隋丹丹，張會新，張利平，洪應平，蘆夜召，崔 凱

(1.中北大學，電子測試技術國家重點實驗室，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.北京遙測技術研究所，北京 100076)

0 引言

隨著新材料和工藝技術的發(fā)展，壓力傳感器的應用領域越來越廣泛。同時，人們對壓力傳感器也提出更高的要求，因此，越來越多的科研人員都開始了對柔性壓力傳感器的研究，以實現(xiàn)傳感器的柔性、輕薄、可折疊等特點[1]。

根據(jù)壓力傳感器技術的不同，常分為壓電式[2]、壓阻式[3-4]、電容式[5-6]以及光學式[7-8]等。其中基于光學機理的光纖壓力傳感器具有抗電磁干擾、傳輸距離遠、柔韌性好、便于復用、重量輕等優(yōu)點，成為了學者們的研究熱點[9]。根據(jù)測試方法的不同，光纖壓力傳感器的種類也多種多樣?，F(xiàn)今光纖測試方法主要分為光損耗[10]、 光時域反射(optical time domain reflectometry，OTDR)和光頻域反射(optical frequency domain Reflectometry，OFDR)技術[11]。其中OFDR與OTDR技術是分布式測量的主流方法，可以檢測到大范圍傳感區(qū)域內(nèi)的信號變化。而且，與OTDR技術相比，OFDR空間分辨率不受信噪比和動態(tài)范圍的制約[12]。

綜合考慮，本文根據(jù)OFDR技術實時測量的光纖的應變值，從而實現(xiàn)對不同壓力的檢測。為了進一步提高光纖壓力傳感的靈敏度，提出一種膜片式倒凹槽結構的增敏模型，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為柔性基底，普通單模裸光纖進行傳感的光纖壓力傳感器。當傳感器受到法向壓力時，PDMS既能保護脆弱易斷的光纖，又利用受壓形變的帶動作用，使光纖發(fā)生軸向拉伸。

1 傳感器結構設計與原理分析

1.1 傳感器結構設計及制作

傳感器的三維結構及尺寸圖如圖1所示，上層的觸頭層為受力接觸面，由PDMS制成。下層為帶有圓形凹槽結構的薄膜層，內(nèi)部嵌入未處理過的單模裸光纖，薄膜層同樣由PDMS制得。

(a)傳感器三維結構圖

制作基于PDMS柔性襯底的壓力傳感器的工藝流程如圖2所示。

圖2 傳感器的制作過程示意圖

將PDMS (sylgard 184，dow corning)的預聚物和固化劑按照質量比10∶1進行混合，攪拌至混合物成奶白色后停止攪拌。然后將混合物放入真空烘箱中抽真空30 min，去除混合物中氣泡。為了便于脫膜，需要在模具內(nèi)部各個壁面上均勻的涂抹一層凡士林，然后將光纖放入模具中，并對光纖施加一定的預應力，其目的是使其繃直，減少測試時由于光纖未繃直帶來的誤差。接下來將脫泡后的PDMS混合液慢慢倒入處理好的模具中，靜止2 h后放到60 ℃的加熱板上，固化2 h得到柔性光纖壓力傳感器。

1.2 傳感器測量原理分析

利用基于背向瑞利散射原理的OFDR系統(tǒng)，對光纖壓力傳感器進行檢測。當在觸頭臺上施加法向壓力的時候，觸頭臺發(fā)生形變，而下面的PDMS薄膜層整體被壓縮，使內(nèi)部光纖發(fā)生形變，增大了光纖軸向的應變，從而導致光纖的背向瑞利散射信號頻率發(fā)生漂移，所以光譜漂移與光纖的應變成正比。通過對OFDR測量儀內(nèi)部的參考臂與信號臂的測量信號進行快速傅里葉變換及相關運算，得到光譜漂移量。

(1)

式中：λ和Δλ分別為平均光波長和光的波長漂移值；v和Δv分別為平均光頻率和光的頻率漂移量；Ks為應變校準常數(shù)。

一般對于鍺硅酸鹽玻璃纖芯光纖，應變校準常數(shù)為

Ks=0.78

(2)

Ks主要由光纖纖芯的摻雜種類和濃度決定，其次還受到包層成分與涂覆層成分的影響。

計算出光纖頻率的偏移量后，光纖的應變量可以用式(3)表示[13]：

(3)

因此經(jīng)過OFDR測量儀內(nèi)部進一步編碼，可以導出相應的應變值。我們只需要得到應變與壓力的關系，就可以準確測出所受壓力的大小。

2 有限元仿真分析

采用Abaqus軟件對傳感器模型進行有限元仿真分析。首先對傳感器建模，由于傳感器的結構對稱，所以采用二維軸對稱單元模型進行計算。其次值得注意的是觸頭層和下面的柔性襯底的作用是進行力的傳遞，增加光纖的形變，因此仿真中選用Mooney-Rivlin超彈性模型設置PDMS材料的參數(shù)。同時，因為光纖(直徑125 μm)相對于傳感器的整體尺寸來說非常小，所以我們的仿真模型不包括光纖。

2.1 傳感器受力變形分析

圖3(a)和圖3(b)為在100 kPa法向壓力下的傳感器形變圖及軸向應變的分布情況?？梢钥闯觯雒裟Ｐ陀捎诘撞康牡拱疾劢Y構，相比于普通模型來說對觸頭臺下方的PDMS薄膜層沒有向上的支撐力，約束減少，所以在同樣載荷下，增敏模型會發(fā)生更大的形變。

(a)普通傳感器模型

2.2 法向力作用下的傳感器輸出應變特性

圖4(a)為增敏模型在100 kPa壓力時，距離觸頭臺不同深度d(參見圖3(b)中標注)處的應變分布。從圖中可以看出，在距離觸頭臺底面不同深度的應變分布不一樣，在觸頭臺的正下方的位置(x為0～5 mm，參見圖3(b))的應變比其他位置的應變分布更加均勻。仿真結構厚度為4 mm時，在深度d為3 mm處的應變較其他兩個深度的應變更大。因此，可以確定光纖嵌入的位置以及測量點的位置為觸頭臺的正下方3 mm處。根據(jù)圖4(a)的分析結果，進行仿真，記錄仿真中在觸頭臺正下方深度為3 mm處不同壓力所對應的應變，觀察兩種模型對靈敏度的影響，如圖4(b)所示。由圖4(b)，可以很明顯發(fā)現(xiàn)，帶有倒凹槽結構的光纖壓力傳感器的應變更大，從而實現(xiàn)增大靈敏度。

3 實驗測試與分析

圖5為制作的傳感器實物圖，左側為傳感器的上面結構圖，右側為傳感器背面結構圖。

(a)不同深度位置的應變分布

圖5 傳感器實物圖

圖6為傳感器測試平臺，將推拉力計安裝在測試臺上，通過上下移動推拉力計對傳感器施加法向壓力。將傳感器內(nèi)部光纖與跳線熔接，連接到OFDR測量儀(型號LUNA OBR4600)上，用于光纖軸向應變的測量。

圖6 實驗測試平臺示意圖

利用傳感器測試平臺對仿真結果進行驗證。通過上下移動推拉力計對2種傳感器進行施加法向力，范圍是0～250 kPa,，記錄實驗數(shù)據(jù)，得到圖7所示實際測量中兩種模型對靈敏度的影響。可以發(fā)現(xiàn)，在100 kPa以內(nèi)，壓力與應變近似成線性關系；超過100 kPa，應變成指數(shù)增長。在0～100 kPa內(nèi)普通模型和增敏模型的靈敏度分別為1.09/kPa和1.69/kPa，在100～250 kPa壓力范圍內(nèi)，普通模型和增敏模型的靈敏度分別為1.58/kPa和3.35/kPa。實際測量數(shù)據(jù)得到的圖7和圖4(b)對比，符合仿真的結果。

圖7 兩種模型實際測量中對靈敏度的影響

根據(jù)圖7的結果，超過120 kPa后壓力和應變的線性度不佳，所以我們將壓力范圍設為0～100 kPa對傳感器進行測量標定。所以，上下移動推拉力計，增量為10 kPa，記錄10個數(shù)據(jù)，重復5次，得到圖8所示的實驗結果圖。由圖8可以看出測試結果具有很好的重復性，并且線性度均達到0.998以上，壓力靈敏度為1.69/kPa。

(a)傳感器的重復性

實驗還測試了降壓過程中壓力與微應變的關系，實驗范圍依然是0～100 kPa，每次減少10 kPa，進行5次實驗，結果具有很好的重復性，線性度均達到0.996以上。圖9為傳感器一次正反行程測試結果圖。測試結果發(fā)現(xiàn)，每次升壓結束后進行降壓測試得到的微應變均小于加壓時的微應變。分析造成遲滯的原因，可能是由于PDMS的彈性后效，施加一定壓力后再降壓，PDMS不能立即彈回。為了解決上述問題，決定調整PDMS的配比，改變觸頭臺的彈性模量，相關實驗正在進行。

圖9 正反行程結果圖

4 結論

本文提出了一種增敏結構的柔性光纖壓力傳感器，通過仿真和實驗驗證，該傳感器能夠有效的提高光纖壓力傳感器的靈敏度，且操作簡單，成本低。在0～100 kPa的壓力范圍內(nèi)，靈敏度由1.09/kPa提高到1.69/kPa，同時還具有很好線性度與重復性，可用于智能機器人、人造皮膚領域等領域。但是由于傳感器的厚度還是有些大，影響了傳感器的柔韌性，所以后期需要對傳感器結構及材料進行優(yōu)化，以及考慮陣列問題，實現(xiàn)分布式測量。