简易光纤Bragg光栅测重传感器的制作

李叶芳，于清旭，周新磊，徐嘉伯

(大连理工大学 物理与光电工程学院，辽宁 大连 116024)

光纤Bragg光栅(FBG)是一种优良的传感元件。自1978年问世以来，国内外围绕FBG传感器的研究已成为热点。在这些研究中，大多都集中在位移测量方面，相对测量重力的FBG传感器研究较少。

通常FBG位移传感器都是基于悬臂梁原理实现的。它将FBG粘贴在悬臂梁靠近固定端的表面，通过在悬臂梁自由端施加应力求出测量点的位移变化。这种传感器只能是一种测量位移的方法，不是真正意义上的FBG传感器。那么，什么样的FBG传感器可以直接测量物体的重力呢?

本文介绍一种测量重力的FBG传感器。从正面看，它似梯形体结构。梯形体的上台面可以放置被测物体，梯形体的下台面需要粘贴FBG。当被测物放置在上台面时，根据力的分解原理，纵向力会分解为下台面的轴向(横向)位移，引起粘贴在其上的FBG周期发生改变，光纤Bragg波长亦相应的发生变化，通过测量波长的变化量，最终获得物体的重力信息。

梯形体结构的FBG传感器简易直观，选材方便，成本低廉，可以在教学实验中应用。

1 FBG传感器的工作原理

FBG是利用单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的光无源器件。

根据耦合模理论，在FBG中传输的光束，当满足Bragg条件时，前向传输的导模与背向传输的导模之间会发生耦合，产生Bargg波长λ，形成反射、透射光谱，其FBG结构及光谱特性如图1所示。FBG 的传感模型为［1－2］:

式中，pe为有效弹光系数;ε为FBG受到轴向应力作用而产生的轴向应变;ξ为材料的热光系数;α为材料的热膨胀系数;ΔT为温度的变化量。

假设温度恒定不变ΔT=0，FBG受到轴向应力影响时，Bragg波长总的变化量为:

梯形体结构的FBG传感器，可以使纵向力转换为轴向应力，其传感头结构示意图如图2所示。

图1 FBG基本结构及光谱特性

假设梯形体结构的FBG上、下膜片之间的摩擦力可以忽略不计，则FBG测重传感器的传感机理可表示为:

式中，G为压力或重量;β为梯形的底角;η为转换效率;E为弹性模量;S为长方形膜片的面积。

图2 梯形体结构传感头结构示意图

由式(3)可以看出，只要已知FBG中心波长的变化、长方形模片的面积、材料的弹性模量、梯形体的底角以及转换效率，就可以测出物体的重力。

2 FBG传感器的制作

图3是我们制作的FBG传感器，整体是梯形体结构。它由上、下两部分组成:(1)上半部分。形状似梯形体结构，可以将重力转换成横向应力。(2)下半部分。形状似梯形体的底部，可以粘贴FBG。两部分均采用精钢平板材料加工而成。制作过程是:取一块140 mm×80 mm×2 mm的精钢平板，从中间切开分成140 mm×40 mm的两块长方形。一块制作上半部分，加工时，先将其弯曲成梯形体形状，之后沿着梯形体的底边分别向外方向延长5 mm;另一块用以制作梯形体的下半部分，因为是长方形膜片，制作时须将膜片的两端弯出与梯形体底角相等、腰一致的两个短边。为了使上下两部分相嵌、卡紧，弯出的两个短边必须分别与梯形体的两个斜面平行。

图3 FBG测量传感头实物照片

在FBG测重传感器设计中有两个关键点:(1)上半部分的梯形体两边向外延长了5 mm;(2)下半部分长方形膜片的两端被弯成与梯形体底相同的形状。其意义在于:(1)使FBG传感器的结构稳定流畅;(2)提高了FBG传感器将纵向力转换为横向力的效率;(3)无须使用胶或其他方式对传感器进行连接。

最后，将FBG粘贴于长方形膜片下表面中央，长方形膜片下表面的四角要固定4个完全一样的小螺母，就制成了FBG的测重传感器。

3 实验结果

FBG测重传感器的实验系统如图4所示，由宽谱光源、波长解调仪、2X1耦合器、计算机组成。采用我们自己制作的光纤Bragg光谱仪，中心反射波长为1 524 nm。工作过程如下:由宽谱光源发出的光，经过2X1耦合器耦合后进入FBG传感器中，当被测物放置在传感器上时，物体的重量会转变为FBG轴向应力，重量发生改变时，轴向应力也会相应的改变，随之中心Bragg波长也发生改变。这些变化再次经过2X1耦合器进入波长解调仪，波长解调仪将波长变化量提取之后，送到计算机处理便获得了被测量信息［3］。

实验中，我们选择单位为0.5 kg/个的圆盘(砝码)作被测量。从0 kg开始，依次增加砝码，每次增加0.5 kg，一直到4.5 kg，然后再开始减重，每次减少0.5 kg。每增加(进程)或减少(回程)一次砝码，都在计算机上记录FBG中心反射波长的变化，监测其波长的漂移情况。实验测得的重力与波长之间的对应关系如表1所示。

图4 FBG测重传感器实验系统

表1 重力与波长之间的对应关系

根据表1的实验数据，在同一个坐标系下，我们绘制的特性曲线如图5所示。图中的直线是对每次测量值的线性拟合结果。

由拟合结果可以看出，FBG中心波长的相对漂移量与重量(重力)近似呈线性关系。根据进程数据做拟合直线，其线性度可以达到0.973，这说明了FBG在重力(重量)增加时具有相应的重力(重量)响应性。同样根据回程数据做拟合直线，FBG的中心波长相对漂移量与所测重量亦近似线性，其线性度为0.973，说明FBG在重力(重量)减小时也具有压力响应性。另外，从图5中可以看出，实验的进程和回程数据值大致分布在拟合直线上，这表明该测重传感器具有较好的重复性。

4 结束语

经过标定，梯形体结构的FBG测重传感器，测量范围在0～3.5 kg之间。造成测量范围小的原因有三点:(1)FBG灵敏度不高。实验中采用了我们自己制作的光纤Bragg光栅，并没有作退火等工艺处理，影响了传感灵敏度的提高。(2)机械加工精度不高。我们是利用实验室条件，自己设计、自己制作的FBG传感器结构，使用的加工工具及设备比较粗糙，使得传感器上下膜片衔接时存在着误差。(3)我们使用502胶水直接将FBG粘贴到长方形膜片上，只适合实验室使用。

图5 FBG测重传感器的拟合结果

在实际应用中，可以采用埋入或嵌入的方式［4－8］将 FBG封装在长方形膜片上，既保护了FBG，又提高了传感器的测量灵敏度。

［1］李川，张以谟，赵永贵，等.光纤光栅:原理、技术与传感应用［M］.北京:科学出版社，2005:79－102.

［2］廖延彪.光纤光学［M］.北京:清华大学出版社，2000:198－203.

［3］何俊，董惠婧，周智，等.一种适合工程应用的新型光纤光栅位移传感器［J］.哈尔滨理工大学学报，2010，15(5):61－64.

［4］李爱群，周广东.光纤Bargg光栅传感器测试技术研究进展与展望(I):应变、温度测试［J］.东南大学学报:自然科学版，2009，39(6):1298－1303.

［5］王宏亮，王琳，贾振安，等.一种实用的光纤Bargg光栅压力传感器［J］.光电子·激光，2009，20(4):425－428.

［6］詹亚歌，向世清，何红，等.光纤光栅高温传感器的研究［J］.中国激光，2005，32(9):1235－1238.

［7］李宏男，周广东，任亮.非轴向力下埋入式光纤传感器应变传递分析［J］.光学学报，2007，27(5):787－793.

［8］曹海燕，田悦新.基于光纤光栅应变传感器的监测系统设计［J］.传感器与仪器仪表，2007，23(8):159－161.