李葉芳，于清旭，周新磊，徐嘉伯

(大連理工大學 物理與光電工程學院，遼寧 大連 116024)

光纖Bragg光柵(FBG)是一種優(yōu)良的傳感元件。自1978年問世以來，國內外圍繞FBG傳感器的研究已成為熱點。在這些研究中，大多都集中在位移測量方面，相對測量重力的FBG傳感器研究較少。

通常FBG位移傳感器都是基于懸臂梁原理實現的。它將FBG粘貼在懸臂梁靠近固定端的表面，通過在懸臂梁自由端施加應力求出測量點的位移變化。這種傳感器只能是一種測量位移的方法，不是真正意義上的FBG傳感器。那么，什么樣的FBG傳感器可以直接測量物體的重力呢?

本文介紹一種測量重力的FBG傳感器。從正面看，它似梯形體結構。梯形體的上臺面可以放置被測物體，梯形體的下臺面需要粘貼FBG。當被測物放置在上臺面時，根據力的分解原理，縱向力會分解為下臺面的軸向(橫向)位移，引起粘貼在其上的FBG周期發(fā)生改變，光纖Bragg波長亦相應的發(fā)生變化，通過測量波長的變化量，最終獲得物體的重力信息。

梯形體結構的FBG傳感器簡易直觀，選材方便，成本低廉，可以在教學實驗中應用。

1 FBG傳感器的工作原理

FBG是利用單模摻鍺光纖經紫外光照射成柵技術形成的光無源器件。

根據耦合模理論，在FBG中傳輸的光束，當滿足Bragg條件時，前向傳輸的導模與背向傳輸的導模之間會發(fā)生耦合，產生Bargg波長λ，形成反射、透射光譜，其FBG結構及光譜特性如圖1所示。FBG 的傳感模型為［1－2］:

式中，pe為有效彈光系數;ε為FBG受到軸向應力作用而產生的軸向應變;ξ為材料的熱光系數;α為材料的熱膨脹系數;ΔT為溫度的變化量。

假設溫度恒定不變ΔT=0，FBG受到軸向應力影響時，Bragg波長總的變化量為:

梯形體結構的FBG傳感器，可以使縱向力轉換為軸向應力，其傳感頭結構示意圖如圖2所示。

圖1 FBG基本結構及光譜特性

假設梯形體結構的FBG上、下膜片之間的摩擦力可以忽略不計，則FBG測重傳感器的傳感機理可表示為:

式中，G為壓力或重量;β為梯形的底角;η為轉換效率;E為彈性模量;S為長方形膜片的面積。

圖2 梯形體結構傳感頭結構示意圖

由式(3)可以看出，只要已知FBG中心波長的變化、長方形模片的面積、材料的彈性模量、梯形體的底角以及轉換效率，就可以測出物體的重力。

2 FBG傳感器的制作

圖3是我們制作的FBG傳感器，整體是梯形體結構。它由上、下兩部分組成:(1)上半部分。形狀似梯形體結構，可以將重力轉換成橫向應力。(2)下半部分。形狀似梯形體的底部，可以粘貼FBG。兩部分均采用精鋼平板材料加工而成。制作過程是:取一塊140 mm×80 mm×2 mm的精鋼平板，從中間切開分成140 mm×40 mm的兩塊長方形。一塊制作上半部分，加工時，先將其彎曲成梯形體形狀，之后沿著梯形體的底邊分別向外方向延長5 mm;另一塊用以制作梯形體的下半部分，因為是長方形膜片，制作時須將膜片的兩端彎出與梯形體底角相等、腰一致的兩個短邊。為了使上下兩部分相嵌、卡緊，彎出的兩個短邊必須分別與梯形體的兩個斜面平行。

圖3 FBG測量傳感頭實物照片

在FBG測重傳感器設計中有兩個關鍵點:(1)上半部分的梯形體兩邊向外延長了5 mm;(2)下半部分長方形膜片的兩端被彎成與梯形體底相同的形狀。其意義在于:(1)使FBG傳感器的結構穩(wěn)定流暢;(2)提高了FBG傳感器將縱向力轉換為橫向力的效率;(3)無須使用膠或其他方式對傳感器進行連接。

最后，將FBG粘貼于長方形膜片下表面中央，長方形膜片下表面的四角要固定4個完全一樣的小螺母，就制成了FBG的測重傳感器。

3 實驗結果

FBG測重傳感器的實驗系統(tǒng)如圖4所示，由寬譜光源、波長解調儀、2X1耦合器、計算機組成。采用我們自己制作的光纖Bragg光譜儀，中心反射波長為1 524 nm。工作過程如下:由寬譜光源發(fā)出的光，經過2X1耦合器耦合后進入FBG傳感器中，當被測物放置在傳感器上時，物體的重量會轉變?yōu)镕BG軸向應力，重量發(fā)生改變時，軸向應力也會相應的改變，隨之中心Bragg波長也發(fā)生改變。這些變化再次經過2X1耦合器進入波長解調儀，波長解調儀將波長變化量提取之后，送到計算機處理便獲得了被測量信息［3］。

實驗中，我們選擇單位為0.5 kg/個的圓盤(砝碼)作被測量。從0 kg開始，依次增加砝碼，每次增加0.5 kg，一直到4.5 kg，然后再開始減重，每次減少0.5 kg。每增加(進程)或減少(回程)一次砝碼，都在計算機上記錄FBG中心反射波長的變化，監(jiān)測其波長的漂移情況。實驗測得的重力與波長之間的對應關系如表1所示。

圖4 FBG測重傳感器實驗系統(tǒng)

表1 重力與波長之間的對應關系

根據表1的實驗數據，在同一個坐標系下，我們繪制的特性曲線如圖5所示。圖中的直線是對每次測量值的線性擬合結果。

由擬合結果可以看出，FBG中心波長的相對漂移量與重量(重力)近似呈線性關系。根據進程數據做擬合直線，其線性度可以達到0.973，這說明了FBG在重力(重量)增加時具有相應的重力(重量)響應性。同樣根據回程數據做擬合直線，FBG的中心波長相對漂移量與所測重量亦近似線性，其線性度為0.973，說明FBG在重力(重量)減小時也具有壓力響應性。另外，從圖5中可以看出，實驗的進程和回程數據值大致分布在擬合直線上，這表明該測重傳感器具有較好的重復性。

4 結束語

經過標定，梯形體結構的FBG測重傳感器，測量范圍在0～3.5 kg之間。造成測量范圍小的原因有三點:(1)FBG靈敏度不高。實驗中采用了我們自己制作的光纖Bragg光柵，并沒有作退火等工藝處理，影響了傳感靈敏度的提高。(2)機械加工精度不高。我們是利用實驗室條件，自己設計、自己制作的FBG傳感器結構，使用的加工工具及設備比較粗糙，使得傳感器上下膜片銜接時存在著誤差。(3)我們使用502膠水直接將FBG粘貼到長方形膜片上，只適合實驗室使用。

圖5 FBG測重傳感器的擬合結果

在實際應用中，可以采用埋入或嵌入的方式［4－8］將 FBG封裝在長方形膜片上，既保護了FBG，又提高了傳感器的測量靈敏度。

［1］李川，張以謨，趙永貴，等.光纖光柵:原理、技術與傳感應用［M］.北京:科學出版社，2005:79－102.

［2］廖延彪.光纖光學［M］.北京:清華大學出版社，2000:198－203.

［3］何俊，董惠婧，周智，等.一種適合工程應用的新型光纖光柵位移傳感器［J］.哈爾濱理工大學學報，2010，15(5):61－64.

［4］李愛群，周廣東.光纖Bargg光柵傳感器測試技術研究進展與展望(I):應變、溫度測試［J］.東南大學學報:自然科學版，2009，39(6):1298－1303.

［5］王宏亮，王琳，賈振安，等.一種實用的光纖Bargg光柵壓力傳感器［J］.光電子·激光，2009，20(4):425－428.

［6］詹亞歌，向世清，何紅，等.光纖光柵高溫傳感器的研究［J］.中國激光，2005，32(9):1235－1238.

［7］李宏男，周廣東，任亮.非軸向力下埋入式光纖傳感器應變傳遞分析［J］.光學學報，2007，27(5):787－793.

［8］曹海燕，田悅新.基于光纖光柵應變傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.傳感器與儀器儀表，2007，23(8):159－161.