收稿日期:2004-12-10
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50179029) 作者简介：郭明金(1971-)，男，湖北天门人，讲师，博士生，主要从事光纤布喇格光栅传感器技术的研究和应用。
文章编号:1004
-2474(2006)04-0390-03基于进口膜片的光纤光栅压力传感器的研究
郭明金，姜德生，袁宏才
(武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室，湖北武汉430070)
摘 要：分析了光纤布喇格光栅(FBG)的压力传感特性，给出了F BG 的中心波长与压力的关系以及压力灵敏
度系数的表达式，并将F BG 纵向粘贴在富士公司生产型号为FBC 20W B2的膜片上进行了压力实验。实验结果表明粘贴在FBC 20W B2型膜片上的F BG 压力传感器的灵敏度系数为0.376nm/M Pa 左右，其测量精度在满量程范围内为1%，而理论的压力灵敏度系数为0.385nm/M Pa 。同时发现粘贴在该膜片上的F BG 压力传感器的中心波长与压力变化有着良好的线性关系和很高的相关系数并且迟滞现象较小，说明基于该膜片的F BG 压力传感器非常适合于压力测量。
关键词：光纤布喇格光栅(FBG)；压力传感器；膜片；压力灵敏度系数中图分类号:T P212 文献标识码:A
大王大妃Studies on Fiber Bragg Grating Pressure Sensor
Bad on the Import Diaphragm
GUO Ming -jin,JIANG De -sheng,YUAN Hong -cai
(Key Lab.of Fiber Optic Sensin g T echnology and Information Proces sing of M inis try of Edu cation,
Wu han Un iversity of T echnology,Wu han 430070,Chin a)
Abstract:T he pr essure nsor character istic of fiber Brag g g rating (F BG)was analyzed,the relation betw een the
centra l w avelengt h o f reflection wav e o f FBG and pressur e w as given,and the expressio n of the pressur e nsitiv ity co efficient was also giv en.T he pressur e ex per iments wer e car ried o ut on t he FBC20W B2diaphr agm produced by Fu -ji Electr ic Co.ltd.T he experimental results indicate
d that the nsit ivity coefficient o f FBG pressur e nsor s on the FBC20W B2diaphrag m was about 0.376nm/M P a,it s measurement precisio n w as 1%.W her eas t he theo retical pr essure nsit ivity co efficient is 0.385nm/M Pa.At the same time there was a v er y go od linearit y and r epetition be -tw een the cent er w avelengt h o f FBG pr essure nso r and pressure chang e o n the diaphr agm,and there was scarcely hy steresis effect.T he st udy indicates that F BG pressur e nso r bad on the diaphr agm is v ery fit for pressure meas -urement.
Key words:f iber Br agg g rating ;pressur e nsor ;diaphragm;pressur e nsitiv ity co efficient of the nso r
压力是工业传感器技术中最基本的参数之一，工业生产过程中，尤其在许多易燃、易爆的场合，准确、安全、可靠地测量压力对保证生产工艺过程的安全和经济具有十分重要的意义，因此，研制一种能应用于易燃、易爆环境下的高精度压力传感测量系统变得尤为迫切。光纤布喇格光栅(FBG)传感器具有安全性、绝缘性、可靠性、精度高以及抗电磁干扰、防
熬夜心情配图潮防腐等优越性能[1]
，从而解决了传统压力传感器的许多问题和缺陷。
国外对FBG 传感技术的研究较国内要早，在某些领域如航空航天工业领域的应用取得了巨大的成功，美国埃姆斯研究中心用无损伤灵敏压力传感器对直升机旋翼进行了测量。加拿大的一个光子研究小组提出用FBG 传感器测量飞机喷气涡轮发动机系统的压力和温度。国内虽在FBG 制作技术、解调
技术等方面也开展了大量的工作，但对FBG 在传感方面的应用研究比国外起步晚，而对FBG 在压力方
面的应用研究则更晚。文献报道了M.G.XU 等[2]人于1993年首先对裸露的FBG 的压力传感特性进行了研究，发现在70M Pa 的高压下,FBG 中心反射波长仅移动0.22nm，其压力敏感度很低;1996年M.G.XU 等[3]人又将FBG 固定于中空的玻璃球结构中，虽使其压力敏感度提高了，但这种方法存在着FBG 在压缩过程中易损坏的缺点，具有一定的局限性;1998年Liu 等人[4]应用聚合物封装的方法提高光纤光栅压力灵敏度。提高FBG 的压力灵敏度是其应用的难点，本文对纵向粘贴在富士公司生产型号为FBC20WB2的膜片上的FBG 压力传感器进行了低压实验，实验得到传感器的压力灵敏度系数为0.376nm/M Pa，是裸FBG 灵敏度系数的180倍左
第28卷第4期压 电 与 声 光
V ol.28N o.42006年8月
P IEZOEL ECT ECT RICS &A CO U ST O OP T ICS
A ug.2006
右，为FBG 压力传感器实用化提供了一定的理论依据。1 FBG 压力传感器理论分析
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅。当一束光进入FBG 时，根据光栅理论，对满足布喇格条件的光波产生反射，该光波的波长称为FBG 的中心波长K B ，则有
K B =2n eff +
换发型
指标管理(1)
式中 n eff 为纤芯有效折射率;+为光栅的周期。当环境温度不变,FBG 只受应变E 作用时，其中心反射波长的相对变化为
$K B /K B =(1-P e )E
(2)
式中P e =n 2
eff [P 12-L (P 11+P 12)]/2为有效弹光系数,P 11、P 12为弹光系数,L 为纤芯材料的泊松比。对于选用的
光纤,n eff = 1.46,L =0.16,P 11=0.12,P 12=0.27，由此可得P e =0.22[2]。将FBG 粘贴在膜片上，并假设膜片材料与FBG 紧密结合。FBG 压力传感器的机械结构如图1所示。采用氰基丙烯酸酯502T -1粘合剂纵向将FBG 粘贴在线性膜片上制作成FBG 压力传感器。FBG 的一端粘贴在膜片上，另一端固定在可移动的柱体上，轻微旋转可移动柱体预拉FBG，预拉FBG 达到要求后，通过固定螺孔固定光纤光栅。当外界压力发生变化时，膜片左右两侧形成压差，膜片将会发生位
移，预加有应力的FBG 将会收缩,K
B 发生偏移，通过检测K B
的变化量可得到压力的大小。
图1 F BG 压力传感器结构示意图
在传感器内外压力相等的情况下，由于光栅上有预张力存在，线性膜片会发生形变，平衡状态下相当于膜片上受一个集中力F 1的作用，该力与固定在膜片和柱体之间的长度为L 的光纤的伸长量s 1之间的关系为
F 1=
S f E f s 1
S e
(3)
式中 S e 为膜片的有效面积;E f 、S f 分别为光纤的弹性模量和横截面积。此时，膜片的变形量为
s 0=
12(1-L 2
)a 2
S f E f s 1
16P L E h S e
(4)
式中 L 和E 分别为膜片材料的泊松比和弹性模
量,a 、h 分别为膜片半径、厚度。
在均压P (内外压差为P )的作用下，作用在膜片上的力是P 所产生的等效力F 与FBG 所产生的拉力F 2之和，此合力使膜片产生形变，导致波长发生变化[5]。设此时FBG 的伸长量为s 2，则有
音乐场景F 2=
S f E f s 2
S e
(5)
此时，膜片发生的形变为
s 2-s 1L =-3(1-L 2
)a 4P S e 16P L S e Eh 3+12(1-L 2)a 2
E f S f
P (6)
于是
E =-3(1-L 2
)a 4P S e
16P L S e Eh 3+12(1-L 2)a 2
聚四氯乙烯
E f S f
P (7)
令G =-3(1-L 2
)
a 4
P S e
16P L S e Eh 3+12(1-L 2
)a 2E f S f ，当膜片做好后,G 为一个常数。所以K B 的相对变化为 $K B /K B =G (1-P e )P =k p P
(8)
式中k p =G (1-P e )，定义为压力灵敏系数，是一个仅与光纤参数和膜片材料特性有关的常数。由式(8)可知，纵向粘贴时FBG 中心反射波长的相对变化与压力呈线性关系。
2 FBG 压力传感器的实验研究
2.1 实验材料及设备
本次实验使用的FBG 采用相位掩模法制作，接头采用通用的光纤FC/APC 跳线头。FBG 的K B 为1292.842nm，其长度约为10mm 。K B 识别系统采用武汉理工光科股份有限公司生产的BGD -L10C FBG 调制解调器，该仪器基于F -P 干涉原理对布喇格反射谱中心波长进行解调，具有很高的波长分辨
率，其主要技术指标为：波长分辨率约为1pm，波长测量精度为几个皮米，最大光路损耗小于10dB，扫描范围为1285~1300nm，扫描频率为几赫兹，使用环境温度为-10~+40e 。压力的大小从活塞
式压力计读取，压力计量程范围为0~6MPa 。FBG 压力传感测试的实验装置如图2所示，其中宽带光源发出的光入射到压力传感头中，由FBG 反射的光经耦合器进入解调仪，经一系列的处理后送入计算
机。
图2 FBG 压力传感测试的实验装置示意图
实验中富士公司生产的膜片型号为
FBC20WB2，其材料为SWS316L 不锈钢、直径为
第4期郭明金等：基于进口膜片的光纤光栅压力传感器的研究391
ù68mm 、厚0.5m m,E =120GPa,L =0.3,L =70mm,FBG 的E f =70GPa，光纤半径R f =62.5L m,K B =1292.842nm 。将上述各参数代入式(8)得
K B =-0.385P +1292.842(9)
式中P 为压强。传感器灵敏度系数为-0.385nm/
MPa，是裸FBG 灵敏度系数的190倍左右。2.2 FBG 的封装及压力传感特性研究
本次实验中采用不同规格直径的不锈钢管封装FBG，光栅与不锈钢管以及不锈钢管之间的粘贴均采用美国生产的型号为EPO -TEK 353N D 胶，通过微调架使FBG 预张拉，然后加热固化，最后用热收缩管保护。封装好的光纤光栅压力传感器需进行老化处理，处理后的FBG 传感器的K B 与老化前相比应不大于0.2nm 。实验中将老化处理好的FBG 压力传感器放入恒温箱中保持其温度恒定，减少了温度对实验结果的影响。
富士公司生产型号为FBC20WB2的膜片，其压力的测量范围为0~0.6MPa，加压过程中每增加0.1M P
a，保持恒定压力约5m in；将压力增加到0.6M Pa 后进行减压实验，减压过程也是压力每降低0.1M Pa，保持恒定压力约5min 。在富士公司生产型号为FBC20WB2的膜片上纵向粘贴FBG 制作的FBG 压力传感器波长随压力变化的曲线如图3所示。由图可知，在升压与降压过程中FBG 压力传感器的K B
随压力变化具有良好的线性和重复性，相关系数均达0.99988，并且几乎没有迟滞现象。
另外,FBG 压力传感器的K B 与压力的拟合方程式
为
蛋白尿的治疗方法辉煌的成语图
3 FBG 压力传感器的K B 随压力变化的曲线 FBG 压力传感器的压力灵敏度系数平均值为-0.377nm/MPa，而理论分析值为-0.385nm/M Pa，两者之间有一定的差异，其实际值比理论值略低，相对误差约为2.2%。其原因是FBG 不是粘贴在膜片的正中心轴线上；装配FBG 时光栅产生了扭转；另外，波导效应、温度和应力对光纤光栅的耦合作用以及FBG 的K B 随温度变化都没考虑。在满量程范围内FBG 压力传感器测量精度为1%，这说明FBG 是一种理想的压力传感元件。因此，基于富士公司生产型号为FBC20WB2的膜片的高灵敏度FBG 压力传感器非常适合于低压力的环境使用。
3 结束语
本文对FBG 的压力传感特性进行了理论分析，通过实验研究了FBG 在进口膜片上的压力传感特性，从实验结果可知,FBG 的K B 与压力变化有很好的线性关系，理论的压力灵敏度系数为0.385nm/M Pa，实际的压力灵敏度系数约为0.376nm/MPa，它们分别是裸FBG 灵敏度系数的190和180倍左右，并且在满量程范围内其测量精度分别为1%，这说明了FBG 是理想的压力传感元件，可以广泛应用在多种复杂工业环境下的压力测量，以替代传统压力传感器。参考文献:
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392压 电 与 声 光2006年
