FBG可变灵敏度压力传感器设计

２０１６年第３５卷第６期　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　６９　ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１６）０６－００６９－０３　ＦＢＧ可变灵敏度压力传感器设计　李　凯　，赵振刚　，李英娜　，蔡　陈　，彭庆军　，李　川　（１．昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明６５０５００；　２．云南电网有限责任公司电力科学研究院。云南昆明６５０２１７）　摘要：为了实现对压力的多灵敏度状态下监测，设计了一种利用光纤Ｂｒａｇｇ光栅（ＦＢＧ）的可变灵敏度　压力传感探头。将裸光栅固定在薄膜片中心与下部外壳之间，传感器探头表面的压力通过薄膜片传递给　裸光栅，并可通过灵敏度变换阀改变膜片大小从而改变传感器的灵敏度。对薄膜片进行有限元仿真优化　计算，得到其变形特性。薄膜片厚ｌｍｍ，工作半径分别调节为１０，９，８　ｃｍ状态下，最大变形出现在膜片中　心区域，在０．１　ＭＰａ的表面压力作用下，膜片中心处变形分别为３．８７５，２．５６１，１．５７９ｍｍ，裸光栅固定后，对　应的灵敏度分别为：３８．４４，２５．６２，１５．７９ｒａｍ／ＭＰａ，实现灵敏度变换。　关键词：压力；有限元；光纤Ｂｒａｇｇ光栅；薄膜片；可变灵敏度　中图分类号：ＴＨ７４１　文献标识码：Ａ　文章编号：ｉ０００－９７８７（２０１６）０６－００６９－０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ＦＢＧ　ＬＩ　Ｋａｉ　一，ＺＨＡＯ　Ｚｈｅｎ．ｇａｎｇ　，ＬＩ　Ｙｉｎｇ．ｎａ　，ＣＡＩ　Ｃｈｅｎ　，ＰＥＮＧ　Ｑｉｎｇ－ｊｕｎ　，Ｌｉ　Ｃｈｕａｎ　（１．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５０５００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙｕｎｎａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，　Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５０２１７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ　ｉｎ　ｍｕｈｉ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｓｔａｔｅ，ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｐｒｏｂｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）．Ｂａｒｅ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｆｉｘｅｄ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｉｎ　ｉｆｌｍ　ｓｈｅｅｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｈｏｕｓｉｎｇ．Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｒｏｍ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ｐｒｏｂｅ　ｉｓ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｆｉｌｍ　ｓｈｅｅｔ　ｔｏ　ｂａｒｅ　ｇｒａｔｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｍ　ｓｈｅｅｔ　ｉｓ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｂｙ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｖａｌｖｅ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｃｈａｎｇｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ．　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｆｉｌｍ　ｓｈｅｅｔ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ｒｅｓｕｈｓ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｍ　ｓｈｅｅｔ　ｉｓ　ｉ　ｍｍ，ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｒａｄｉｕｓ　ｉｓ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ｔＯ　１０　ｃｍ，９　ｃｎｌ　ａｎｄ　８　ｃｍ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｅ￣ｒｍａｔｉｏｎ　ｏｃｃｕｒｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｍ　ｓｈｅｅｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　０．１　ＭＰａ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｍ　ｓｈｅｅｔ　ｉｓ　３．８７５　ｍｍ，２．５６１　ｍｍ　ａｎｄ　１．５７９　ｍｍ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｂａｒｅ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｆｉｘｅｄ，　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｉｅｓ　ａｒｅ　３８．４４ｍｍ／ＭＰａ，２５．６２ｍｍ／Ｍｐａ　ａｎｄ　１５．７９ｍｍ／ＭＰａ，ＳＯ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉＳ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）；ｆｉｌｍ　ｓｈｅｅｔ；ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　０引　言　测范围内具有较好的线性度和重复性　Ｊ。殷小峰等人针　由于光纤Ｂｒａｇｇ光栅（ＦＢＧ）压力传感器具有抗电磁干　扰、耐腐蚀、易于分布式监测且实现不带电监测等优点，广　泛应用于石油化工及电力行业，实现非电监测　。傅海　对高精度水深测量，设计了一种利用薄膜片进行封装的　ＦＢＧ压力增敏传感器，实验结果表明封装后的灵敏度较封　装前大幅度提升　。冉新涛等人分析了带有硬中心的圆　膜片受压后的膜片中心挠度与压力之间的关系，利用这一　原理设计了一种将液体压力转换为ＦＢＧ栅距变化的敏感　威等人提出在金属薄膜片环向上粘贴ＦＢＧ，并通过实验验　证了该传感器具有较高的灵敏度和较好的线性　。陈代　英等人首先理论计算了薄膜片受压后的变形情况，并将　元件，并通过实验加以验证　。赵艳等人设计了一种圆膜　片上附带光栅固定柱的土压力传感器，从而避免了土峰分　ＦＢＧ粘贴于自行设计的膜片上，通过实验验证传感器在所　收稿日期：２０１５－－０９－０９　基金项目：云南省应用基础研究计划资助项目（２０１３ＦＺ０２１）；国家自然科学基金资助项目（ＫＫＧＤ２０１２０３００４）　第６期　李凯，等：ＦＢＧ可变灵敏度压力传感器设计　７ｌ　３　８７５　３．４９２　董　３．１０４　２．７１６　２．３２８　删删　１．９４０　１．５５２　１．１６４　０．７７６　Ｏ３８８　０　距圆心距离／ｃｍ　图４　１０　ｃｍ工作半径和０．１ＭＰａ压力下变形图　Ｆｉｇ　４　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍａｐｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　０．１　ＭＰａ　ｗｉｔｈｉｎ　１０　ｃｍ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｒａｄｉｕｓ　２．５６１　２．３０４　Ｅ　２．０４８　量　１．７９２　向田ｌ　１．５３６　１．２８０　１．０２４　０　７６８　０　５１２　０　２５６　０　距圆心距离／ｃｍ　图５　９ｃｍ工作半径和０．１ＭＰａ压力下变形图　Ｆｉｇ　５　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍａｐｓ　ｕｎｄｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　０．１　ＭＰａ　ｗｉｔｈｉｎ　９　ｃｍ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｒａｄｉｕｓ　１．５７９　１．４２２　１．２６４　１．１Ｏ６　０　９４８　０．７９０　０．６３２　０．４７４　０＿３１６　０．１５８　０　距圆心距离／ｃｍ　图６　８ｃｍ工作半径和０．１ＭＰａ压力下变形图　Ｆｉｇ　６　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍａｐｓ　ｕｎｄｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　０．１　ＭＰａ　ｉｗｔｈｉｎ　８　ｃｍ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｒａｄｉｕｓ　如表１。从图７中可以发现，在每种工作半径下，传感器都　具有很好的线性度，当薄膜片工作半径分别为ｌＯ，９，８　ｃｍ　长度下，灵敏度分别为３８．４４，２５．６２，１５．７９　ｍｍ／ＭＰａ，通过　灵敏度变换阀，变换薄膜片工作半径，从而实现了对于传感　器探头灵敏度的变换。　表１薄膜片不同工作半径下中心变形量统计表　Ｔａｂ　１　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｅｎｔｅｒ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ｆ．１ｍ　ｓｈｅｅｔ　ｗｉｔｌｌ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｒａｄｉｕｓ　３结论　本文针对工业，特别是电力行业对于不带电压力监测　和多种灵敏度的需求，设计了一种ＦＢＧ可变灵敏度压力传　感器。所设计传感器通过薄膜片受到压力作用后产生变　形，利用裸光栅栅距变化反映压力的大小。通过有限元仿　童　喜　出　趟　Ｕｌｏ　ｏ．，　Ｕ．　ｏ．９　１．Ｕ　１．１　１．Ｚ　１．ｊ　１．４　１．，　压力／ＭＰａ　图７薄膜片在不同工作半径下的压力一变形量　Ｆｉｇ　７　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ｉｆｌｍ　ｓｈｅｅｔ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｒａｄｉｕｓ　真显示：最大变形出现在薄膜片中心位置，当Ｏ．１　ＭＰａ压力　作用下，工作半径分别为ｌＯ，９，８　ｃｍ，对应的中心位置变形　分别为３．８７５，２．５６１，１．５７９ｍｍ，即薄膜片工作半径越大时，　在相同压力作用下，其相应的变形越明显，灵敏度也就越　高。通过灵敏度变换阀改变膜片工作半径，在工作半径分　别为１Ｏ，９，８　ｃｍ状态下，施加０．６～１．５ＭＰａ的压力，灵敏度　分别达到３８．４４，２５．６２，１５．７９ｍｍ／ＭＰａ，且具有良好线性。　实现了利用灵敏度变换阀改变膜片工作半径，从而改变　ＦＢＧ压力传感器探头的灵敏度。　参考文献：　［１］蔡安，印新达，常晓东，等．具有温度补偿的膜片型光纤光　栅温度压力传感器［Ｊ］．传感器与微系统，２０１３，３２（４）：９８—　１００．　［２］　张颖，刘志国，郭转运，等．高灵敏度光纤光栅压力传感器　及其压力传感特性的研究［Ｊ］．光学学报，２００２，２２（１）：８９—　９１．　［３］傅海威，傅君眉，乔学光．基于平面膜片的高灵敏度光纤　Ｂｒａｇｇ光栅压力传感器［Ｊ］．传感器技术，２００３，２２（１０）：６０—　６２．　［４］　陈代英，莫德举．光纤布拉格光栅压力传感器的研究［Ｊ］．北　京化工大学学报，２００７，３４（３）：３１８－－３２０．　［５］殷小峰，姜暖，杨华勇，等．基于弹性薄片封装的高灵敏度　光纤光栅压力传感器［Ｊ］．光电子·激光，２０１１，２２（５）：６８１—　６８４．　［６］冉新涛，马少平，李西柳．光纤光栅压力传感器的理论建模及　实验研究［Ｊ］．应用光学，２０１４，３５（５）：８７３－－８７９．　［７］赵艳，张继军，邹虹，等．薄板挠曲型光纤Ｂｒａｇｇ光栅土压　力传感器［Ｊ］．应用光学，２０１５，３６（１）：１４５－－１４９．　［８］　李川．光纤传感器技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１２．　［９］孟立凡，蓝金辉．传感器原理与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，　２０１１．　作者简介：　李凯（１９９０一），男，辽宁阜新人，硕士研究生，主要从事监测　对象的有限元分析及光纤传感技术研究。　李川，通讯作者，Ｅ—ｍａｉｌ：１６２５６７７２５２＠ｑｑ．ＣＯｒｎ。