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高灵敏度温度补偿型的FBG压力传感器
摘要
本研究开发的是部分用金属管屏蔽的光纤布拉格光栅（光纤光栅）压力传感器。避免热应变交叉效应，其压力灵敏度提高到，约是裸光纤光栅的1200倍。该传感器具有良好的传感特性，可应用于液压和振动的测量。
正文
随着光通信和光传感技术的发展，光纤布拉格光栅因为其突出的优点和潜在的工业应用，已成为各个领域中的关键传感元件。然而，裸光纤光栅具有非常低的压力灵敏度，约。因此，有必要提高光纤光栅传感器的压力敏感度。
利用不同的材料和结构的包装技术，可以提高其压力灵敏度。尽管它的灵敏度增加，光纤光栅的温度应变交叉效应严重限制了其在实际应用中的应用。为了解决这个问题，研究人员提出了许多方案，利用双波长光纤光栅，混合光纤光栅，不同直径的光纤光栅，部分嵌入在玻璃管的光纤光栅。但对于上述的设计，大量的光栅或复杂的光栅制造技术是必需的。最近，我们设计了一种新型的低压光纤光栅传感器，通过部分嵌入在聚合物填充的金属管中的光纤光栅。这不仅大大提高了光纤光栅传感器的压力灵敏度，而且还提供了免疫光纤光栅交叉敏感的一个简单的方法，在一定的温度范围内（从18到74◦C）。该传感器在0.44 MPa压力范围内的压力灵敏度提高到，大约是裸光纤光栅的1200倍。
众所周知，随着应变和温度的变化，布拉格光栅的波长会随之变化；相对布拉格波长随着轴向应变变化和温度变化定义为和，分别可以描述为以下公式：
，，
其中= 0.22是纤维玻璃的有效光弹性系数；和分别是热膨胀系数和普通单模光纤热光系数。
将光纤光栅封装在金属管中，轴向应变可写成
，
在其中，和分别是泊松比和聚合物的杨氏模量。光纤光栅被嵌入在金属管中，屏蔽沿径向方向的压力作用。光纤光栅随沿纤维轴的聚合物沿纵向压力的压力变化。作为结果，光纤光栅对外界应变敏感。方程（2）可以修改为
。
结合公式（1）和（3），我们有
，
其中是压力灵敏度。该聚合物是杨氏模量为的有机硅胶。因此，其压力灵敏度为。
由金属管封装光纤光栅后，由温度变化产生相对布拉格波长变化可以表示为
，
其中，，分别为和℃。是热膨胀系数（约℃），是取决于聚合物特性的聚合物常数。 是对温度的灵敏度。通过重复这个实验，我们发现是一个非常小的数，于是可以忽略不计。
因此，温度和压力引起的光纤光栅的波长偏移可以写为
，
其中和是常数。很明显，光栅波长的相对变化量随外加压力和温度的变化而变化。
图1 光纤光栅用金属管封装
将反射率为90%、峰值为1558.00纳米的光纤光栅半嵌在铜管，如图1a所示。管的外径、长度和厚度分别是10毫米，25毫米和0.8毫米。利用有机硅胶封装光纤光栅，在聚合物凝聚过程中，光纤光栅被彻底地清洁并放在一个带有预压的管中，以避免啁啾效应。
宽带光源和波长为0.1纳米、平均扫描时间1 s的光谱分析仪是用来监测FBG波长最小分辨率的，如图1b所示。封装的传感器布置在压力可精确控制的液压腔内。
在图2中示了不同压力下光纤光栅的反射光谱。作为0兆帕的压力，光纤光栅的峰值波长位于1558纳米，反射峰值约为33分贝，如图2a所示，当压力增加到0.4 MPa，反射波长分离成两个峰，其中一个峰不变，另一个峰变为到1556.24 纳米，如图2b所示。由于应变传感器是非对称的，在1556.24 nm光纤光栅波长啁啾一点。两峰的波长间隔为1.76纳米，具有相同的峰值。因为裸光纤光栅对压力是不敏感的（minus;2.05times;MPa），当压力增加到0.44，光纤光栅的峰值变化仅为0.001 nm。也就是说，波长偏移是可以忽略不计的。
图2 光纤光栅压力传感器在不同压力下的反射光谱（a）0，（b）0.44
图3 光纤光栅压力传感器的反射波长变化情况
图4 测量反射光谱的光纤光栅封装在不同的温度（a）18、（b）74◦C
图3示出的是压力变化的两个峰所测量的波长间隔。传感曲线的相关系数达到0.9986，这体现了测量Bragg波长漂移和所施加的压力之间的良好的线性。压力灵敏度为-2.44times;，是一个裸光纤布拉格光栅的1200倍。
图5 封装式光纤光栅压力传感器的温度响应
我们的传感器的优点是不仅压力灵敏度很大，而且它不受温度变化的影响，这表明在一定的温度范围内，可以避免热应变交叉敏感。在18–74◦C的温度范围内，光纤光栅传感器的反射波长的变化为从1558到1558.6 nm。由于光纤光栅的所有部分都经历相同的温度波动，其反射波长在一定温度范围内不出现峰值。由于聚合物直径很大，聚合物和金属管之间的摩擦是可以忽略不计。从图5可以看出，该封装的光纤光栅温度灵敏度达到6.88times;10minus;6℃，和裸光纤光栅相似。
从以上的实验，我们可以看出，反射波长不会在一个较低的温度范围内（18–74◦C）分开。换言之，二峰的差与压力的变化准确对应，从而避免了热应变交叉效应。
在本文中，我们提出并展示了温度自动补偿型的光纤光栅压力传感器，大大提高了压力灵敏度。该传感器是高度敏感的，而且热应变交叉灵敏度在温度范围（18–74◦C）内是可以避免的。该传感器结构改进为液压振动测量的潜在应用是相当简单合适的。
轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感器
摘要 采用轮辐式传感机构设计，将两个不同波长的布拉格光栅与轮辐中性轴线同时成相同角度，粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置构成传感头。利用光纤光栅波长绝对编码的特性，设训并研制了轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感器。理论分析和实验结果证明，该传感器具有温度自动补偿特性，可用于压力和拉力的高精度感测，其最大力的测量值达到，温度自动补偿范围为-20℃~75℃。
关键词 集成光学 光纤光栅 轮辐式 测力传感器 温度自动补偿
1 引言
光纤光栅传感器是当前传感器领域研究的热点。近年来，诸如感测应变、应力、位移、曲率、角度、压强、电流、电压、频率等类型的光纤光栅传感器已有报道。由于光纤光栅对温度和应变的交叉敏感特性，使其应用受到一定程度的限制。为了克服这一缺陷，人们提出了许多解决方法。从温度补偿的方式而言，主要有主动补偿和被动补偿之分。这两种方式各有所长:前者机构设计须精巧，可用单根光栅实现，属温度直接补偿方式;而后者机构设计简单，贴埋容易实现，但需增加辅助光栅，属温度间接补偿方式。在大型土木结构体的应变、地深处矿井支架的形变、石油井下油气的压力、深海舰艇外壳的压强等参量的实时监测中，特别需要进行温度补偿式测量，最大限度地削弱温度对测量结果的影响，以保证监测的有效性和可靠性。
本文设计了一个具有抗剪切的对称四轮辐传感机构，将光栅串中的两个光纤布拉格光栅作为传感元件，分别与中性轴线成相同的角度粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置，研制出温度自动补偿型光纤光栅测力传感器。
2 机构与原理
图1为轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感器机构与原理示意图。该传感器设计成一个由轮毅、轮辐和轮圈组成的具有抗剪切的对称四轮辐结构，轮毅嵌入轮毅筒之内，轮毅筒、轮辐、轮圈和基座连为一体。
图1 轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感器机构与原理示意图
（a）侧而图；（b）俯视图
对于矩形截面的轮辐，剪应力呈抛物线形分布，且在轮辐的中性面上剪应力最大，为平均剪应力的1. 5倍。弹性体受到剪应力作用时，会产生剪应变，其大小受剪切模量的制约。由材料力学平面应力状态下的主应力公式可知：对同一轮辐，与中性面成或方向的正应力应等于最大剪应力，其最大剪应变，可表示为
， (1)
式中N为轮辐的对数，E为材料的杨氏模量，为材料的泊松系数，b为轮辐截面的宽度，h为轮辐截面的高度，F为施加的外力。
在传感机构中，将光纤光栅串中波长分别为，的两个光纤布拉格光栅FBG1和FBG2作为
传感元件，分别与中性轴线成相同的角度(或)粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置。由光
纤光栅传感原理可知，当轮毂顶部受到均匀垂直压力F作用时，该力通过轮辐的剪应变对粘贴其侧面
上的两个光纤光栅产生拉伸或压缩效应，其中FBG1受到拉伸作用，FBG2受到压缩作用，从而导致两个光栅的周期发生变化。由光纤光栅传感原理及(1)式可得，两个光纤光栅中心波长漂移，与两个轮辐的最大剪应变，的关系分别为
， （2）， （3）
式中为光纤的有效弹光系数，为应变传递因子，，它与机构设计、衬底材料性质、胶水特性以及光栅的粘贴质量等有关。
考虑到光纤光栅的温度效应，与力F和温度变化△T的关系分别为
(对FBG1)， (4)
(对FBG2)， (5)
式中，和，分别为传感器中两个光纤光栅的力和温度的灵敏度系数，由于两个光纤光栅的粘贴材料一致，调整粘贴位置和角度并使之一致，可使，。于是，由力F引起的光栅串的波长差为，可得光栅串波长与外力F的关系为
(6)
式中为力F的灵敏度系数。(6)式是轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感原理的基本关系式。由(6)式可知，两个光栅的波长差△a与外力F成正比关系，且与温度变化无关。这说明，利用传感器，通过测量两个光纤光栅中心波长漂移的变化值，即可感测外力(或载荷)的大小，能够实现具有温度自动补偿功能的高精度力的感测。
对于将两个光纤光栅与中性轴线分别成一定角度(和)，交叉粘贴在同一个轮辐的两个侧面的传感器情况，其分析方法与此类似，在此不重述。
3 结果与分析
实验所用的光纤布拉格光栅FBG1和FBG2是利用相位掩模法自行写制的，20℃时FBG1和FBG2的长度、自由波长、带宽和峰值反射率分别为12 mm和11 mm, 1553. 26 nm和1551. 48 nm, 0. 21nm和0. 22 nm, 16. 0 dB和16. 5 dB。图2为轮辐式温度自动补偿型测力传感器实验装置示意图。其中，轮毂直径和高度分别为35 mm和32 mm，轮毂筒厚度为2 mm；轮毂顶端为弧状，高于轮毂筒5mm；轮辐材料为高弹性的耐腐蚀钢材(40CrMoA ) ，它的高和宽分别为15 mm和3 mm，轮圈的内径和外径分别为35 mm和50 mm，厚度和高度分别为15 mm和35 mm；基座高度为5 mm，且与轮辐、轮圈连为一体;轮毅底端与基座上表面相距3 mm。
图2 轮辐式温度自动补偿型测力传感器实验装置示意图
实验前，将FBG1和FBG2分别与中性轴线同时成或角，粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置，并使光纤平滑地从预留孔中引出，分别连接到3 dB藕合器同侧的两个接线端；而藕合器另一侧两个接线端分别与宽带光源(BBS)和光纤光谱仪(OSA)连接。
实验中，利用千斤顶对传感器施加压力，压力的大小由压力计读出。在0 ~ 30 kN的压力范围内，用测量精度为0. 02 nm的多波长计进行测量。图3给出了20℃时FBG1和FBG2在自由态和F =30kN时的波长漂移对比反射谱。
图4 20℃时FBG1和FBG2
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