一种新型FBG微力传感器*

张智禹, 于文革

(沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136)

0 引 言

微力传感器是微传感器的一种。它是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品,其原理是将力转换成电信号输出的器件。最常见的微力传感器有压阻式、电容式、谐振式3种。目前,微力传感器的量程范围很小且灵敏度低，很难对更加微小的力进行测量[1]。同时在进一步提高灵敏度的研究过程中，遇到了如下几个问题：l)非线性随着灵敏度提高变差；2)灵敏度提高，稳定性变差；3)过载能力不够；4)静电封接时背岛与玻璃片粘接[2]。

近年来，光纤Bragg光栅(FBG)在光纤传感方面的应用越来越受到人们的重视。FBG作为传感元件，具有抗干扰能力强﹑体积小﹑质量轻﹑附加损耗小等特点,并且具有独特的传感信息波长编码和易于实现分布式传感的优点[3,4]。但是,裸FBG的拉力灵敏系数较小，这给信号检测带来了不便，制约了光栅在力测量中的应用，因此，提高FBG灵敏度是使光纤光栅进入实用化测量需解决的关键技术。经研究用聚合物对光纤光栅进行封装处理是提高其灵敏度的重要方法[6,7]，此外，聚合物封装还可增加FBG的强度，从而增加其环境适应性。因此，用聚合物封装提高FBG拉力灵敏度一直以来是国内外专家研究的重点。

本文利用FBG的特点设计制作了一种微力传感器。该传感器利用杠杆原理，将作用力在光栅端放大，起到力增敏作用。当作用力在0～1.666 N变化时，其拉力灵敏度为0.952 nm/N，是裸光纤拉力灵敏度的3.81倍。

1 拉力传感原理

由耦合模理论[8]可知，FBG的中心反射波长为

λB=2neffΛ,

(1)

式中neff为导模的有效折射率；Λ为光栅周期。由式(1)可知，FBG的中心反射波长λB随neff和Λ的改变而改变，压力对Bragg波长λB的影响是由FBG周期地伸缩和弹光效应引起的。

当温度不变，若沿光纤轴向施加拉力F，根据胡可定律，光纤产生的轴向应变为

(2)

式中E为光纤的杨氏模量，S为光纤的横截面积。

拉力F所引起的Bragg波长的变化为

(3)

式中Pe为单横石英光纤的有效弹光系数。

2 微力传感器增敏封装原理

该设计结构如图1所示，将FBG用聚合物[9]封装成均匀柱体，聚合物底端固定在外壳底板上，上端固定在杠杆的一端，为了保证其受力能在竖直方向，在聚合物旁竖立一根钢管，圆环和杠杆前端固定，圆环可以在钢管上滑动，当力作用于有机物封装的FBG处时，通过杠杆原理扩大作用力，使其起到拉力增敏的作用。

图1 微力传感器结构示意图

当P2作用于有机物封装的FBG处时，由杠杆原理可知，杠杆另一端产生向上的拉力P1为

(4)

式中l2为受力杆到支点的长度，l1为聚合物作用点到支点的长度(l2>l1)。

将式(3)带入式(4)中可得FBG反射波长的变化为

(5)

式中E′为聚合物的杨氏模量，S′为聚合物的横截面积，该结构的拉力灵敏度系数为

(6)

3 实 验

实验室温度为22 ℃,并假设温度不发生变化。实验所用光栅中心波长为1 560 nm，其反射率大于85 %。所用聚合物杨氏模量E=109Pa，泊松比μ=0.4，封装后其直径为4 mm，长度为8 cm，杠杆前端l1长度为6 cm，后端l2长度为30 cm，即l2/l1=5，杠杆为直径5 mm的钢棒。在杠杆的受力端有机封装的FBG处添加砝码，通过改变砝码的质量而改变压力，每次加砝码10 g。实验用解调仪的分辨率为1 pm，在电脑上读出每次压力改变引起的中心波长的变化量。

实验测量数据如表1所示。

数据代入式(6)可得kρ=1.24×10-3/N，裸光纤光栅的拉力灵敏度系数为1.61×10-4/N,该结构的拉力灵敏度理论值是裸光纤的7.71倍。

表1 测量数据

通过表1可知中心波长和微力的关系如图2所示。

图2 中心波长和微力的关系图

由图2可以看出：中心波长和微力具有良好的线性关系，其线性方程为y=0.952x+1 559.837，其线性拟合度为r2=0.999 3，此传感器的拉力灵敏度为0.952 nm/N,是裸光纤的3.81倍(裸光纤的拉力灵敏度为0.25 nm/N)。

封装后的微力传感器的理论灵敏度是裸光纤的7.71倍，实验值比理论值小的原因主要如下：

1)杠杆不是完全的刚体，受力时会发生形变；

2)圆环和钢管之间运动时会有摩擦力；

3)聚合物受力时会产生切向的分力。

4 结束语

为了提高FBG的微拉力灵敏度,本文采用杠杆结构和聚合物结合的封装方法。封装后，作用力每变化0.098 N

使波长变化0.952 nm，实现了对微力的高度敏感,其灵敏度是裸光纤灵敏度的3.81倍,并且提高了对微拉力的测量量程。该传感器利用光栅独有特点可以有效地避免原始微压力传感器在提高灵敏度过程中遇到的问题。它是一种新型的微力传感器，具有很大的发展潜力。

参考文献:

[1] 郑玮玮,刘学观,赵光霞.微压力传感器参数设计及灵敏度分析[J].仪表技术与传感器,2011(7):15-17.

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[8] Hocker G B.Fiber optic sensing of pressure and temperature [J].Appl Opt,1979,18(9):1445-1448.

[9] 文庆珍,苑秉成,黄俊斌.光纤光栅压力传感器封装增敏技术[J].海军工程大学学报,2005,17(3):1-4.