一种组合结构光纤光栅压力传感器
光纤光栅压力传感器
光纤光栅压力传感器摘要光纤光栅压力传感器是一种基于光纤光栅技术的压力测量装置。
它利用光纤光栅的特性，通过测量光纤光栅的光谱变化来间接测量压力。
本文将介绍光纤光栅压力传感器的工作原理、优势以及应用领域，并对光纤光栅压力传感器的未来发展进行展望。
1. 引言随着科技的发展，压力传感技术在工业自动化、机械制造、医疗诊断等领域中具有重要的应用价值。
光纤光栅压力传感器作为一种新型的压力测量技术手段，具有高灵敏度、快速响应、抗电磁干扰等优点，逐渐受到研究者的关注。
2. 光纤光栅压力传感器工作原理光纤光栅压力传感器的工作原理基于光纤光栅的特性，即通过光纤中的光栅结构使入射光产生衍射，从而形成一系列特定波长的光谱。
当光纤光栅受到外界压力的作用时，光栅的结构会发生变化，导致衍射光谱发生位移。
通过测量光谱的位移大小，可以间接得到外界压力的大小。
3. 光纤光栅压力传感器的优势相比传统的压力传感器，光纤光栅压力传感器具有以下优势：•高灵敏度：光纤光栅压力传感器可以实现对微小的压力变化的检测，具有较高的灵敏度。
•快速响应：光纤光栅压力传感器的响应时间非常快，可以在毫秒级别内完成压力测量。
•抗电磁干扰：光纤光栅压力传感器采用光学传输信号，对电磁干扰具有很好的抗干扰能力。
•高可靠性：由于光纤光栅压力传感器没有机械移动部件，因此具有较长的使用寿命和高可靠性。
4. 光纤光栅压力传感器的应用领域光纤光栅压力传感器在多个领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：4.1 工业自动化光纤光栅压力传感器可以用于工业自动化中的压力监测和控制，如机械加工、液压系统等。
通过实时测量压力变化，可以及时调整系统的工作状态，提高生产效率和产品质量。
4.2 汽车工程光纤光栅压力传感器可以应用于汽车制造和汽车发动机的研究中。
通过监测引擎内部的压力变化，可以实时监控引擎的工作状态，提高燃烧效率和燃油利用率。
4.3 医疗诊断光纤光栅压力传感器可以应用于医疗诊断中的血压测量、内脏压力监测等领域。
光纤光栅压力传感器原理
光纤光栅压力传感器原理光纤光栅压力传感器是一种利用光纤光栅技术来实现压力测量的传感器。
它通过测量光栅的光谱参数变化来反映压力的大小，具有高精度、快速响应和抗干扰能力强等优点。
下面将详细介绍光纤光栅压力传感器的工作原理。
光纤光栅压力传感器的工作原理基于光纤光栅的光学特性和压力与光纤光栅参数之间的关系。
光纤光栅是一种通过在光纤中引入周期性折射率变化而形成的光学器件。
光栅的折射率周期性变化会导致光信号在光纤中的传播速度发生改变，从而引起入射光波的频率发生偏移。
当光纤光栅受到压力作用时，光栅中的折射率会发生变化，从而改变光栅的光谱参数。
一般来说，光纤光栅压力传感器采用的是光栅的中心波长和光栅的谐振峰宽度来反映压力的大小。
压力越大，光栅的中心波长和谐振峰宽度的变化越大。
在实际应用中，光纤光栅压力传感器通常采用光栅的反射光谱来进行测量。
当入射光波与光栅发生反射时，会形成一系列的反射峰，每个峰对应光栅的一个共振模式。
光栅的中心波长和谐振峰宽度可以通过测量反射光谱的位置和形状来确定。
为了实现对光栅光谱的测量，光纤光栅压力传感器一般采用光谱分析仪或光栅光谱仪作为测量设备。
光谱分析仪能够对反射光谱进行高精度的测量和分析，从而得到光栅的中心波长和谐振峰宽度的变化。
通过与已知压力的对比，可以建立光栅光谱参数与压力之间的关系，从而实现对压力的测量。
光纤光栅压力传感器具有很多优点。
首先，光纤光栅技术具有高精度和快速响应的特点，能够实现对微小压力变化的测量。
其次，光纤光栅传感器具有较宽的工作温度范围和良好的抗干扰能力，适用于各种复杂的工作环境。
此外，光纤光栅传感器还具有体积小、重量轻和易于集成等优点，方便在各种应用中使用。
总结起来，光纤光栅压力传感器是一种利用光纤光栅技术实现压力测量的传感器。
它通过测量光栅的光谱参数变化来反映压力的大小。
光纤光栅压力传感器具有高精度、快速响应和抗干扰能力强等优点，适用于各种工业和科学领域的压力测量应用。
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第39卷第1期2017年2月压电与声光P IE Z O E L E C T R IC S a A C O U S T O O P T IC SVol. 39 No. 1Feb.2017文章编号 #004-2474(2017)01-0060-03一种组合结构光纤光栅压力传感器赵林1，姜龙2,李连庆2(1山东省光纤传感技术重点实验室山东省科学院激光研究所，山东济南250103*.山东微感光电子有限公司，山东济南250103) 摘要：针对目前能源化工领域压力监测需求，结合光纤双光栅感知原理，设计开发出一种满足实际工程应用的光纤光栅压力传感器。
采用波纹管与悬臂梁相结合的传感结构，解决了温度对压力测量的交叉敏感问题，并通过详细的理论及标定试验分析了传感器的传感特性。
实验结果表明，该传感器具有温度自补偿、线性度和重复性好、精度较高等优点，特别适合于石油、煤炭、化工等易燃、易爆环境的压力监测，具有良好的应用前景。
关键词：光纤布喇格光栅；压力传感器；交叉敏感*线性度；可靠性中图分类号：T N29文献标识码：AAn Optical Fiber Grating Pressure Sensor With Composition StructureZHAO Lin JIANG Long, LI Lianqing(1. Key Lab. of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province，Laser Research In stitu te of SSciences，Jinan 250103 »China；2. Shandong Micro-sensor Photonics L im ite d，Jinan 250103 »China)Abstract：A c c o rd in g to th e de m and o f p re ssu re m o n ito rin g in th e fie ld o f e n e rg y and ch e m ica l in d u s tr y, b in in g w ith th e d u a l fib e r B ra g g g r a tin g(F B G)sen sin g p r in c ip le，a fib e r g ra tin g p re ssu re sen sor to m e et th e p ra c e n g in e e rin g a p p lic a tio n has been desig ned in th is w o rk. T h e sen sin g s tru c tu re c o m b in e d w ith a b e llo w s and a c a n tilev e r b e a m，th e p ro b le m o f cro ss s e n s itiv ity o f te m p e ra tu re o n p re ssu re m e a su re m e n t w as d is a p p e a re d，and th e sensin g c h a ra c te ris tic s o f th e sen sor w as an alyzed th ro u g h d e ta ile d th e o ry and c a lib ra tio n e x p e rim e n t. T h e re s u th a t th e sen sor has th e ad vanta ges o f s e lf te m p e ra tu re c o m p e n s a tio n，g o od lin e a rity and re p e a ta b ility，h ig h p re c and so o n，e sp e cia lly s u ita b le fo r o i l，c o a l，c h e m ica l and o th e r fla m m a b le and e x p lo s iv e e n v iro n m e n t p re ssu re m o n it o r in g，and has a good a p p lic a tio n pro sp e cts.Keywords：fib e r B ra g g g r a tin g；p re ssu re s e n s o r；c r o s s-s e n s itiv ity；lin e a r ity；r e lia b ility0引百随着我国石油、化工、煤炭、冶金等行业的快速 发展，企业生产和储运等环节可燃、有毒气体泄漏事 故频发。
传统的监控预警系统采用的感知终端电子 传感器使用寿命短，特别是传感器本身带电，不属本 质安全型感知设备，在监控隐患的同时又引人了新 的安全隐患[1]。
因此，采用可靠、安全的传感器实现 对城市地下天然气、油罐、输油管线等管网压力安全 监测愈显重要。
目前，通用的光纤压力传感器主要有基于Fab-ry-Per〇t(F-P)腔及光纤布喇格光栅（FBG)两种结 构类型。
以F-P腔作为敏感元件的光纤传感器中，毛细管式结构玻璃焊接难度大，漂移量大、重复性差、使用寿命短；弹簧片结构则封装难度大，重复性 差，膜片的均匀性不易控制，批量生产难[23];微机 电系统（MEMS)芯片式存在光纤耦合难度大，封装难等缺点[45]。
FBG结构形式的压力传感器，主要通过FBG 作为敏感元件进行压力检测6。
其中，波登管式分 辨率差，且波登管本身对加工精度要求高，F B G封 装难度大，漂移量大[74];圆筒薄壁结构则存在分辨 率差，检测灵敏度低等缺点9。
针对上述问题，本文提出了一种基于波纹管与 悬臂梁相结合的光纤光栅压力传感器，采用双光栅 感知原理，解决了温度对压力测量的交叉敏感问题，具有较高的灵敏度及长期可靠性[1012]。
同时，由于 光纤传感器本身不带电和本质绝缘，更适用于对易收稿日期#016-07-12基金项目#014山东省科技发展计划基金资助项目（2014GGC01129)作者筒介：赵林（1981-)，男，山东溜博人，硕士生，主要从事光纤传感技术研究）E-m ail: linzhaol225@126. com 。
第1期赵林等'一种组合结构光纤光栅压力传感器61燃、易爆等危险性场合的压力监测。
1传感器基本结构结合石油、化工、煤炭、冶金等行业易燃、易爆环 境下对压力监测需求，设计光纤压力传感器结构如 图1所示。
图1传感器结构模型当气体或液体通过接头内部通道、过滤网过滤 后，经底座通道到达波纹管内部，压力变化会使波纹 管在轴向方向发生形变，波纹管形变推动紧贴在波 纹管上部的应变梁发生挠曲形变，应变梁发生挠曲 形变的同时，粘接在应变梁上下两侧的FBG也会发 生形变，从而导致F B G中心波长发生形变，根据两 光栅F B G中心波长变化量可得当前传感器内部压 力值(压强值％2传感器测压原理根据已有技术资料，温度和应变共同作用产生 的波长变化为'入B % (a'8(1'8)"B(('e—P eAe)A B(1)式中'"B为光栅基准中心波长，AA b为光栅所受温 度、应变状态发生改变后光栅中心波长变化量；为热膨胀效应，即因热膨胀引起的条纹周期变化，）％ 118为光纤的热膨胀系数；08为热光效应，即因温度变化引起的折射率变化，？ ％ 1=e f f1为光纤的热光系数；Ae为形变效应（Ae应变引起的 条纹间距变化）*为光弹效应（应变引起的折射率变化％%—丄^为有效光弹系数。
因此，e=e f f当温度、应变同时发生变化时，总的Bm gg波长位移 应为热移动分量和应变移动分量之和'% (+1)A T+ (1 —P e)Ae(2) "b式(2)中除1随波长变化外，其余各项均可视为常数。
位于应变梁对称面上、下两侧，完全对称布置的 FBG形变后，FBGhFBG,的应变为% (+1)A T+ (1 —P e)'£1(3) "b1A"2%(a+1)A T+(1—P e)'£2 ()"B2式中："B1为FB@1中心波长；"B2为FB@2的中心 波长。
由式（3)、（4)可得/AA b1 —AA b2\eM %A' -Ae, % ("'—+"B2()由于本身光栅选型除波长不同外，光栅其他性 能完全相同，应变梁两侧光栅消除温度影响后的挠曲应变e c与F B G中心波长变化"^一呈线性"B1"B2关系。
e c可简化为液体或气体对传感器内部波纹管 轴向形变乘以一个系数，即e M%k- !(6)式中'为系数！为波纹管轴向形变量。
根据胡克 定律F%K -X(7)式中：T为物体的劲度系数；X为弹性形变量。
物 体的劲度（倔强）系数与波纹管的材质、厚度、层数、直径及有效波数等有关，当确定好波纹管型号时，其 K也确定了。
根据压力、压强换算公式可得F%p-S(8)式中+为压强；I为受力面积。
由式（）〜（8)可得e c%k S(9)传感器封装后经过高精度压力变送器和活塞式 压力计标定（通过p进行标定，F B G波长由解调仪 解调），p、"b、"b1、"b2均已知，可求出kS/K，且 kS/K为确定的常数，在求出kS/K后，即可通过解 调波长变化直接监测压力的（压强）变化。
3验证实验与结果分析3.1传感器制作为保证压力传感器的环境适应性，等强度梁选 用弹性范围宽、疲劳性能好的合金钢，本文选用 65M n钢。
波纹管材料为铍青铜、锡青铜或其他材 料，通过选择不同灵敏度的波纹管与悬臂梁刚度，可制作成不同量程的压力传感器。
具体制作出的传感 器如图2所示。
图2光纤压力传感器3.2标定实验传感器标定采用西安特种仪表研究所研制的标 准活塞液体压力计，压力范围为0〜6M P a，测量精度 为0.02%F.S，实验装置如图3所示。
传感器中心波 长的解调采用山东微感光电子有限公司研制的光纤 光栅解调仪，最小分辨率1p m。
加载选用分级形式，每一级(0. 1M P a、0.2M P a、…、l.O M P a)加载后静置 一段时间，待数值稳定记录光纤光栅的中心波长值。