中心波長變化數據分析

4.1 第一組試驗

該試驗組中，將光柵封裝在圖2 銅質懸臂梁中心線處，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據。光柵波長初始值為1549.777，以表格數據記錄表現壓力與折射波長變化關系，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據變化，這說明該負載使銅質懸臂梁產生的形變非常小，難以被光柵捕捉。載重量上到超過50g～100g 后，出現了短暫規律的波長變化數據。但是繼續增大砝碼重量后卻得到了不規律的數據，并且在超過1000g 之后數據已經固定，撤去砝碼后長期靜止后，光柵波長無法恢復到初始空載值。總結出的問題如下：1）銅質懸臂梁彈性不足，受壓形變后恢復慢。2）產生不可逆塑性形變，試驗數據不規律。3）試驗過程中，砝碼擺放時間也需要調整，每次放和收都需要靜置試驗體一段時間，才能得到相對穩定的波長數據。

4.2 第二組試驗

根據以上試驗數據和研究結論，該文對感應器的結構和材料進行了相應調整，去掉了原先底部的橡膠支撐塊，感應器的結構變得更簡潔，也相應減少了影響試驗的不良因素。另外，復位單元、光柵的載體——懸臂梁的材料和結構也進行了重新升級，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、力學性能優和材料環保等優點，重新封裝光柵，組裝好感應器后得到了如下數據，如圖5所示。

圖5 第二組試驗波長變化折線圖

在該文設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關系存在。設壓力值與波長變化之間的函數關系為N=K×Δλ+b（N為壓力、K為變化系數、Δλ為波長變化量、b為常數）。

通過上述數據可得K=300、b=0，即波長變化量與負載之間的函數關系為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（上部復位單元及懸臂梁均采用65 號彈簧鋼）

5 結論

經過多次對比試驗，在0g～390g，光柵中心波長變化與應力變化呈線性關系，數值成正比關系，也驗證了鈹銅和65號彈簧鋼作為形變載體的適用性。結論就是65 號彈簧鋼的彈性更好，更適合作為彈性載體，但后期試驗中發現其容易生銹而影響試驗數據，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力變化，最終選擇了涂防銹油的方案。該試驗驗證了該文設計的感應器在借助光纖光柵技術的前提下具備一定的測量能力，具備深入研究和繼續優化的基礎，可應用于微力測量的場景中，但結構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化。