吳國(guó)軍，何少靈，桑衛(wèi)兵

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江杭州 310023）

0 引言

土壓力傳感器主要用于堤壩、邊坡、路基等結(jié)構(gòu)體內(nèi)部土體的壓力[1-2]。傳統(tǒng)的土壓力傳感器主要基于電阻應(yīng)變式和振弦式兩種原理[3]，但這兩種類型的土壓力傳感器普遍存在長(zhǎng)期穩(wěn)定性差、易受電磁干擾、分布式測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)等不足[4]。

光纖光柵作為一種較新型的光纖無(wú)源器件，具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、使用壽命長(zhǎng)、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，基于光纖光柵的土壓力傳感器也漸漸成為人們研究的熱點(diǎn)。王花平等人提出了一種光纖光柵土壓力傳感器，將一根受力光柵粘貼于圓薄板中心處，通過(guò)圓薄板將土壓力轉(zhuǎn)換為光柵可測(cè)的應(yīng)變量。但由于其是將光纖光柵完全于薄板粘貼，在薄板產(chǎn)生撓度時(shí)，易造成光柵的啁啾，引起光柵波峰的展寬或分裂，導(dǎo)致測(cè)量精度下降[5]。趙艷等人提出一種圓平膜片薄板撓曲型光纖光柵土壓力傳感器，將光柵粘接固定于一組對(duì)稱的光柵固定柱上，在實(shí)現(xiàn)壓力增敏的同時(shí)避免了傳感器在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生啁啾現(xiàn)象[6]。但其在溫補(bǔ)光柵的處理上還存在以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）溫補(bǔ)光柵和測(cè)壓光柵光路相互獨(dú)立，增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度；（2）溫補(bǔ)光柵粘貼于底座上，且雙端出纖，無(wú)法確保其在測(cè)量過(guò)程有評(píng)測(cè)外界應(yīng)力影響，無(wú)法有效保證溫度補(bǔ)償精度。

針對(duì)上述存在的幾個(gè)問(wèn)題，本文論述了一種新穎的光纖光柵土壓力傳感器，完成壓力測(cè)量功能的前提下，又實(shí)現(xiàn)了精確溫度補(bǔ)償?shù)淖罱K目標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該款光纖光柵壓力傳感器在不同溫度下所獲得的壓力值的范圍小于0.4%FS；基于0.5 MPa的壓力測(cè)量范圍下，壓力精度有0.38%FS。

1 工作機(jī)理

如圖1為溫度精確補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵土壓力傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)具有平面膜片特點(diǎn)，整體呈扁圓柱體狀。其中的測(cè)壓光柵兩端固定于膜片中心處，且對(duì)其施加一定大小的預(yù)拉力。當(dāng)膜片在外界壓力作用下向內(nèi)彎曲，從而拉伸測(cè)壓光柵，使其中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，通過(guò)檢測(cè)該漂移量，即可反推出所施加壓力的大小。溫補(bǔ)光柵與測(cè)壓光柵串聯(lián)，其單端固定，柵區(qū)呈完全自由狀態(tài)，因而不受外界應(yīng)力影響，可以精確測(cè)量其所處環(huán)境的溫度量，對(duì)測(cè)壓光柵在測(cè)量過(guò)程中因溫度引起的波長(zhǎng)漂移量實(shí)現(xiàn)較為精確的補(bǔ)償。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)布局圖Fig.1 Schematic diagram of the proposed pressure sensor

在實(shí)施壓力測(cè)量中，傳感器結(jié)構(gòu)中的測(cè)壓光柵模塊同時(shí)受到壓力和溫度的兩重影響，而溫補(bǔ)光柵只受到溫度影響，不受壓力影響。在光纖光柵線性作用范圍內(nèi)，測(cè)壓光柵與溫補(bǔ)光柵的波長(zhǎng)與溫度及壓力變化存在如下關(guān)系：

其中，λP為測(cè)壓光柵的波長(zhǎng)，λT為溫補(bǔ)光柵的波長(zhǎng)，KT1為測(cè)壓光柵的溫度系數(shù)，KP1為測(cè)壓光柵的壓力系數(shù)，KT2為溫補(bǔ)光柵的溫度系數(shù)，P為環(huán)境的壓力，T為環(huán)境的溫度。將（1）、（2）式約去T，即可得：

可見(jiàn)，λ與P成正比。當(dāng)獲得λ的數(shù)值，可求出壓力值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與探究

傳感器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用的測(cè)壓光柵和溫補(bǔ)光柵的初始波長(zhǎng)分別約為1 535.6 nm和1 550 nm。對(duì)測(cè)壓光柵施加一定大小的預(yù)拉力，使其波長(zhǎng)均增大約0.5 nm。光纖光柵中心波長(zhǎng)的測(cè)量采用Micro Optics公司生產(chǎn)的SM130解調(diào)儀，波長(zhǎng)解調(diào)精度1 pm。土壓力傳感器的材料選用不銹鋼，其外殼直徑為40 mm，厚度為5 mm。平面膜片的有效受壓面直徑為30 mm，厚度為1.4 mm。測(cè)壓光柵與膜片之間用Epoxy TEK 353ND膠進(jìn)行粘接。光柵的尾纖通過(guò)光纖松護(hù)套和鎧裝護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。傳感器實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 傳感器實(shí)物圖Fig.2 Physical map of the proposed sensor

2.1 壓力性能測(cè)試

試驗(yàn)中采用水壓來(lái)模擬實(shí)際使用中的土壓力。將傳感器放置于壓力罐內(nèi)，調(diào)節(jié)壓力罐內(nèi)的壓力值，以0.1 MPa的間隔逐漸加壓，從0 MPa開(kāi)始至0.5 MPa，記錄下各個(gè)壓力測(cè)試點(diǎn)溫補(bǔ)光柵及測(cè)壓光柵的波長(zhǎng)數(shù)值。后將測(cè)壓光柵及溫補(bǔ)光柵的壓力與波長(zhǎng)值進(jìn)行數(shù)值擬合，得到的擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 測(cè)壓光柵、溫補(bǔ)光柵與壓力的關(guān)系曲線圖Fig.3 Relations of both FBGs with the pressure

從圖3中可以看出，溫補(bǔ)光柵的波長(zhǎng)對(duì)壓力完全不敏感，其波長(zhǎng)起伏源于解調(diào)儀在自身精度范圍內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)。測(cè)壓光柵的波長(zhǎng)則與壓力存在較好的線性關(guān)系，線性擬合度為1.0000，進(jìn)而保證傳感器可高精度有效測(cè)壓。其中測(cè)壓光柵的壓力系數(shù)達(dá)到917.8 pm/MPa，又確保了傳感器可以高分辨率測(cè)量。

表1 傳感器壓力精度測(cè)定Table1 Precision test of the sensor

在測(cè)定壓力精度中，將標(biāo)校后的傳感器放置在壓力罐內(nèi)，通過(guò)施加不同的壓力，壓力測(cè)量值由軟件實(shí)時(shí)讀取。壓力罐內(nèi)的壓力值以標(biāo)準(zhǔn)壓力表（FLUKE 2700G）作為參考。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。可知在0.5 MPa的量程內(nèi)，傳感器的壓力精度可達(dá)0.38%FS'。

2.2 溫度性能測(cè)試

測(cè)試傳感器的溫度性能時(shí)，將傳感器放置于恒溫水槽內(nèi)，以9℃的間隔調(diào)節(jié)水槽的溫度從0℃開(kāi)始升至45℃，記錄各個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)下測(cè)壓光柵及溫補(bǔ)光柵的波長(zhǎng)數(shù)值。將測(cè)壓光柵及溫補(bǔ)光柵的波長(zhǎng)與溫度進(jìn)行數(shù)值擬合，獲得測(cè)壓光柵及溫補(bǔ)光柵的溫度系數(shù)，如圖4、5所示。其中恒溫水槽內(nèi)的實(shí)際溫度由高精度溫度計(jì)讀取。

圖4 測(cè)壓光柵及溫補(bǔ)光柵的波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線圖Fig.4 Wavelength relation of PS FBG and the temperature

圖5 溫補(bǔ)光柵的波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Wavelength relation of TC FBG and the temperature

為了簡(jiǎn)化算法，測(cè)壓光柵的波長(zhǎng)與溫度的數(shù)據(jù)擬合采用線性擬合的方法進(jìn)行，從圖中可以看出，其線性擬合度達(dá)到了0.999 9，溫度系數(shù)為0.025 9 nm/℃。而在將溫補(bǔ)光柵的波長(zhǎng)與溫度的數(shù)據(jù)擬合中，采取了二次擬合的方式，使其波長(zhǎng)與溫度的擬合度達(dá)到了1.000 00，確保了其測(cè)溫精度，從而為測(cè)壓光柵提供精確的溫度補(bǔ)償。

2.3 溫度補(bǔ)償性能測(cè)試

將傳感器置于某一溫度的恒溫水槽中，利用傳感器的各項(xiàng)參數(shù)及解調(diào)儀測(cè)得的波長(zhǎng)值解算出經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的壓力測(cè)量值，并觀察該壓力值在不同溫度下的波動(dòng)，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同溫度下的壓力測(cè)量值波動(dòng)曲線圖6 Variation of the measured pressure under different temperature

從圖6中可看出，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的壓力測(cè)量值基本保持不變，最大的波動(dòng)小于0.002 MPa（0.4%FS），說(shuō)明傳感器在不同的溫度條件下，溫補(bǔ)光柵能夠精確的溫度補(bǔ)償。

3 結(jié)論

本文提出一種新穎的基于溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵土壓力傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)具有平面膜片特點(diǎn)，膜片在外界壓力作用下產(chǎn)生向內(nèi)的撓度拉動(dòng)測(cè)壓光柵以實(shí)現(xiàn)壓力傳感。傳感器引入串接的溫補(bǔ)光柵，且柵區(qū)呈自由狀態(tài)，使之對(duì)外界壓力不敏感，可以在測(cè)壓過(guò)程中做到溫度精確補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)中，傳感器在不同溫度下壓力測(cè)量值的變化范圍小于0.4%FS；在0.5 MPa的壓力測(cè)量范圍內(nèi)，壓力精度達(dá)到了0.38%FS。