光纤光栅分布式压力传感器

【摘 要】 介绍了一种光纤光栅传感器在密闭环境中对应力变化实时监测的应用。随着外界应力的变化，光纤光栅的Bragg 中心发射波长将发生相应的移动。利用此特性，提出并实现了一种精密的用光纤光栅作为敏感元件测量密闭环境的压力变化的方法， 获得了光栅Bragg波长值与压力之间的曲线关系，最后对实验结果进行了分析。

【关键词】 光纤光栅 传感器 压力

1 引言

光纤传感器是当今光纤测量技术领域研究的热点课题之一，用这种结构新颖的传感器实现的测量系统，在测量现场可视为“全光学”式，在易燃易爆工况下尤为适用。本文针对特殊工况下的测量现场要求，提出基于光纤传感技术的分布式压力监测系统，它与传统的测量系统相比，测量现场完全无电，可应用于易燃易爆场合。

2 传感器原理及结构

2.1 光纤光栅传感原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅。光纤布拉格光栅的结构如图1所示。入射进光纤光栅的宽带光，只有满足一定条件的波长的光能被反射回来，其余的光都被透射出去。光纤光栅传感的基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动，通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量的测量。

根据光栅理论，对满足布拉格条件的光波产生反射，该光波的波长称为光纤光栅的中心波长，与折射率和光栅周期的关系为：

（1）

式中： 为反射波波峰处波长，即后向反射波长;Λ为光栅周期; 为光纤模式的有效折射率。

从上式可以看出，改变光栅的有效折射率或光栅周期，就能改变光栅反射中心的波长。利用这一特性，可以将光纤光栅用于许多物理量的测量。当光栅所受应变（应力）和其周围温度发生变化时会导致其芯区的有效折射率n和光栅周期Λ发生变化，从而使布拉格波长发生偏移[1]。通过检测反射波长的偏移量，即可获得相应的应变（应力）和周围温度的大小。

当环境温度不变，光纤光栅只受应变作用时，其中心反射波长的相对变化为：

（2）

对于普通光纤=0.22。对于裸光栅应变系数为1.2pm/。

对于裸光栅而言，由于剥掉光纤涂覆层造成的损伤，通常当光栅被直接拉伸到谐振波长漂移2nm左右时，光栅即被折断。为了增加光栅的韧性，常常将光栅粘贴在某个附体上，这样光纤光栅拉伸漂移量可达到数十纳米。

2.2 结构

该FBG压力传感器主要由圆盘基座，传感探头和碟形弹簧组成。传感探头是一个弹性元件，在其表面有一凹槽，用美国生产的型号为EPO-TEK 353ND胶将光纤光栅粘贴在凹槽内。用蝶行弹簧将传感探头安装在圆盘基座里，在圆盘基座安装多个传感探头，并将其串接就构成了分布式压力传感器。

3 实验及结果

光纤光栅压力传感系统的基本构成由两大部分组成：传感光栅、解调仪，示意图如图2所示。待测量加在传感光栅上，光源出射的光在FBG中传输时，Bragg反射光波的中心波长产生漂移，经耦合器导入解调仪，在分析仪中可检测出，从而确定待测量。

对传感器进行压力测试实验，实验过程分别对每个FBG进行测试压力，由0-10Kg，每次增加1Kg，压力由电子秤加载，光纤光栅的中心波长由解调仪检测。

实验选择的光纤光栅的中心波长分别为1285nm，1291nm和1297nm。实验数据如表1示。

从图中，可以得到6个结论。

（1）检测范围：实验中设计的传感器的测量范围最大10kg（根据需要，测量范围可设计得大于12kg，但不能太大），实际测量中稍大于12kg也可以测量，但灵敏度很差，测量的数据很不准确。

（2）线性度：从0kg到10kg区域，FBG1的线性拟合度达0.98767， FBG2的线性拟合度达0.99018，FBG3的线性拟合度达0.9895。在这一测量范围具有很好的线性度。

（3）灵敏度：从0kg到10kg区域，FBG1的灵敏度为0.4727nm/kg，FBG2的的灵敏度为0.30601nm/kg，FBG3的的灵敏度为 0.39561nm/kg。

（4）精度：在本实验中，影响测量精度的主要因素有两方面：一是解调仪的测量精度;二是实验装置自身引起的误差。而且主要取决于解调仪，实验采用的解调仪的测量分辨率为1pm.精度为±5pm。

（5）重复性：经过反复多次测量，所得各条曲线都很靠近，证明其重复性很好。

（6）对压强具有很好的响应性，没有发生迟滞现象。

4 结语

光纤光栅是一种新型光子器件，具有良好的发展前景。用光纤光栅作为传感元件，可实现精密位移量的测量.实验结果具有良好的线性度，在10公斤力的检测范围内，使传感测量精度达到±3.487 nm。这种新型的光栅位移传感器容易封装，可定量机械加工，传感器具有结构精巧、重量轻、尺寸小、准确度高、重复性好等优点，可以用于实现特殊环境压力变化的测量。