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《華南師范大學(xué)學(xué)報》2016年第一期

摘要：

設(shè)計了一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖布拉格光柵（FBG）壓力傳感器，采用應(yīng)變片作為懸臂梁，將垂直壓力轉(zhuǎn)換成軸向應(yīng)力．FBG固定在懸臂梁上，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成中心波長的漂移．通過半導(dǎo)體激光器斜邊檢測法檢測FBG波長的移動．研究了FBG柵區(qū)長度和特征反射光譜寬度的關(guān)系，選擇并制作了柵區(qū)長度為1mm的FBGs作為傳感器，確保FBG中心波長漂移時，半導(dǎo)體激光的波長仍在FBG的反射光譜區(qū)域內(nèi)，擴(kuò)大了傳感器的動態(tài)范圍．在懸臂梁雙側(cè)設(shè)計了FBGs對結(jié)構(gòu)，利用這對FBGs對環(huán)境溫度相應(yīng)系數(shù)相同的特性，消除環(huán)境溫度波動對壓力測量的影響．在實驗中改變FBGs對的溫度，測量了它們對溫度的響應(yīng)并利用溫度消敏算法獲得傳感器的溫度不敏感性能．提出了FBG壓力傳感器的空分復(fù)用技術(shù)，利用多個光纖耦合器和光電探頭（PD）陣列組成傳感網(wǎng)絡(luò)．上述的壓力傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在邊坡、基坑等土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控領(lǐng)域具有實用價值．

關(guān)鍵詞：

光纖光柵；壓力計；光纖傳感網(wǎng)絡(luò)；特性

壓力是工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測的重要參數(shù)之一，壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域，壓力的實時和分布式測量在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境測量和軍事安全等方面具有重要的意義．傳統(tǒng)的壓力傳感器多為電磁類傳感器，其靈敏度低、測量范圍小、組網(wǎng)復(fù)雜，無法滿足快速發(fā)展的工業(yè)需要．光纖布拉格光柵（FBG）具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)小巧、性能穩(wěn)定和易于組網(wǎng)等優(yōu)點．研究者已提出了許多傳感器結(jié)構(gòu)，例如將FBG黏貼在開口環(huán)有機(jī)玻璃上［1］，等強(qiáng)度懸臂梁與彈簧管結(jié)合的FBG壓力傳感器［2－3］，膜片式FBG壓力傳感結(jié)構(gòu)［4－6］和基于聚合物的光柵壓力傳感器［4，6－7］等，然而這些結(jié)構(gòu)在測量壓力時會受到外界溫度的影響．后來，許多基于溫度補(bǔ)償?shù)腇BG壓力傳感結(jié)構(gòu)相繼被研究，如基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的溫度補(bǔ)償?shù)墓鈻艍毫鞲衅鳎?，8－11］，還有具有溫度補(bǔ)償?shù)膹椥越Y(jié)構(gòu)FBG傳感器［9，12－16］和改進(jìn)型聚合物壓力傳感器［17］等．這些傳感結(jié)構(gòu)雖然消除了溫度對測量系統(tǒng)的影響，但是光譜儀和光柵解調(diào)儀的成本較高，不適合廣泛應(yīng)用．本文提出了一種基于懸臂梁的光纖光柵壓力傳感器，利用低成本的單波長半導(dǎo)體激光二極管和斜邊檢測方法實現(xiàn)了傳感器的信號解調(diào)，為了增大傳感器的動態(tài)范圍，研究設(shè)計了大帶寬FBG，具有結(jié)構(gòu)簡單小巧、靈敏度高、成本低等優(yōu)點，可消除溫度對壓力測量的影響．此外，本文還提出了多傳感器復(fù)用技術(shù)，將多個傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，適用于鐵路、水壩、山體等大型土木工程的壓力監(jiān)測．

1研究方法

1．1壓力計機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計傳感器選用懸臂梁作為傳感元件，能將外界的垂直壓力轉(zhuǎn)換為懸臂梁上的軸向應(yīng)變，懸臂梁的示意圖如圖1所示．懸臂梁一端固定，另一端自由彎曲，外界壓力施加在自由端．施加壓力后，懸臂梁發(fā)生彎曲，懸臂梁上同一截面的上下表面產(chǎn)生大小相同，方向相反的應(yīng)變，上表面為拉伸應(yīng)變，下表面為壓縮應(yīng)變．

1．2FBG傳感器設(shè)計和傳感器復(fù)用技術(shù)FBG的折射率在光纖軸向方向呈周期性變化，當(dāng)1束光進(jìn)入光柵時，滿足布拉格條件的光將被反射，其反射波長B稱為光柵的中心波長，其布拉格條件.光源為15501nm激光器，為保證當(dāng)FBG的中心波長漂移時，激光仍被FBG反射，實驗需要較大帶寬的FBG．FBG的帶寬與其柵區(qū)長度有關(guān)，用Optiwave軟件對不同柵區(qū)長度的FBGs進(jìn)行模擬仿真，纖芯的直徑為8μm，反射率為146，包層直徑為125μm，反射率為1445，光纖光柵的FBG波長為1549nm，模式參數(shù)為8817×10－4（圖3）．隨著FBG的柵區(qū)長度增加，其透射譜深度逐漸增加（圖3A），而其3dB帶寬隨之減小（圖3B）．FBG的柵區(qū)長度從05mm增加到25mm時，其3dB帶寬迅速下降，在柵區(qū)長度增加至25mm后，其帶寬基本不變，而且隨著光柵長度的增加，光柵的反射率增加，透射率減小．綜合考慮FBG的反射率和帶寬要求，選擇了柵區(qū)長度為1mm的FBG.采用光源為15501nm的低成本半導(dǎo)體激光二極管，激光管帶光纖尾纖輸出，為單波長多縱模工作，帶寬小于001nm，激光功率為802mW，F(xiàn)BG的中心波長為15489nm，柵區(qū)長度為1mm，其光譜如圖4所示．2根FBGs的3dB帶寬為12nm，其光譜帶寬足夠大，能保證FBGs中心波長發(fā)生大的漂移時，激光仍被FBGs反射，增加傳感器的動態(tài)范圍．使用的FBG最高能夠監(jiān)測的微應(yīng)變?yōu)?6870nm．傳感器的系統(tǒng)如圖5所示，DFB激光器發(fā)出15501nm的激光，經(jīng)過分束器后，分成2路信號，分別進(jìn)入黏貼在懸臂梁上下側(cè)FBGs．耦合器接受經(jīng)過FBGs反射后的光信號，傳送給光電二極管，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．

2結(jié)果與討論

采用相位掩膜法刻寫FBG，所用激光器為KrF激光器（ATLEX500），激光的波長為193nm，掩模板的周期為107118nm．去除涂覆層后的載氫光纖（H2的氣壓約為9MPa，溫度約為98℃，載氫時間為3d）放置在掩模板前方，通過可調(diào)狹縫來調(diào)節(jié)刻寫FBG的長度，圖4為實驗室刻寫的2根1mm的FBGs的反射譜．傳感器選用彈簧片作為懸臂梁，其長度為100mm，厚度為1mm．把2根刻寫好的FBGs分別黏在彈簧片根部的上下表面（圖1），當(dāng)彈簧片的自由端發(fā)生彎曲時，彈簧片上側(cè)FBG被拉伸，下側(cè)FBG被壓縮，在不同的彈簧片偏移量下，2根FBGs的反射譜如圖6所示．隨著彈簧片自由端偏移量的增加，彈簧片上側(cè)FBG產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，其中心波長往長波方向漂移，如圖6中黑色箭頭所示．彈簧片下側(cè)FBG產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，其中心波長往短波方向漂移，如圖6中紅色箭頭所示．FBG中心波長的漂移不僅受應(yīng)變的影響，同時還受外界溫度變化的影響．當(dāng)保持偏移量y不變時，改變外界溫度，彈簧片上下側(cè)FBGs的反射譜變化如圖7所示．隨著溫度從25℃升高到45℃，彈簧片上下側(cè)FBGs的中心波長均往長波方向漂移，并且漂移量相等，因此，將上下兩側(cè)的光信號做減法處理，可以消除溫度對壓力測量的影響．傳感器的壓力測量系統(tǒng)如圖5所示，對彈簧片自由端施加應(yīng)力，改變其豎直偏移量．當(dāng)豎直偏移量從0逐漸增大至10mm時，光電探頭（PD）接收到的光功率變化如圖8所示．隨著彈簧片自由端的偏移量增加，上側(cè)FBG的中心波長向長波方向漂移，反射的激光功率增加．相反，下側(cè)FBG的中心波長向短波方向漂移，反射的激光功率減小．隨著懸臂梁偏移量的升高，懸臂梁上下側(cè)FBGs的光功率差逐漸變大．

把彈簧片和FBGs同時水浴加熱，以檢測溫度對傳感器的影響（圖9）．當(dāng)水溫從26℃升高到55℃時，隨著溫度的增加，彈簧片受熱膨脹，上下側(cè)FBGs都被拉伸，并且FBGs自身對溫度敏感，這使中心波長向長波反向漂移，F(xiàn)BGs反射的激光功率也增加.然而，彈簧片上下側(cè)FBGs反射的激光功率隨溫度的變化趨勢基本一致，即上下側(cè)FBGs反射的光功率的差值不隨溫度變化（圖9），曲線的方差為00008，均方差為00286．所以可以通過對PD接收到的2路光信號做減法處理的方法，去掉溫度對壓力測量的影響．因此，光功率的差值只與外界壓力有關(guān)．本文利用光纖布拉格光柵（FBG）實現(xiàn)了將外界壓力信號轉(zhuǎn)換為光功率信號，采集光信號可實現(xiàn)檢測外界壓力的功能．利用光纖對信號的復(fù)用原理，1根光纖可實時傳輸多個傳感信號．將多個壓力傳感器分別布置在測量區(qū)域的不同地點，使其組成壓力傳感網(wǎng)絡(luò)，對整個測量區(qū)域進(jìn)行實時分布式的壓力監(jiān)測．

3結(jié)論

設(shè)計了一種實用的光纖光柵壓力傳感器，并對其原理和特性做了理論分析和實驗驗證．傳感器用1根彈簧片作為懸臂梁，將外界壓力轉(zhuǎn)換為軸向應(yīng)變．黏貼在彈簧片根部上下兩側(cè)FBGs對軸向應(yīng)變敏感，其中心波長會隨著應(yīng)變變化而漂移，使PD接收到的由FBGs反射的激光功率發(fā)生變化．由于采用了差動FBG結(jié)構(gòu)，彈簧片上下側(cè)FBGs對溫度具有相同的反應(yīng)，通過減法處理，可消除外界溫度對壓力測量的影響．此外還提出來將多個傳感器復(fù)用，組成壓力傳感網(wǎng)絡(luò)，對測量區(qū)域內(nèi)的壓力進(jìn)行實時監(jiān)測．光柵壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)小巧、成本低、性能穩(wěn)定、靈敏度高、對溫度不敏感等優(yōu)點，其組成的傳感網(wǎng)絡(luò)對工業(yè)上測量壓力具有重要的意義．

作者：魯昌濤 周斌 姜恒和 單位：華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院