光纤维光谱传感器的增敏结构分析与实现

发布时间:2019-09-20 10:58
引言
 
        自Morey等人[1]首次将光纤光栅用于传感领域,经过2”工程师职称论文发表”0多年的研究,光纤光栅传感技术已取得了较大的进展。.1997年,Kersey等人[3]研究了将光纤Bragg光栅传感器安装在合成材料舰船船体中监测合成材料船体遭受波浪撞击时产生的瞬态应变已取得了成功;美 国 国 家 宇 航 局(NASA)也采用光纤Bragg光栅传感器监测用石墨/环氧树脂复合材料制作的航天器液体燃料箱的结构完整性,同时,还开始用光纤光栅传感器对导弹及其发射系统的有关监测问题进行了研究。虽然对光纤光栅灵敏度要求很高,但目前的研究中仍然存在灵敏度低的缺点。孙安等人[9]提出了通过采用特殊聚合物将光纤光栅封装于金属套管中,并通过在金属套管预涂覆盖一层软弹性材料,以消除封装过程中由于高分子材料固化收缩以及聚”工程师职称论文格式”合物与套管壁粘接与摩擦产生的光纤光栅啁啾化,改善了光纤光栅压力响应特性.封装后的光纤光栅压力响应灵敏度为0.036nm/MPa,具有良好的线性,能用于某些诸如油气井下等恶劣环境中。本文设计了一种新的封装结构,提出了其应力增敏模型,通过实验测试得到了该封装结构的压力灵敏度比裸光纤光栅的压力灵敏度(-2.78×10-6/MPa)提高了1 800倍.
 
1、基于金属圆筒和高分子材料的封装结构及压力增敏数学建模
 
        为了提高光纤光栅传感器的灵敏度和环境的适应性,将光纤光栅封装在一种特殊的结构中.在该封装结构中,外圆筒为金属如Al、Cu等,其杨氏模量为Eal.内层为封装高分子材料,封装”工程师职称论文范文”高分子材料杨氏模量为Ep、泊松比为υp。由于Eal?Ep,近似认为Al金属外筒为刚体,在静压力p作用下,高分子材料的应力为σZ=-p14πD214πd2=-1fp(1)其中,f=d2D2,d、D分别为金属内外圆筒封装结构中的圆柱体的直径.高分子材料的应变为εz=-1fpEp(2)εr=εθ=υpfpEp(3)  按结构进行封装得到的传感器的压力灵敏度系数Kp=1λBpΔλB= 1{p&epsilon”中级工程师职称论文”;z-n2e2[(P11+P12)εr+P12εz}]= 1{p(1-n2e2p12)εz-n2e2[(P11+P12)εr}]=  -1fE{p(1-n2e2p12)+n2e2[(P11+P12)υp}](4)从(4)式中可以看出,按结构进行封装得到的传感器的压力灵敏度Kp不仅与封装高分子材料杨氏模量Ep、泊松比υp有关,还与两圆柱体的直径之比的平方f=d2D2有关.对于所选用光纤,P11=0.121,P12=0.270,ne=1.46.将P11=0.121,P12=0.270,ne=1.46代入(4)式得:Kp=-1fEp(0.417υp+0.712) (5)
 
2 增敏效果预测及高分子材料的参数对光纤光栅压力灵敏度的影响 
 
        为了预测此封装结构的增敏效果,进行封装高分子材料的优化设计,本文研究了封装高分子材料参数对封装后的光纤光栅的压力灵敏度Kp的影响规律。经过分析,发现:分子材料的泊松比对灵敏度Kp的影响较小;杨氏模量对灵敏度Kp的影响为:当高分子材料的杨氏模量较小时(如小于108 N·m-2),随着杨氏模量降低,灵敏度Kp迅速增加,当高分子材料的杨氏模量较大时(大于108 N·m-2),杨氏模量对灵敏度Kp的影响较小.结构尺寸d/D对灵敏度Kp有一定的影响,随着d/D减小,灵敏度Kp增加.实际设计时要考虑在增加灵敏度Kp的同时保持结构小尺寸的优势,进行优化设计.不同封装高分子材料特性参数泊松比和杨氏模量代入(5)式中计算该封装结构的压力敏感系数Kp。取封装高分子材料 的 泊 松 比υp=0.48、杨 氏 模 量Ep=108N/m2,d/D=0.5,计算Kp得到:Kp=5.20×10-2/MPa,其灵敏度可提高1 800倍,还可选择不同的参数来调节灵敏度.
 
3 结果与讨论
 
        用长为60.40mm,外径为18.30mm,内径为16.31mm的金属管,设计f=d2D2=1.使用武汉理工大学光纤中心生产的中心反射波长为1 556.815nm的光纤光栅,所用聚氨酯高分子材料的弹性模量为3.5×107 N/m2,泊松比为0.475,得到的光纤光栅传感器简称“1号光纤光栅传感器”.将高分子材料 的参数弹 性模量为3.5×107N/m2,泊松比为0.475,代入公式Kp=-1fEp(0.417υp+0.712)计算出1号光纤光栅传感器的压力灵敏度为-2.6×10-2/MPa.在室温和0.1~0.6 MPa的压力范围内,对1号光纤光栅传感器的压力传感特性进行测试,得到不同压力下的光谱图,将光谱图中得到的数据绘制成压力响应曲,随着压力的增加,该传感器的中心波长向短波方向漂移,根据数据得到该传感器的压力灵敏度为-5.02×10-3/MPa(理论计算结 果 为-2.6×10-2/MPa).相 当 于 每 改 变1MPa的 压 力,该 传 感 器 的 中 心 波 长 移 动5.588nm,其 压 力 灵 敏 度 比 裸 光 纤 光 栅 的 压 力 灵 敏 度(-2.78×10-6/MPa)提高了1 800倍.
 
4 结 论
 
       本文提出了一种应力增敏的光纤光栅压力传感器的封装结构,建立了该结构的压力灵敏度的数学模型,理论上计算该传感器的压力灵敏度为-2.6×10-2/MPa,并通过实验测出其压力灵敏度为-5.02×10-3/MPa,比裸光纤光栅的压力灵敏度(-2.78×10-6/MPa)提高了1 800倍.对于这种基于金属圆筒和高分子材料封装结构的应力增敏模型,通过适当的金属圆筒的尺寸、高分子材料的直径、弹性模量、泊松比等参数可方便地改变和调整传感器的压力灵敏度以适应不同的场合.
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