張智禹, 于文革

(沈陽航空航天大學(xué)，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(chǎn)品，也是微機械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品,其原理是將力轉(zhuǎn)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(wěn)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(yīng)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(zhì)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(xiàn)分布式傳感的優(yōu)點[3,4]。但是,裸FBG的拉力靈敏系數(shù)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(yīng)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(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)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(huán)境適應(yīng)性。因此，用聚合物封裝提高FBG拉力靈敏度一直以來是國內(nèi)外專家研究的重點。

本文利用FBG的特點設(shè)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(dāng)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，F(xiàn)BG的中心反射波長為

λB=2neffΛ,

(1)

式中neff為導(dǎo)模的有效折射率；Λ為光柵周期。由式(1)可知，F(xiàn)BG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(yīng)引起的。

當(dāng)溫度不變，若沿光纖軸向施加拉力F，根據(jù)胡可定律，光纖產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?yōu)?/p>

(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(shù)。

2 微力傳感器增敏封裝原理

該設(shè)計結(jié)構(gòu)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(huán)和杠桿前端固定，圓環(huán)可以在鋼管上滑動，當(dāng)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(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)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(chǎn)生向上的拉力P1為

(4)

式中l(wèi)2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(jié)構(gòu)的拉力靈敏度系數(shù)為

(6)

3 實 驗

實驗室溫度為22 ℃,并假設(shè)溫度不發(fā)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(zhì)量而改變壓力，每次加砝碼10 g。實驗用解調(diào)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(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)據(jù)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(shù)為1.61×10-4/N,該結(jié)構(gòu)的拉力靈敏度理論值是裸光纖的7.71倍。

表1 測量數(shù)據(jù)

通過表1可知中心波長和微力的關(guān)系如圖2所示。

圖2 中心波長和微力的關(guān)系圖

由圖2可以看出：中心波長和微力具有良好的線性關(guān)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(fā)生形變；

2)圓環(huán)和鋼管之間運動時會有摩擦力；

3)聚合物受力時會產(chǎn)生切向的分力。

4 結(jié)束語

為了提高FBG的微拉力靈敏度,本文采用杠桿結(jié)構(gòu)和聚合物結(jié)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(xiàn)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(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻:

[1] 鄭瑋瑋,劉學(xué)觀,趙光霞.微壓力傳感器參數(shù)設(shè)計及靈敏度分析[J].儀表技術(shù)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(shù),2001,20(4):48-51.

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[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(shù)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2005,17(3):1-4.