基于光纤光栅的压力测量传感器的设计与性能分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着光纤通信的迅速发展，光纤传感器作为新型的传感器，已经成功运用到各个工程测试领域，发挥着举足轻重的作用。其中，光纤光栅传感器的表现尤为突出。光纤传感器与其他机械、电子类传感器相比，光纤传感器具有以下特点:

1)抗电磁干扰:一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

2)电绝缘性能好，安全可靠:光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

3).耐腐蚀，化学性能稳定:由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

4)体积小、重量轻，几何形状可塑。

5)传输损耗小:可实现远距离遥控监测。

然而由于光纤光栅传感器同时也存在一定的应用难点。

1)对应力和温度同时敏感，所以光纤光栅压力传感器目前多用于高温高压的测量中，在普通温度低压力的情况下，温度压力交叉灵敏的问题尚未有很好的解决。所以目前光纤光栅的灵敏度还有进一步提高的空间。

2)光纤光栅封装工艺复杂。虽然光纤传感器抗拉性能良好，但由于光纤布本身抗剪切能力弱，特别是光纤布拉格光栅处，刻栅时去除涂覆层二次涂覆制作，更容易因为不小心操作而断纤。如何大规模生产，如何制定封装工艺和传感器结构，提高传感器本身长期稳定性需要进一步的研究。

基于应变片式轮辐式的压力传感器虽然也可以达到测力的作用，但是测量精度和测量范围都不如基于光纤光栅的轮辐式压力传感器。轮辐式传感器实物图见下图1。光纤光栅传感器具有很多无可比拟的优点使得它成为当前传感器领域研究的热点。近年来，诸如感测应变、应力、位移、曲率、角度、压强、电流、电压、频率等类型的光纤光栅传感器已有报道。但是由于光纤光栅对温度和应变的交叉敏感特性，使其应用受到一定程度的限制。此次设计将充分考虑光纤光栅传感器温度对测力的影响，消除温漂，使其可以在很多不同的场合使用，例如，在大型土木结构体的应、地深处矿井支架的形变、石油井下油气的压力、栅变深海舰艇外壳的压强等参量的实时监测中。

图1 轮辐式光纤光栅压力传感器实物图

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

设计一款基于光纤光栅的压力测量系统。系统利用安装在轮辐上的光纤光栅，将压力转换为应变以实现压力的测量。要求完成传感器结构设计、性能理论分析以及温度、应变解耦的系统软件设计。

2.2研究目标

1）熟练掌握光纤布拉格光栅的工作原理，了解弹性体应力应变特性，分析光纤布拉格光栅的应变、压力传感特性;

2）轮辐式压力传感器材料选择，结构设计，光纤光栅粘贴方式以及性能分析。

2.3技术方案

1）单根光栅贴在轮辐

当作用于光纤光栅的被测物理量(如温度，应力等)发生变化时，将引起和的相应改变，从而导致的漂移。反过来，通过检测的漂移，即可得知被测物理量的信息。

2）两根光栅实行温度补偿

由于光纤光栅对温度和应变的交叉敏感特性，使得应用其只测应变时会受到温度的干扰，所以在设计压力传感器的过程中要考虑温度补偿。这里采用增加辅助光栅的方法实现温度补偿，这样可以最大限度的削弱温度对测量结果的影响，以保证测得数据的准确性。

本次设计可以采用一个具有抗剪切的对称四轮辐传感机构，将光栅串中的两个布拉格光栅作为传感元件，分别与中性轴线组成相同的角度粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置，研制出自动温度补偿型光纤光栅压力传感器。

2.4技术路线及措施

1）单光栅

在特定的环境温度下做单个光栅的的压力传感器，将光栅粘贴在其中一个轮辐上，使其与中性轴线成的角，这样只有一个光栅的情况下的漂移可表示为

(1)

式中，为应力,为温度的变化量。因此由上式可知，在排除或者忽略温度变化影响的时候，光纤光栅Bragg波长的变化仅与应力的变化相关，且是成正比的。根据这一原理即可利用光纤光栅来测量压力得变化。

表征轮辐式光纤光栅压力传感器的基本特征的关系式为

(2)

即Bragg波长变化与它所感受到的压力F成正比，与材料的弹性模量E和弹性体的几何尺寸A成反比。其中为光纤Bragg光栅的应变灵敏系数。

2）两根光栅实行温度补偿

传感器的机构和原理示意图如图2所示：

图2 轮辐式光纤光栅温度补偿型测力传感器的原理示意图

在传感机构中，将光纤光栅串中波长分别为, 的两个光纤布拉格光栅FBG1和FBG2作为传感元件，分别与中性轴线成相同的角度(或

)粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置。由光纤光栅传感原理可知，当轮毅顶部受到均匀垂直压力F作用时，该力通过轮辐的剪应变对粘贴其侧面上的两个光纤光栅产生拉伸或压缩效应，其中FBG1受到拉伸作用，FBG2受到压缩作用，从而导致两个光栅的周期发生变化。考虑到光纤光栅的温度效应，与力F和温度变化△T的关系分别为

(对FBG1) (3)

(对FBG2) (4)

式中，和，分别为传感器中两个光纤光栅的力和温度的灵敏度系数，由于两个光纤光栅的粘贴材料一致，调整粘贴位置和角度并使之一致，可使，。于是，由力F引起的光栅串的波长差为，可得光栅串波长与外力F的关系为

(5)

式中为力F的灵敏度系数。上式说明利用该技术路线，能够实现温度自动补偿的压力测量。

3. 研究计划与安排

2.22－3.13：明确设计任务，查阅资料，完成开题报告；

3.14-4.24：完成系统硬件设计、仿真、实物制作任务；

4.25-5.15：完成系统软件设计、调试任务；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] weigang zhang, enbang li, jiantao xi,joe chicharo,xiaoyi dong.novel temperature-independent fbg-type force sensor.iopscience,2005 meas.sci.technol.16 1600.

[2] yong zhao,yan zhao,mingguo zhao.novel force sensor based on a couple of fiber bragg gratings. measurement,july 2005.

[3]yong zhao,kun chen,jian yang. novel target type flowmeter based on a differential fiber bragg grating sensor,measurement 38 (2005) 230-235.