簡(jiǎn)易光纖Bragg光柵測(cè)重傳感器的制作

李葉芳，于清旭，周新磊，徐嘉伯

(大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)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(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外圍繞FBG傳感器的研究已成為熱點(diǎn)。在這些研究中，大多都集中在位移測(cè)量方面，相對(duì)測(cè)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(shí)現(xiàn)的。它將FBG粘貼在懸臂梁靠近固定端的表面，通過(guò)在懸臂梁自由端施加應(yīng)力求出測(cè)量點(diǎn)的位移變化。這種傳感器只能是一種測(cè)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(cè)量物體的重力呢?

本文介紹一種測(cè)量重力的FBG傳感器。從正面看，它似梯形體結(jié)構(gòu)。梯形體的上臺(tái)面可以放置被測(cè)物體，梯形體的下臺(tái)面需要粘貼FBG。當(dāng)被測(cè)物放置在上臺(tái)面時(shí)，根據(jù)力的分解原理，縱向力會(huì)分解為下臺(tái)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(zhǎng)亦相應(yīng)的發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的變化量，最終獲得物體的重力信息。

梯形體結(jié)構(gòu)的FBG傳感器簡(jiǎn)易直觀，選材方便，成本低廉，可以在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。

1 FBG傳感器的工作原理

FBG是利用單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術(shù)形成的光無(wú)源器件。

根據(jù)耦合模理論，在FBG中傳輸?shù)墓馐?，?dāng)滿足Bragg條件時(shí)，前向傳輸?shù)膶?dǎo)模與背向傳輸?shù)膶?dǎo)模之間會(huì)發(fā)生耦合，產(chǎn)生Bargg波長(zhǎng)λ，形成反射、透射光譜，其FBG結(jié)構(gòu)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(shù);ε為FBG受到軸向應(yīng)力作用而產(chǎn)生的軸向應(yīng)變;ξ為材料的熱光系數(shù);α為材料的熱膨脹系數(shù);ΔT為溫度的變化量。

假設(shè)溫度恒定不變?chǔ)=0，F(xiàn)BG受到軸向應(yīng)力影響時(shí)，Bragg波長(zhǎng)總的變化量為:

梯形體結(jié)構(gòu)的FBG傳感器，可以使縱向力轉(zhuǎn)換為軸向應(yīng)力，其傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 FBG基本結(jié)構(gòu)及光譜特性

假設(shè)梯形體結(jié)構(gòu)的FBG上、下膜片之間的摩擦力可以忽略不計(jì)，則FBG測(cè)重傳感器的傳感機(jī)理可表示為:

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

圖2 梯形體結(jié)構(gòu)傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖

由式(3)可以看出，只要已知FBG中心波長(zhǎng)的變化、長(zhǎng)方形模片的面積、材料的彈性模量、梯形體的底角以及轉(zhuǎn)換效率，就可以測(cè)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(jié)構(gòu)。它由上、下兩部分組成:(1)上半部分。形狀似梯形體結(jié)構(gòu)，可以將重力轉(zhuǎn)換成橫向應(yīng)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(guò)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(zhǎng)方形。一塊制作上半部分，加工時(shí)，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(zhǎng)5 mm;另一塊用以制作梯形體的下半部分，因?yàn)槭情L(zhǎng)方形膜片，制作時(shí)須將膜片的兩端彎出與梯形體底角相等、腰一致的兩個(gè)短邊。為了使上下兩部分相嵌、卡緊，彎出的兩個(gè)短邊必須分別與梯形體的兩個(gè)斜面平行。

圖3 FBG測(cè)量傳感頭實(shí)物照片

在FBG測(cè)重傳感器設(shè)計(jì)中有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):(1)上半部分的梯形體兩邊向外延長(zhǎng)了5 mm;(2)下半部分長(zhǎng)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定流暢;(2)提高了FBG傳感器將縱向力轉(zhuǎn)換為橫向力的效率;(3)無(wú)須使用膠或其他方式對(duì)傳感器進(jìn)行連接。

最后，將FBG粘貼于長(zhǎng)方形膜片下表面中央，長(zhǎng)方形膜片下表面的四角要固定4個(gè)完全一樣的小螺母，就制成了FBG的測(cè)重傳感器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

FBG測(cè)重傳感器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，由寬譜光源、波長(zhǎng)解調(diào)儀、2X1耦合器、計(jì)算機(jī)組成。采用我們自己制作的光纖Bragg光譜儀，中心反射波長(zhǎng)為1 524 nm。工作過(guò)程如下:由寬譜光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)2X1耦合器耦合后進(jìn)入FBG傳感器中，當(dāng)被測(cè)物放置在傳感器上時(shí)，物體的重量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镕BG軸向應(yīng)力，重量發(fā)生改變時(shí)，軸向應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)的改變，隨之中心Bragg波長(zhǎng)也發(fā)生改變。這些變化再次經(jīng)過(guò)2X1耦合器進(jìn)入波長(zhǎng)解調(diào)儀，波長(zhǎng)解調(diào)儀將波長(zhǎng)變化量提取之后，送到計(jì)算機(jī)處理便獲得了被測(cè)量信息［3］。

實(shí)驗(yàn)中，我們選擇單位為0.5 kg/個(gè)的圓盤(砝碼)作被測(cè)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(jìn)程)或減少(回程)一次砝碼，都在計(jì)算機(jī)上記錄FBG中心反射波長(zhǎng)的變化，監(jiān)測(cè)其波長(zhǎng)的漂移情況。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的重力與波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖4 FBG測(cè)重傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表1 重力與波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同一個(gè)坐標(biāo)系下，我們繪制的特性曲線如圖5所示。圖中的直線是對(duì)每次測(cè)量值的線性擬合結(jié)果。

由擬合結(jié)果可以看出，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)的相對(duì)漂移量與重量(重力)近似呈線性關(guān)系。根據(jù)進(jìn)程數(shù)據(jù)做擬合直線，其線性度可以達(dá)到0.973，這說(shuō)明了FBG在重力(重量)增加時(shí)具有相應(yīng)的重力(重量)響應(yīng)性。同樣根據(jù)回程數(shù)據(jù)做擬合直線，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)相對(duì)漂移量與所測(cè)重量亦近似線性，其線性度為0.973，說(shuō)明FBG在重力(重量)減小時(shí)也具有壓力響應(yīng)性。另外，從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程和回程數(shù)據(jù)值大致分布在擬合直線上，這表明該測(cè)重傳感器具有較好的重復(fù)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)標(biāo)定，梯形體結(jié)構(gòu)的FBG測(cè)重傳感器，測(cè)量范圍在0～3.5 kg之間。造成測(cè)量范圍小的原因有三點(diǎn):(1)FBG靈敏度不高。實(shí)驗(yàn)中采用了我們自己制作的光纖Bragg光柵，并沒(méi)有作退火等工藝處理，影響了傳感靈敏度的提高。(2)機(jī)械加工精度不高。我們是利用實(shí)驗(yàn)室條件，自己設(shè)計(jì)、自己制作的FBG傳感器結(jié)構(gòu)，使用的加工工具及設(shè)備比較粗糙，使得傳感器上下膜片銜接時(shí)存在著誤差。(3)我們使用502膠水直接將FBG粘貼到長(zhǎng)方形膜片上，只適合實(shí)驗(yàn)室使用。

圖5 FBG測(cè)重傳感器的擬合結(jié)果

在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用埋入或嵌入的方式［4－8］將 FBG封裝在長(zhǎng)方形膜片上，既保護(hù)了FBG，又提高了傳感器的測(cè)量靈敏度。

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