温度自补偿型光纤Bragg光栅土压力传感器设计

赵咏梅， 张继军， 潘国锋， 陈志军， 刘现收

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

温度自补偿型光纤Bragg光栅土压力传感器设计

赵咏梅， 张继军， 潘国锋， 陈志军， 刘现收

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

针对传统土压力传感器长期稳定性差、抗电磁干扰能力不强以及组网难度大等问题，根据传感器与土介质的匹配原则，设计了一种光纤Bragg光栅(FBG)温度自补偿土压力传感器，可实现温度和土压力2个参量的同时测量。对传感器灵敏度系数、匹配性等参数进行了理论分析计算。根据分析结果，加工封装传感器并对其进行了压力校准和温度自补偿性能实验。实验表明：传感器的输出波长分别与温度和土压力均呈线性关系，压力灵敏度系数为272.19 pm/MPa，输出分辨率为0.36 %，线性相关度为99.989 %；温度灵敏度系数为21.16 pm/℃，线性相关度99.998 %，在0～40 ℃范围内具有良好的温度自补偿能力，其性能参数符合工程应用要求。

光纤Bragg光栅； 土压力； 薄板挠曲； 温度自补偿； 匹配原则

0 引 言

传统测量土压力的传感器均为电磁类传感器，此类传感器在恶劣环境下存在长期稳定性较差、防潮性能差、组网功能差、易受电磁干扰；多点测量时布线多且复杂，不易组网等问题，难以满足长期安全监测的要求。基于光纤Bragg光栅(FBG)传感技术的土压力传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、质量轻、信号传输距离远、易于组网等优点，具有广阔的应用前景[1～7]。

国内外已经研究出了多种FBG土压力传感器。王俊杰等人[8]设计了一种差动式高灵敏度温度补偿FBG土压力传感器，该传感器灵敏度可达1 819 pm/MPa,但热稳定性较差，加工工艺要求较高；胡志新等人[9]设计了一种圆壳式硬心膜片式FBG压力传感器，该传感器的灵敏度为1 550 pm/MPa,能够进行温度自补偿，但迟滞和静态误差比较大，不适合长期使用；王晓洁等人[10]设计了一种聚合物压力传感器，将其用于沥青路面载荷的监测，该传感器灵敏度度高，使用寿命长，但其线性度较差，且未考虑温度补偿。以上设计均未考虑传感器与土介质的匹配问题，王花平等人[11]设计的圆薄板状双FBG土压力传感器，考虑了与土介质的匹配问题，灵敏度较高，但在使用过程中可能会产生啁啾现象。

本文设计了一种薄板挠曲型温度自补偿的土压力传感器，具有同时测温和测压的功能，且结构简单，易于加工。实验结果表明：该传感器的线性度高，回复误差小，重复性好，可满足实际工程使用要求。

1 土压力传感器结构设计与测量原理

1.1 土压力传感器与土介质的匹配原则[12，13]

在土体介质中测量自由场压力和结构压力时，传感器直接埋置在土介质中，由于传感器的物理和力学性质与周围介质不一致，势必改变介质原始应力场，产生应力集中和重分布现象，使得传感器测得的压力与该处原来的真实压力不相同，这就产生了土压力传感器的匹配问题。国内外关于土压力传感器匹配误差的研究成果表明，岩土压力传感器只有设计成刚性和饼状，匹配误差才能保证具有较小的稳定值。

自由场压力测量中应满足以下条件

(1)

(2)

式中Em为传感器敏感区等效杨氏模量；Es为覆盖介质的变形模量；H为传感器高度；d为传感器敏感区直径。

1.2 土压力传感器的结构设计

根据传感器与土介质的匹配原则，传感器的外观设计为圆饼状。传感器结构如图1所示，结构由承压膜片和底座两部分组成，两部分选用的基底材料相同。承压膜片由圆形弹性膜片与土压力光栅固定柱组成，固定柱与弹性膜片为整体加工成型的，以减小应力集中或应力不均的问题。传感器结构简单，易于加工封装。承压膜片与底座采用螺纹连接。承压部分采用弹性膜片作为传感器的弹性元件，弹性膜片上有两个对称的固定柱用来固定土压力测量光栅FBG1的两端。温度测量与补偿光栅FBG2的两端粘贴在底座中央。测量时，土压力测量光栅FBG1、温度测量与补偿光栅FBG2通过光纤光栅解调仪测量出两者的波长变化，由于两光栅同处一个温度场，其温度效应基本相同。将土压力测量光栅的漂移去除温度变化引起的波长漂移，就可得到土压力单独引起的波长漂移，解决温度补偿问题。同时可测得土介质中的温度变化。

图1 土压力传感器结构图Fig 1 Structure chart of soil pressure sensor

1.3 传感器测量原理

传感器的测量原理是通过圆形弹性膜片将土压力转换为光纤光栅可测的应变。其基本数学模型是弹性力学中的薄板小挠度弯曲问题[14]，由弹性力学的相关微分方程可知

(3)

(4)

其中,q为膜片所受的横向荷载，E和μ为膜片的弹性模量和泊松比，t为膜片的厚度，D为膜片的弯曲刚度，w为挠度。

对于圆形膜片的轴对称弯曲，弹性曲面微分方程将简化为

(5)

对式(5)进行求解，并利用相关边界条件可得

(6)

式中r为光纤固定柱到膜片中心的距离，a为弹性膜片的半径。

设固定柱高度为H，当弹性膜片受到压力时，其受力后发生弯曲变形如图2所示。通过几何变换，计算两固定柱之间光栅的应变量，将应变量与式(6)代入光栅灵敏度计算公式[15]可得传感器的灵敏度系数k

(7)

图2 承压膜片简化模型受力图Fig 2 Simplified model force diagram for pressure bearing diaphragm

1.4 传感器的匹配性计算

为了使埋入土介质的土压力传感器尽量减小对介质原始应力场的扰动，在设计土压力传感器时必须对其匹配性进行计算，计算公式见式(1)、式(2)。

所设计的传感器弹性膜片直径为60 mm，传感器高度为15 mm。弹性膜片的材料为304镍基不锈钢，杨氏模量Em取210 GPa。覆盖介质的变形模量Es取999.4 MPa。将各参量代入式(1)、式(2)可得

符合匹配性原则。

2 实验与结果分析

2.1 压力校准实验与分析

传感器校准系统由0.02级活塞式压力计标准装置、SM225型光纤光栅解调仪、FBG土压力传感器与传压装置组成。校准实验参照压力变送器检定规程(JJG 882—2004)进行，校准共选取23个压力点，从标准装置的测量下限0.1 MPa开始，步长为0.05 MPa，依次加压到传感器测量上限值，再逐点降压到0.1 MPa，记录各测点数据。加压为正行程，降压为反行程，连续进行3个循环。

对3个循环的测量数据进行分析处理，得到压力值与压力光栅FBG1中心波长的拟合曲线图如图3所示,拟合公式为y=0.272 19x+1 540.453。

图3 压力校准曲线图Fig 3 Pressure calibration curve

实测传感器灵敏度为272.19 pm/MPa，通过式(7)计算所得的灵敏度理论值为272.28 pm/MPa，二者基本一致。数据处理后获得传感器的相关性能指标：输出分辨率为0.36 %；回程误差为 1.6 % ；线性相关度为99.989 %；重复性为0.48 %；综合精度为1.7 %。

2.2 温度自补偿性能实验与分析

将所研制的土压力传感器放置在恒温恒湿箱内，温度下限取-1 ℃，步长为5 ℃，上限为41 ℃,每个温度点稳定0.5 h以上，再开始记录测量数据。对数据进行分析处理，得到温度与压力光栅FBG1与FBG2中心波长的变化曲线图如图4所示。FBG1的温度拟合公式为y=0.018 41x+1 540.039，线性相关度R=99.992 %； FBG2的温度拟合公式为y=0.021 16x+1 535.013，线性相关度R=99.998 %，温度灵敏度为21.16 pm/℃。

图4 土压力传感器中心波长随温度变化曲线Fig 4 Curve of central wavelength change of soil pressure sensor with temperature

实验结果表明:温度在0～40 ℃时，同一温度场中，光栅FBG1与FBG2随温度变化的线性相关度非常高，这为温度补偿提供良好的条件。在实际使用时， FBG2测量可得到实际的环境温度，再将环境温度值代入FBG1的温度拟合公式，即可得到压力光栅FBG1因温度变化而引起的波长变化，用FBG1实测的波长去除温度效应引起的波长变化，就可获得土压力引起的实际波长变化值，达到温度补偿效果。将实验数据进行反演，在0～40 ℃时，温度补偿效果良好,如图5所示。

图5 温度自补偿后零点压力与温度关系图Fig 5 Relation diagram of zero point pressure after temperature self-compensation with temperature

3 结 论

本文结合土压力传感器与土介质的匹配原则，以及FBG的应变和感温传感原理，设计了一种FBG土压力传感器，该传感器具有温度自补偿能力强，且能同时测量土压力和温度2个变量。选用304镍基不锈钢作为传感器的封装材料，增强了传感器在土介质中的长期服役能力。该传感器结构简单，能同时实现土压力0～1.2 MPa，温度0～40 ℃下的线性区分测量。压力灵敏度系数为272.19 pm/MPa，输出分辨率为0.36 %,回程误差为 1.6 % ,线性相关度为99.989 %,重复性为0.48 %,综合精度为1.7 %,温度灵敏度系数为21.16 pm/℃。其性能参数符合工程应用要求，在岩土材料压力监测领域将有着广阔的应用前景。

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Design of temperature self-compensation fiber Bragg grating soil pressure sensor

ZHAO Yong-mei, ZHANG Ji-jun, PAN Guo-feng, CHEN Zhi-jun， LIU Xian-shou

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an 710024,China )

Aiming at problem of poor long-term stability,and poor anti-electromagnetic interference capability and difficult networking of traditional soil pressure sensors,a fiber Bragg grating(FBG)soil pressure sensor is designed based on matching principle of soil medium and pressure transducer to fulfill temperature and soil pressure monitoring simultaneously.The sensitivity coefficient,matching are analyzed theoretically.According to analysis result,the sensor is packaged and its pressure is calibrated and temperature self-compensation property experiment are carried out.Experimental results indicate that output wavelength shows good linear relation with soil pressure and temperature individually,coefficient of pressure sensitivity is 272.19 pm/MPa,resolution ratio is 0.36 %,with a linear correlation of 99.989 %;temperature sensitivity coefficient is 21.16 pm/℃ with a linear correlation of 99.998 %,temperature self-compensation capability at range of 0～40 ℃ is good,which meet requirements of engineering application.

fiber Bragg grating(FBG); soil pressure; flexure of sheet; temperature self-compensation; matching principle

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0076—03

2014—04—15

TN 253

A

1000—9787(2014)12—0076—03

赵咏梅(1978-)，女，陕西蒲城人，硕士，工程师，研究方向为测试计量技术。