姚娟 聞琛陽 楊俊峰

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖北武漢 430070）

光纖光柵分布式壓力傳感器

姚娟 聞琛陽 楊俊峰

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖北武漢 430070）

介紹了一種光纖光柵傳感器在密閉環(huán)境中對應(yīng)力變化實(shí)時監(jiān)測的應(yīng)用。隨著外界應(yīng)力的變化，光纖光柵的Bragg 中心發(fā)射波長將發(fā)生相應(yīng)的移動。利用此特性，提出并實(shí)現(xiàn)了一種精密的用光纖光柵作為敏感元件測量密閉環(huán)境的壓力變化的方法， 獲得了光柵Bragg波長值與壓力之間的曲線關(guān)系，最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

光纖光柵 傳感器 壓力

1 引言

光纖傳感器是當(dāng)今光纖測量技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題之一，用這種結(jié)構(gòu)新穎的傳感器實(shí)現(xiàn)的測量系統(tǒng)，在測量現(xiàn)場可視為“全光學(xué)”式，在易燃易爆工況下尤為適用。本文針對特殊工況下的測量現(xiàn)場要求，提出基于光纖傳感技術(shù)的分布式壓力監(jiān)測系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)相比，測量現(xiàn)場完全無電，可應(yīng)用于易燃易爆場合。

2 傳感器原理及結(jié)構(gòu)

2.1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵。光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。入射進(jìn)光纖光柵的寬帶光，只有滿足一定條件的波長的光能被反射回來，其余的光都被透射出去。光纖光柵傳感的基本原理是利用光纖光柵的有效折射率和光柵周期對外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為其布拉格波長的移動，通過檢測光柵反射的中心波長移動實(shí)現(xiàn)對外界參量的測量。

根據(jù)光柵理論，對滿足布拉格條件的光波產(chǎn)生反射，該光波的波長稱為光纖光柵的中心波長 Bλ ， Bλ 與折射率和光柵周期的關(guān)系為：

式中： Bλ 為反射波波峰處波長，即后向反射波長；Λ為光柵周期；effn為光纖模式的有效折射率。

從上式可以看出，改變光柵的有效折射率或光柵周期，就能改變光柵反射中心的波長。利用這一特性，可以將光纖光柵用于許多物理量的測量。當(dāng)光柵所受應(yīng)變（應(yīng)力）和其周圍溫度發(fā)生變化時會導(dǎo)致其芯區(qū)的有效折射率n和光柵周期Λ發(fā)生變化，從而使布拉格波長 Bλ 發(fā)生偏移［1］。通過檢測反射波長的偏移量，即可獲得相應(yīng)的應(yīng)變（應(yīng)力）和周圍溫度的大小。

當(dāng)環(huán)境溫度不變，光纖光柵只受應(yīng)變ε作用時，其中心反射波長的相對變化為：

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 光纖光柵傳感器示意圖

對于普通光纖eP=0.22。對于裸光柵應(yīng)變系數(shù)為1.2pm/με。

對于裸光柵而言，由于剝掉光纖涂覆層造成的損傷，通常當(dāng)光柵被直接拉伸到諧振波長漂移2nm左右時，光柵即被折斷。為了增加光柵的韌性，常常將光柵粘貼在某個附體上，這樣光纖光柵拉伸漂移量可達(dá)到數(shù)十納米。

2.2 結(jié)構(gòu)

該FBG壓力傳感器主要由圓盤基座，傳感探頭和碟形彈簧組成。傳感探頭是一個彈性元件，在其表面有一凹槽，用美國生產(chǎn)的型號為EPO-TEK 353ND膠將光纖光柵粘貼在凹槽內(nèi)。用蝶行彈簧將傳感探頭安裝在圓盤基座里，在圓盤基座安裝多個傳感探頭，并將其串接就構(gòu)成了分布式壓力傳感器。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

光纖光柵壓力傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)成由兩大部分組成：傳感光柵、解調(diào)儀，示意圖如圖2所示。待測量加在傳感光柵上，光源出射的光在FBG中傳輸時，Bragg反射光波的中心波長產(chǎn)生漂移，經(jīng)耦合器導(dǎo)入解調(diào)儀，在分析儀中可檢測出，從而確定待測量。

對傳感器進(jìn)行壓力測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程分別對每個FBG進(jìn)行測

圖3 壓力與波長的關(guān)系

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

試壓力，由0-10Kg，每次增加1Kg，壓力由電子秤加載，光纖光柵的中心波長由解調(diào)儀檢測。

實(shí)驗(yàn)選擇的光纖光柵的中心波長分別為1285nm，1291nm和1297nm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1示。

從圖中，可以得到6個結(jié)論。

（1）檢測范圍：實(shí)驗(yàn)中設(shè)計的傳感器的測量范圍最大10kg（根據(jù)需要，測量范圍可設(shè)計得大于12kg，但不能太大），實(shí)際測量中稍大于12kg也可以測量，但靈敏度很差，測量的數(shù)據(jù)很不準(zhǔn)確。

（2）線性度：從0kg到10kg區(qū)域，F(xiàn)BG1的線性擬合度達(dá)0.98767，F(xiàn)BG2的線性擬合度達(dá)0.99018，F(xiàn)BG3的線性擬合度達(dá)0.9895。在這一測量范圍具有很好的線性度。

（3）靈敏度：從0kg到10kg區(qū)域，F(xiàn)BG1的靈敏度為0.4727nm/ kg，F(xiàn)BG2的的靈敏度為0.30601nm/kg，F(xiàn)BG3的的靈敏度為0.39561nm/kg。

（4）精度：在本實(shí)驗(yàn)中，影響測量精度的主要因素有兩方面：一是解調(diào)儀的測量精度；二是實(shí)驗(yàn)裝置自身引起的誤差。而且主要取決于解調(diào)儀，實(shí)驗(yàn)采用的解調(diào)儀的測量分辨率為1pm.精度為±5pm。

（5）重復(fù)性：經(jīng)過反復(fù)多次測量，所得各條曲線都很靠近，證明其重復(fù)性很好。

（6）對壓強(qiáng)具有很好的響應(yīng)性，沒有發(fā)生遲滯現(xiàn)象。

4 結(jié)語

光纖光柵是一種新型光子器件，具有良好的發(fā)展前景。用光纖光柵作為傳感元件，可實(shí)現(xiàn)精密位移量的測量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的線性度，在10公斤力的檢測范圍內(nèi)，使傳感測量精度達(dá)到±3.487 nm。這種新型的光柵位移傳感器容易封裝，可定量機(jī)械加工，傳感器具有結(jié)構(gòu)精巧、重量輕、尺寸小、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以用于實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境壓力變化的測量。