一種改進型光纖壓力傳感器設計

楊永亮， 張羽， 李雪佳， 于振， 關丙火， 吳則功

（1. 中國神華能源股份有限公司 神東煤炭分公司，陜西 榆林 719315；2. 天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015；3. 齊魯工業大學（山東省科學院） 山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250104）

0 引言

煤礦生產作業過程中可能會存在高溫、高壓等，不合理的壓力變化可能導致爆炸、火災等嚴重事故[1-2]。通過對壓力進行實時監測，能夠提前發現異常情況，提供及時的預警，有助于預防事故，減少風險。近幾年我國能源、化工領域壓力監測事故頻發，造成較大人員傷亡及財產損失[3-6]。嚴峻的形勢對壓力傳感器提出了高精度、大量程的要求。

常見的壓力傳感器包括壓阻式傳感器[7]、石英式傳感器[8]和壓電式傳感器[9]等。壓阻式傳感器是通過測量電阻變化來檢測壓力變化。然而，煤礦環境中溫度、濕度變化較大，壓阻式傳感器的測量精度易受到影響。石英式傳感器采用石英膜作為敏感元件，具有較高的耐腐蝕性和耐磨性。然而，在石英式傳感器中，傳感部分與被測介質直接接觸，易受到介質中固體顆粒或腐蝕性介質的損壞。壓電式傳感器通過壓電效應將壓力轉換為電信號，具有較高的靈敏度和較寬的測量范圍。然而，壓電式傳感器對溫度和濕度的變化比較敏感，導致測量結果不穩定。傳統的壓力傳感器無法滿足監測環境的特殊要求。

近幾年，許多學者對光纖壓力傳感器進行了研究。梁敏富等[10]基于光纖光柵傳感原理及彈性膜片結構，設計了一種新型的溫度補償壓力傳感器。測試結果表明該傳感器具有良好的線性度，但該傳感器的靈敏度較低，僅為37.62 pm/MPa。梁磊等[11]設計了一種使用膜片和L 型懸臂梁作為壓力轉換單元的光纖布拉格光柵壓力傳感器，該傳感器的壓力靈敏度為1 185.621 pm/MPa，但壓力監測范圍僅為0～2 MPa，在使用上具有一定局限性。Chen Ningning等[12]設計了一種傾角和壓力融合的傳感器，基于采場支護與圍巖耦合模型，將支護傾角和壓力確定為支護姿態傳感的研究對象。光纖光柵壓力傳感器的壓力監測范圍為0～30 MPa，但壓力靈敏度僅為35.6 pm/MPa。楊耀忠等[13]基于波紋管的壓力傳感特性及懸臂梁的杠桿放大結構，設計了一種高靈敏度的光纖布拉格光柵壓力傳感器。該傳感器在0.1 MPa 的壓力監測范圍內有較高的靈敏度，導致其使用范圍較窄。趙林等[14]采用波紋管、懸臂梁相結合的結構，設計了一種光纖光柵壓力傳感器，解決了溫度對壓力測量的交叉敏感問題，最后通過試驗驗證了傳感器的線性度。但該傳感器為了增強波紋管的強度，采用了成本較高的雙層波紋管，當外界壓力過大時雙層波紋管易導致傳感器線性度下降甚至損壞，且該傳感器的壓力監測范圍僅為 0～1 MPa。

針對現有光纖壓力傳感器壓力監測范圍小、靈敏度低、成本高的問題，本文在光纖壓力傳感器中增添了限位罩、彈簧，通過改變溫度補償方式簡化制作工藝。使用成本更低、制作更簡單的單層波紋管，設計了以懸臂梁、波紋管和彈簧為主要彈性元件的光纖壓力傳感器。

1 光纖壓力傳感器設計

1.1 光纖光柵傳感原理

根據光纖光柵的反射原理可知，當寬帶光源入射光纖光柵時，光纖光柵會把滿足條件的波長反射，反射波的中心波長與光纖光柵的有效折射率及周期相關[15]。

式中： λB為光纖光柵反射波的中心波長；neff為光纖光柵的有效折射率； Λ為光纖光柵的周期。

光纖光柵反射中心波長受外界溫度、應變的影響。

式中：ΔλB為中心波長的改變量；kε和kT分別為光纖光柵的應變系數及溫度系數； Δε 和 ΔT分別為應變、溫度的改變量。

1.2 光纖壓力傳感器內部結構

光纖壓力傳感器內部包括粉末冶金、溫度光纖光柵、應變光纖光柵、懸臂梁、限位罩、波紋管壓罩、波紋管和彈簧，如圖1 所示。在上方的懸臂梁粘貼一支應變光纖光柵，懸空一支溫度光纖光柵（使其不受應力）。懸臂梁下方的限位罩將彈簧、波紋管壓罩、波紋管罩于其內部，限位罩內側上平面與彈簧上平面接觸，彈簧下平面與波紋管壓罩接觸。當外界壓力通過波紋管底部的管道到達波紋管時，高壓使其產生軸向形變，進而壓縮彈簧，最終彈簧發生形變并將力傳至懸臂梁，改變應變光纖光柵的受力情況。

圖1 光纖壓力傳感器內部結構Fig. 1 Internal structure of the optical fiber pressure sensor

1.3 溫度補償方法

原始光纖壓力傳感器雙面粘接光柵的方式要求正反兩面光柵的位置必須一致[16-18]，這對光柵的粘接工藝提出了較高的要求。因此，本研究對溫度補償方式進行了改進，通過懸空一支溫度光纖光柵，保證溫度光纖光柵不受應力[19-21]，只需在懸臂梁的一側粘接應變光纖光柵，操作簡單且易于量產，溫度補償后的實際壓力改變量為

式中： λ1為懸臂梁粘接的應變光纖光柵改變后的波長； λ0為懸臂梁粘接的應變光纖光柵原始波長； λ3為懸空的溫度光纖光柵改變后的波長； λ2為懸空的溫度光纖光柵原始波長；k2為溫度光纖光柵的溫度系數；k3為應變光纖光柵的溫度系數；k1為應變光纖光柵通過波長和壓力變化擬合出的系數。

1.4 光纖壓力傳感器的線性分析

采用懸臂梁作為光纖光柵傳感器的直接受力元件，懸臂梁自由端的抬升高度tε與懸臂梁產生的應變ε具有線性關系。

式中Kε為懸臂梁的應變系數。

波紋管是一種管狀的彈性材料，其受到內部壓力時會改變自身軸向的長度，針對波紋管的這一特性，將其作為敏感材料，根據波紋管的自身機械原理，可得

式中：z為波紋管的軸向位移；AF為修正系數；m為波紋管的波數；F為外界壓力； μ為材料的泊松比；R0為波紋管的原始半徑；E為材料的彈性模量；h為波紋管的高度。

當波紋管確定后，波紋管的軸向位移z只與外界壓力F有關。

原始光纖壓力傳感器使用雙層波紋管，其成本較高，且壓力大時易出現線性度下降甚至損壞等問題，因此，本研究在單層波紋管中增加了勁度系數更大的彈簧，以限制外界產生壓力時單層波紋管發生形變，使波紋管與彈簧共同傳遞壓力到懸臂梁。

由于增加了彈簧作為輔助彈性材料，將波紋管、彈簧作為整體來分析，可得

式中K1為彈簧、波紋管結合后的勁度系數。

結合式（4）及式（6）可得

由于波紋管和彈簧相結合增大了K1，在同樣外界壓力F下更不易產生應變ε，同時，可看出應變與外界壓力之間存在線性關系。通過調整K1或Kε改變傳感器的靈敏度，進而改變量程，如果懸臂梁參數不變，就可只通過改變彈簧的勁度系數來影響量程。

2 實驗驗證

2.1 溫度標定實驗

對傳感器內部光纖光柵的溫度系數進行標定，得到相關的溫度參數作為溫度補償。使用YGSJ-12C 解調儀可實現1 528～1 568 nm 大范圍波長解調，其解調精度為±1 pm。利用解調儀對高低溫箱內的傳感器實時解調，高低溫箱型號為T260-50。溫度標定實驗裝置如圖2 所示。

圖2 溫度實驗Fig. 2 Temperature experiment

設定高低溫箱的溫度為0～40 ℃，待高低溫箱內溫度穩定后對解調儀讀數。為確保溫度系數準確，開展10 次實驗，得到雙光柵的溫度系數。單次實驗數據如圖3 所示，可看出應變光纖光柵的溫度系數為0.022 nm/℃，溫度光纖光柵的溫度系數為0.013 nm/℃。

圖3 溫度測試結果Fig. 3 Result of temperature test

2.2 壓力測試與數據分析

為測量改進后傳感器應變光纖光柵的應變參數，對比改進前后壓力監測量程變化，搭建了壓力測試裝置，如圖4 所示。其中壓力測試儀實驗裝置為活塞壓力計，待電子壓力計示數穩定后可讀取標準的壓力值。

圖4 壓力測試裝置Fig. 4 Pressure test device

改進前光纖壓力傳感器的單次實驗數據如圖5所示。改進前的傳感器采用雙光纖光柵（正、反兩面粘結的光纖光柵）波長差分的方式來補償溫度，消除溫度對壓力監測的干擾，所以圖5 中的縱坐標顯示的是雙光纖光柵的波長差。因為改進前的壓力傳感器量程太小，僅為0～1 MPa，在大于1 MPa 的壓力下可能會出現損壞，所以只給出了1 MPa 內的測試數據。

圖5 改進前傳感器波長與壓力曲線Fig. 5 Sensor wavelength and pressure curve before improvement

準備一支高精度溫度計來讀取當前溫度，確保應變波長的讀數是在同一溫度下，營造恒溫的環境。對改進后的光纖壓力傳感器開展10 次實驗，單次的實驗結果如圖6 所示，依靠活塞壓力計提供的0～5 MPa 的壓力，記錄應變光纖光柵的波長隨壓力變化的數據，擬合出應變光纖光柵的應變系數。可看出傳感器的應變光纖光柵的應變系數（靈敏度）為0.379 98 nm/MPa，10 次實驗的系數偏差不超過0.02 nm/MPa。在0～5 MPa 的壓力下，傳感器產生了約1.9 nm 的波長改變。

圖6 改進后傳感器波長與壓力曲線Fig. 6 Sensor wavelength and pressure curve after improvement

對比圖5、圖6 可看出，通過一系列改進措施，光纖壓力傳感器的壓力監測量程從1 MPa 提升到5 MPa，提升了5 倍。

在溫度標定、壓力測試得到具體的溫度參數、應變參數之后，再利用溫度補償公式計算解調壓力值，并與活塞壓力計上安裝的電子壓力計顯示的標準壓力值進行對比，實際驗證傳感器的解調精度。本次實驗數據見表1，可看出傳感器在0～5 MPa 的外界壓力下測量誤差（標準壓力值減去解調壓力值）均在0.02 MPa 之內。

表1 實驗數據Table 1 The experimental data

3 現場應用

在我國西部很多礦區，由于環保的因素，成分復雜的礦井水并不能直接排放到礦區外，會存儲在煤礦的水倉，且水倉處于安全隱患較大的煤礦采空區，因此水倉的水位監測顯得尤其重要。為驗證傳感器在實際管道監測中的可靠性，本研究將改進后的光纖壓力傳感器在我國西部某煤礦井下的輸水管道中進行了驗證。傳感器實物如圖7 所示、傳感器水壓監測施工如圖8 所示。

圖7 傳感器實物Fig. 7 Sensor object

圖8 傳感器水壓監測施工Fig. 8 Sensor water pressure monitoring and construction

首先，采用高精度本安電子壓力計和光纖壓力傳感器共同監測。運行1 周，通過專業人員每天巡視5 次，將電子壓力計的示數和光纖壓力傳感器的解調壓力數值進行對比，發現誤差在0.02 MPa 之內。其次，使用光纖壓力計對3 個月后的水壓進行監測。整理光纖壓力傳感器在3 個月內的運行數據（統計了約275 次），如圖9 所示。通過高精度本安電子壓力計測出水深基本穩定處于160 m（1.6 MPa）的壓力范圍下。最后，通過解調結果可看出壓力解調精度為±2 m（0.02 MPa）之內。

圖9 光纖壓力傳感器運行采樣點Fig. 9 Fiber optic pressure sensors run sampling points

4 結論

1） 基于光纖光柵傳感元件及懸臂梁、波紋管、彈簧等彈性元件提出了新型的光纖壓力傳感器。通過懸空一支溫度光纖光柵，以保證溫度光纖光柵不受應力 ，只需在懸臂梁的一側粘接應變光纖光柵，操作簡單且易于量產，在單層波紋管中增加了勁度系數更大的彈簧，以限制外界產生壓力時單層波紋管發生形變，使波紋管與彈簧共同傳遞壓力到懸臂梁，改進制作工藝的同時降低了光纖壓力傳感器生產成本。

2） 在0～5 MPa 的監測量程下傳感器的測量誤差在0.02 MPa 之內，靈敏度為0.379 98 nm/MPa。

3） 開展了為期3 個月的現場應用，使用該傳感器監測礦區水壓，壓力解調精度為±2 m（0.02 MPa）之內，證明了其具有較高的可靠性。