趙偉涵

摘要：在參考已有光纖光柵傳感器的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一種基于菱形體、膜片結(jié)構(gòu)、粘結(jié)劑和溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵壓力傳感器。傳感器采用菱形體結(jié)構(gòu)，將FBG所承受的壓力轉(zhuǎn)換為橫向拉力，因此具有高的靈敏度。同時(shí)，通過在菱形體中間粘一“工”形膜片，避免了光柵因彎曲而發(fā)生折斷現(xiàn)象，且減少了菱形體因受壓力而產(chǎn)生傾斜的概率，進(jìn)而提高了測量的準(zhǔn)確性。圓柱體材料選用304不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)置不銹鋼菱形框架;通過參考幾種粘接劑的主要性能指標(biāo)，“工”形膜片選用353ND膠粘于菱形體中間夾層處，該膜片選用純鈦材料，重量輕、耐腐蝕。為補(bǔ)償溫度影響，串聯(lián)一根溫度補(bǔ)償光纖光柵。

關(guān)鍵詞：光纖光柵 壓力傳感器 溫度補(bǔ)償 靈敏度

一、光纖光柵應(yīng)力傳感器測量背景

光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor ）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。

一般都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過確定2個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。

二、光纖光柵應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)

在參考已有光纖光柵傳感器的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一種基于菱形體、膜片結(jié)構(gòu)、粘結(jié)劑和溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵壓力傳感器，傳感器呈微型圓柱體，高度為13mm，直徑為33mm;本文設(shè)計(jì)的傳感器采用菱形體結(jié)構(gòu)，將FBG所承受的壓力轉(zhuǎn)換為橫向拉力，因此具有高的靈敏度。同時(shí)，通過在菱形體中間粘一“工”形膜片，避免了光柵因彎曲而發(fā)生折斷現(xiàn)象，且減少了菱形體因受壓力而產(chǎn)生傾斜的概率，進(jìn)而提高了測量的準(zhǔn)確性。該光纖傳感器無任何電子器件，具有良好的防水、防電和抗電磁干擾性能。

本文設(shè)計(jì)的光纖布拉格光柵壓力傳感器外殼封裝為圓柱體，微型，可以滿足礦井下狹小區(qū)域檢測的需求。圓柱體材料選用304不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)置不銹鋼菱形框架，“工”形膜片用353ND膠粘于菱形體中間夾層處，該膜片選用純鈦材料，重量輕、耐腐蝕。圓柱體側(cè)面鑿一小圓孔，為接光纜輸出線提供方便。

將光纖傳感器件利用粘接劑直接固定于構(gòu)件表面，是最為直接、簡單、可行的測量方法。所以當(dāng)通過粘貼式光纖傳感器測量基體應(yīng)變時(shí)，膠黏劑的質(zhì)量會(huì)直接影響到粘接層的應(yīng)變傳遞，從而影響到應(yīng)變測量結(jié)果。所以選擇合適的膠黏劑對(duì)光纖光柵測量結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要的意義。國內(nèi)相關(guān)研究報(bào)告顯示，目前采用比較多的膠粘劑是502 膠、401 膠、高溫固化環(huán)氧膠 353ND、323LP、M- Bond610 膠等。三類代表性膠合劑的主要性能指標(biāo)見表1。

通過對(duì)三類膠性能的比較發(fā)現(xiàn)，353ND膠具有粘結(jié)強(qiáng)度高、耐高溫、剪切強(qiáng)度高等諸多優(yōu)勢，是光纖粘結(jié)劑的首選材料;M-Bond610膠盡管粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度方面不如353ND，但它更適合在超低溫狀況下使用，同時(shí)這種產(chǎn)品特別適用于真空環(huán)境下使用;502膠水盡管在諸多方面都不如M-Bond610、353ND膠，但價(jià)格優(yōu)勢明顯，因此在一些特定場合可以作為應(yīng)急方案，綜上，本實(shí)驗(yàn)采用353ND膠。

傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：在圓柱體的上表面和下表面的內(nèi)側(cè)各開一個(gè)矩形槽，便于菱形體固定放置。傳感器內(nèi)部由對(duì)稱的不銹鋼菱形體連接，菱形體中間粘“工”形膜片，測力光纖光柵粘于該膜片中心軸線上，為保證光纖光柵出現(xiàn)啁啾，粘時(shí)應(yīng)使光纖光柵處于拉緊狀態(tài)?？紤]到溫度的影響，再串聯(lián)一個(gè)溫度補(bǔ)償光纖光柵，在封裝外殼的對(duì)稱位置設(shè)置兩個(gè)光纖光柵的出口。

傳感器內(nèi)部受力分析：當(dāng)內(nèi)部菱形結(jié)構(gòu)受到勻速垂直向下的壓力T時(shí)，菱形體會(huì)產(chǎn)生橫向拉力F，拉力F會(huì)使“工”形膜片產(chǎn)生橫向拉伸形變，進(jìn)而把拉力傳遞給粘在上面的光纖光柵。此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了將縱向拉力轉(zhuǎn)化為橫向拉力。

總結(jié)

該傳感器量程為0～0.24MPa，靈敏度為3.341nm/MPa，該傳感器體積小、精度高、靈敏度高，比普通FBG提高了6683倍，且具有很好的線性度和重復(fù)性。該傳感器可以應(yīng)用到對(duì)傳感器體積要求小，溫度變化較大的環(huán)境。適合埋于煤層、巖層中用于壓力的測量。在傳感器的封裝設(shè)計(jì)過程中，也存在諸如傳感器外殼圓柱體上下表面不平、無法均勻施壓等問題。若對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)，傳感器性能會(huì)進(jìn)一步得到提高，可推廣到其他應(yīng)用領(lǐng)域中。

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江蘇大學(xué) 212013