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光纤光栅压力计及传感特性

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《华南师范大学学报》2016年第一期

摘要:

设计了一种基于悬臂梁结构的光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器,采用应变片作为悬臂梁,将垂直压力转换成轴向应力.FBG固定在悬臂梁上,将应力转换成中心波长的漂移.通过半导体激光器斜边检测法检测FBG波长的移动.研究了FBG栅区长度和特征反射光谱宽度的关系,选择并制作了栅区长度为1mm的FBGs作为传感器,确保FBG中心波长漂移时,半导体激光的波长仍在FBG的反射光谱区域内,扩大了传感器的动态范围.在悬臂梁双侧设计了FBGs对结构,利用这对FBGs对环境温度相应系数相同的特性,消除环境温度波动对压力测量的影响.在实验中改变FBGs对的温度,测量了它们对温度的响应并利用温度消敏算法获得传感器的温度不敏感性能.提出了FBG压力传感器的空分复用技术,利用多个光纤耦合器和光电探头(PD)阵列组成传感网络.上述的压力传感网络技术在边坡、基坑等土木工程结构安全监控领域具有实用价值.

关键词:

光纤光栅;压力计;光纤传感网络;特性

压力是工业生产和环境监测的重要参数之一,压力传感器被广泛应用于现代生活的各个领域,压力的实时和分布式测量在工业生产、环境测量和军事安全等方面具有重要的意义.传统的压力传感器多为电磁类传感器,其灵敏度低、测量范围小、组网复杂,无法满足快速发展的工业需要.光纤布拉格光栅(FBG)具有灵敏度高、结构小巧、性能稳定和易于组网等优点.研究者已提出了许多传感器结构,例如将FBG黏贴在开口环有机玻璃上[1],等强度悬臂梁与弹簧管结合的FBG压力传感器[2-3],膜片式FBG压力传感结构[4-6]和基于聚合物的光栅压力传感器[4,6-7]等,然而这些结构在测量压力时会受到外界温度的影响.后来,许多基于温度补偿的FBG压力传感结构相继被研究,如基于悬臂梁结构的温度补偿的光栅压力传感器[5,8-11],还有具有温度补偿的弹性结构FBG传感器[9,12-16]和改进型聚合物压力传感器[17]等.这些传感结构虽然消除了温度对测量系统的影响,但是光谱仪和光栅解调仪的成本较高,不适合广泛应用.本文提出了一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器,利用低成本的单波长半导体激光二极管和斜边检测方法实现了传感器的信号解调,为了增大传感器的动态范围,研究设计了大带宽FBG,具有结构简单小巧、灵敏度高、成本低等优点,可消除温度对压力测量的影响.此外,本文还提出了多传感器复用技术,将多个传感器组成传感网络,适用于铁路、水坝、山体等大型土木工程的压力监测.

1研究方法

1.1压力计机械结构设计传感器选用悬臂梁作为传感元件,能将外界的垂直压力转换为悬臂梁上的轴向应变,悬臂梁的示意图如图1所示.悬臂梁一端固定,另一端自由弯曲,外界压力施加在自由端.施加压力后,悬臂梁发生弯曲,悬臂梁上同一截面的上下表面产生大小相同,方向相反的应变,上表面为拉伸应变,下表面为压缩应变.

1.2FBG传感器设计和传感器复用技术FBG的折射率在光纤轴向方向呈周期性变化,当1束光进入光栅时,满足布拉格条件的光将被反射,其反射波长B称为光栅的中心波长,其布拉格条件.光源为15501nm激光器,为保证当FBG的中心波长漂移时,激光仍被FBG反射,实验需要较大带宽的FBG.FBG的带宽与其栅区长度有关,用Optiwave软件对不同栅区长度的FBGs进行模拟仿真,纤芯的直径为8μm,反射率为146,包层直径为125μm,反射率为1445,光纤光栅的FBG波长为1549nm,模式参数为8817×10-4(图3).随着FBG的栅区长度增加,其透射谱深度逐渐增加(图3A),而其3dB带宽随之减小(图3B).FBG的栅区长度从05mm增加到25mm时,其3dB带宽迅速下降,在栅区长度增加至25mm后,其带宽基本不变,而且随着光栅长度的增加,光栅的反射率增加,透射率减小.综合考虑FBG的反射率和带宽要求,选择了栅区长度为1mm的FBG.采用光源为15501nm的低成本半导体激光二极管,激光管带光纤尾纤输出,为单波长多纵模工作,带宽小于001nm,激光功率为802mW,FBG的中心波长为15489nm,栅区长度为1mm,其光谱如图4所示.2根FBGs的3dB带宽为12nm,其光谱带宽足够大,能保证FBGs中心波长发生大的漂移时,激光仍被FBGs反射,增加传感器的动态范围.使用的FBG最高能够监测的微应变为16870nm.传感器的系统如图5所示,DFB激光器发出15501nm的激光,经过分束器后,分成2路信号,分别进入黏贴在悬臂梁上下侧FBGs.耦合器接受经过FBGs反射后的光信号,传送给光电二极管,转换成电信号,经过放大后进行数据处理.

2结果与讨论

采用相位掩膜法刻写FBG,所用激光器为KrF激光器(ATLEX500),激光的波长为193nm,掩模板的周期为107118nm.去除涂覆层后的载氢光纤(H2的气压约为9MPa,温度约为98℃,载氢时间为3d)放置在掩模板前方,通过可调狭缝来调节刻写FBG的长度,图4为实验室刻写的2根1mm的FBGs的反射谱.传感器选用弹簧片作为悬臂梁,其长度为100mm,厚度为1mm.把2根刻写好的FBGs分别黏在弹簧片根部的上下表面(图1),当弹簧片的自由端发生弯曲时,弹簧片上侧FBG被拉伸,下侧FBG被压缩,在不同的弹簧片偏移量下,2根FBGs的反射谱如图6所示.随着弹簧片自由端偏移量的增加,弹簧片上侧FBG产生拉伸应变,其中心波长往长波方向漂移,如图6中黑色箭头所示.弹簧片下侧FBG产生压缩应变,其中心波长往短波方向漂移,如图6中红色箭头所示.FBG中心波长的漂移不仅受应变的影响,同时还受外界温度变化的影响.当保持偏移量y不变时,改变外界温度,弹簧片上下侧FBGs的反射谱变化如图7所示.随着温度从25℃升高到45℃,弹簧片上下侧FBGs的中心波长均往长波方向漂移,并且漂移量相等,因此,将上下两侧的光信号做减法处理,可以消除温度对压力测量的影响.传感器的压力测量系统如图5所示,对弹簧片自由端施加应力,改变其竖直偏移量.当竖直偏移量从0逐渐增大至10mm时,光电探头(PD)接收到的光功率变化如图8所示.随着弹簧片自由端的偏移量增加,上侧FBG的中心波长向长波方向漂移,反射的激光功率增加.相反,下侧FBG的中心波长向短波方向漂移,反射的激光功率减小.随着悬臂梁偏移量的升高,悬臂梁上下侧FBGs的光功率差逐渐变大.

把弹簧片和FBGs同时水浴加热,以检测温度对传感器的影响(图9).当水温从26℃升高到55℃时,随着温度的增加,弹簧片受热膨胀,上下侧FBGs都被拉伸,并且FBGs自身对温度敏感,这使中心波长向长波反向漂移,FBGs反射的激光功率也增加.然而,弹簧片上下侧FBGs反射的激光功率随温度的变化趋势基本一致,即上下侧FBGs反射的光功率的差值不随温度变化(图9),曲线的方差为00008,均方差为00286.所以可以通过对PD接收到的2路光信号做减法处理的方法,去掉温度对压力测量的影响.因此,光功率的差值只与外界压力有关.本文利用光纤布拉格光栅(FBG)实现了将外界压力信号转换为光功率信号,采集光信号可实现检测外界压力的功能.利用光纤对信号的复用原理,1根光纤可实时传输多个传感信号.将多个压力传感器分别布置在测量区域的不同地点,使其组成压力传感网络,对整个测量区域进行实时分布式的压力监测.

3结论

设计了一种实用的光纤光栅压力传感器,并对其原理和特性做了理论分析和实验验证.传感器用1根弹簧片作为悬臂梁,将外界压力转换为轴向应变.黏贴在弹簧片根部上下两侧FBGs对轴向应变敏感,其中心波长会随着应变变化而漂移,使PD接收到的由FBGs反射的激光功率发生变化.由于采用了差动FBG结构,弹簧片上下侧FBGs对温度具有相同的反应,通过减法处理,可消除外界温度对压力测量的影响.此外还提出来将多个传感器复用,组成压力传感网络,对测量区域内的压力进行实时监测.光栅压力传感器具有结构小巧、成本低、性能稳定、灵敏度高、对温度不敏感等优点,其组成的传感网络对工业上测量压力具有重要的意义.

作者:鲁昌涛 周斌 姜恒和 单位:华南师范大学华南先进光电子研究院

华南师范大学学报责任编辑:杨雪    阅读:人次
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