光纤光栅应力传感器

赵伟涵

摘要：在参考已有光纤光栅传感器的基础上，提出并设计了一种基于菱形体、膜片结构、粘结剂和温度补偿的光纤光栅压力传感器。传感器采用菱形体结构，将FBG所承受的压力转换为横向拉力，因此具有高的灵敏度。同时，通过在菱形体中间粘一“工”形膜片，避免了光栅因弯曲而发生折断现象，且减少了菱形体因受压力而产生倾斜的概率，进而提高了测量的准确性。圆柱体材料选用304不锈钢材质，内置不锈钢菱形框架;通过参考几种粘接剂的主要性能指标，“工”形膜片选用353ND胶粘于菱形体中间夹层处，该膜片选用纯钛材料，重量轻、耐腐蚀。为补偿温度影响，串联一根温度补偿光纤光栅。

关键词：光纤光栅 压力传感器 温度补偿 灵敏度

一、光纤光栅应力传感器测量背景

光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor ）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。

一般都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。

二、光纤光栅应力传感器的设计

在参考已有光纤光栅传感器的基础上，提出并设计了一种基于菱形体、膜片结构、粘结剂和温度补偿的光纤光栅压力传感器，传感器呈微型圆柱体，高度为13mm，直径为33mm;本文設计的传感器采用菱形体结构，将FBG所承受的压力转换为横向拉力，因此具有高的灵敏度。同时，通过在菱形体中间粘一“工”形膜片，避免了光栅因弯曲而发生折断现象，且减少了菱形体因受压力而产生倾斜的概率，进而提高了测量的准确性。该光纤传感器无任何电子器件，具有良好的防水、防电和抗电磁干扰性能。

本文设计的光纤布拉格光栅压力传感器外壳封装为圆柱体，微型，可以满足矿井下狭小区域检测的需求。圆柱体材料选用304不锈钢材质，内置不锈钢菱形框架，“工”形膜片用353ND胶粘于菱形体中间夹层处，该膜片选用纯钛材料，重量轻、耐腐蚀。圆柱体侧面凿一小圆孔，为接光缆输出线提供方便。

将光纤传感器件利用粘接剂直接固定于构件表面，是最为直接、简单、可行的测量方法。所以当通过粘贴式光纤传感器测量基体应变时，胶黏剂的质量会直接影响到粘接层的应变传递，从而影响到应变测量结果。所以选择合适的胶黏剂对光纤光栅测量结果的准确性有重要的意义。国内相关研究报告显示，目前采用比较多的胶粘剂是502 胶、401 胶、高温固化环氧胶 353ND、323LP、M- Bond610 胶等。三类代表性胶合剂的主要性能指标见表1。

通过对三类胶性能的比较发现，353ND胶具有粘结强度高、耐高温、剪切强度高等诸多优势，是光纤粘结剂的首选材料;M-Bond610胶尽管粘结强度和剪切强度方面不如353ND，但它更适合在超低温状况下使用，同时这种产品特别适用于真空环境下使用;502胶水尽管在诸多方面都不如M-Bond610、353ND胶，但价格优势明显，因此在一些特定场合可以作为应急方案，综上，本实验采用353ND胶。

传感器的内部结构：在圆柱体的上表面和下表面的内侧各开一个矩形槽，便于菱形体固定放置。传感器内部由对称的不锈钢菱形体连接，菱形体中间粘“工”形膜片，测力光纤光栅粘于该膜片中心轴线上，为保证光纤光栅出现啁啾，粘时应使光纤光栅处于拉紧状态。考虑到温度的影响，再串联一个温度补偿光纤光栅，在封装外壳的对称位置设置两个光纤光栅的出口。

传感器内部受力分析：当内部菱形结构受到匀速垂直向下的压力T时，菱形体会产生横向拉力F，拉力F会使“工”形膜片产生横向拉伸形变，进而把拉力传递给粘在上面的光纤光栅。此结构实现了将纵向拉力转化为横向拉力。

总结

该传感器量程为0～0.24MPa，灵敏度为3.341nm/MPa，该传感器体积小、精度高、灵敏度高，比普通FBG提高了6683倍，且具有很好的线性度和重复性。该传感器可以应用到对传感器体积要求小，温度变化较大的环境。适合埋于煤层、岩层中用于压力的测量。在传感器的封装设计过程中，也存在诸如传感器外壳圆柱体上下表面不平、无法均匀施压等问题。若对其进一步改进，传感器性能会进一步得到提高，可推广到其他应用领域中。

参考文献

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江苏大学 212013