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        基于光纖布拉格光柵的壓力傳感器設(shè)計(jì)

        2023-10-16 08:50:34林俊輝楊期江李聚保徐東華
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2023年17期
        關(guān)鍵詞:感應(yīng)器光柵波長

        林俊輝 王 濤 楊期江 李聚保 徐東華

        (廣州航海學(xué)院,廣東 廣州 510725)

        傳感技術(shù)是衡量一個國家信息化程度的重要標(biāo)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(chǎn)過程自動化領(lǐng)域的飛速發(fā)展,智能傳感器測量和控制的應(yīng)用日益增加,自動化測控技術(shù)的升級研究成為時代發(fā)展迫切需要突破的關(guān)口,更可靠、靈敏且抗干擾能力強(qiáng)的傳感器是該研究領(lǐng)域繞不過的關(guān)鍵點(diǎn)。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(diǎn)[4],基于光纖的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,該文設(shè)計(jì)了一種新型的腔體式懸臂梁壓力感應(yīng)器,將光柵并進(jìn)行了大量試驗(yàn),對感應(yīng)器各個單元進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)、篩選,并記錄了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),最終確定為外直徑120mm、高100mm 的圓柱體結(jié)構(gòu)。該感應(yīng)器為上部承載單元、十字復(fù)位單元,下方則為傳動柱和懸臂梁、復(fù)位橡膠和主腔體。材料主要由工程塑料和金屬制作,具有結(jié)構(gòu)簡單且便于生制作、安裝、采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)和價格低廉、承重強(qiáng)等特點(diǎn)。進(jìn)行試驗(yàn)時,分別做了幾組封裝試驗(yàn),并多設(shè)置了一組光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償,以減少溫度對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。該文設(shè)計(jì)的一維力傳感器可用于微力測量領(lǐng)域。

        1 懸臂梁一維力傳感器結(jié)構(gòu)介紹

        第一組試驗(yàn)感應(yīng)器上部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        該傳感器為高分子材料及黃銅等材料的復(fù)合結(jié)構(gòu),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(fù)位單元)傳遞到3 號懸臂梁位置上的光纖光柵中,使其產(chǎn)生形變,從而改變光柵中心波長,檢測系統(tǒng)接收光信號實(shí)時顯示變化。

        圖1 是第一試驗(yàn)組,采用最初的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料;第一試驗(yàn)組中光柵載體的懸臂梁如圖2所示,采用鈹銅材質(zhì);十字復(fù)位單元示意圖如圖3所示,材質(zhì)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(yàn)卸載后整個系統(tǒng)的彈性復(fù)位(壓力歸零)。其余結(jié)構(gòu)采用電木。

        圖2 懸臂梁示意圖

        圖3 復(fù)位單元示意圖

        2 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

        試驗(yàn)有3 個目標(biāo),第一是研究鈹銅和65 號彈簧鋼哪種材料更適合作為試驗(yàn)的彈性載體。第二是借助光纖光柵FBG技術(shù),求得應(yīng)力變化與光纖光柵中心波長變化的比值K。第三是在試驗(yàn)中獲得該文設(shè)計(jì)的感應(yīng)器的適用測量應(yīng)力區(qū)間,即感應(yīng)器測量應(yīng)力的極限區(qū)間。

        3 懸臂梁一維力傳感器原理

        光纖光柵是近期發(fā)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(yīng)力應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系及與光纖之間天然的兼容性,被用于制作應(yīng)變傳感單元。光纖光柵傳感器具有非傳導(dǎo)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(yōu)點(diǎn),不需要電源供電力。該文針對自主設(shè)計(jì)的一維力傳感器進(jìn)行載荷試驗(yàn),發(fā)揮光纖光柵壓力傳感器的優(yōu)勢,分析一維力傳感器工作原理及感應(yīng)器添加負(fù)載時懸臂梁受力產(chǎn)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(jìn)行載荷計(jì)算,確定傳感器靈敏度和測量極限。并結(jié)合試驗(yàn),證實(shí)FBG 的中心波長漂移量和懸臂梁受力形變所產(chǎn)生的彎矩變化呈線性關(guān)系,利用FBG 的應(yīng)力特性獲得實(shí)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(yīng)變壓力傳感器主要基于光纖光柵解調(diào)器檢測反射譜中心波長的偏移量,進(jìn)而得出其受外界應(yīng)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(dāng)neff、Λ受外界影響時,會導(dǎo)致中心波長發(fā)生變化。在實(shí)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(shè)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(yīng)力的作用,則優(yōu)軸向應(yīng)力所致的周期變化可為公式(3)。

        式中:εz為縱向應(yīng)力方向的應(yīng)變張量。

        軸向應(yīng)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(shù)pe如公式(5)所示。

        得到由軸向應(yīng)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(yīng)力與光柵中心波長變化數(shù)據(jù)分析

        4.1 第一組試驗(yàn)

        該試驗(yàn)組中,將光柵封裝在圖2 銅質(zhì)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(shù)據(jù)。光柵波長初始值為1549.777,以表格數(shù)據(jù)記錄表現(xiàn)壓力與折射波長變化關(guān)系,如圖4所示。

        圖4 第一組試驗(yàn)波長變化折線圖

        試驗(yàn)開始時,在小重量的負(fù)載下,光柵中心波長沒有數(shù)據(jù)變化,這說明該負(fù)載使銅質(zhì)懸臂梁產(chǎn)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(xiàn)了短暫規(guī)律的波長變化數(shù)據(jù)。但是繼續(xù)增大砝碼重量后卻得到了不規(guī)律的數(shù)據(jù),并且在超過1000g 之后數(shù)據(jù)已經(jīng)固定,撤去砝碼后長期靜止后,光柵波長無法恢復(fù)到初始空載值??偨Y(jié)出的問題如下:1)銅質(zhì)懸臂梁彈性不足,受壓形變后恢復(fù)慢。2)產(chǎn)生不可逆塑性形變,試驗(yàn)數(shù)據(jù)不規(guī)律。3)試驗(yàn)過程中,砝碼擺放時間也需要調(diào)整,每次放和收都需要靜置試驗(yàn)體一段時間,才能得到相對穩(wěn)定的波長數(shù)據(jù)。

        4.2 第二組試驗(yàn)

        根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究結(jié)論,該文對感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整,去掉了原先底部的橡膠支撐塊,感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)變得更簡潔,也相應(yīng)減少了影響試驗(yàn)的不良因素。另外,復(fù)位單元、光柵的載體——懸臂梁的材料和結(jié)構(gòu)也進(jìn)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(qiáng),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(xué)性能優(yōu)和材料環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),重新封裝光柵,組裝好感應(yīng)器后得到了如下數(shù)據(jù),如圖5所示。

        圖5 第二組試驗(yàn)波長變化折線圖

        在該文設(shè)計(jì)的一維力傳感器中,可觀察到在0g~390g 的負(fù)載下,光纖光柵波長變化與負(fù)載之間有函數(shù)關(guān)系存在。設(shè)壓力值與波長變化之間的函數(shù)關(guān)系為N=K×Δλ+b(N為壓力、K為變化系數(shù)、Δλ為波長變化量、b為常數(shù))。

        通過上述數(shù)據(jù)可得K=300、b=0,即波長變化量與負(fù)載之間的函數(shù)關(guān)系為N=300×Δλ。第二組試驗(yàn)改良型傳感器如圖6所示。

        圖6 第二組試驗(yàn)改良型傳感器(上部復(fù)位單元及懸臂梁均采用65 號彈簧鋼)

        5 結(jié)論

        經(jīng)過多次對比試驗(yàn),在0g~390g,光柵中心波長變化與應(yīng)力變化呈線性關(guān)系,數(shù)值成正比關(guān)系,也驗(yàn)證了鈹銅和65號彈簧鋼作為形變載體的適用性。結(jié)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)其容易生銹而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù),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(yīng)力變化,最終選擇了涂防銹油的方案。該試驗(yàn)驗(yàn)證了該文設(shè)計(jì)的感應(yīng)器在借助光纖光柵技術(shù)的前提下具備一定的測量能力,具備深入研究和繼續(xù)優(yōu)化的基礎(chǔ),可應(yīng)用于微力測量的場景中,但結(jié)構(gòu)的緊湊性和材料類型還有封裝工藝、測量范圍仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

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