光纤维光谱传感器的增敏结构分析与实现

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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