温度精度补偿的光纤光栅土压力传感器

吴国军，何少灵，桑卫兵

（中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江杭州 310023）

0 引言

土压力传感器主要用于堤坝、边坡、路基等结构体内部土体的压力[1-2]。传统的土压力传感器主要基于电阻应变式和振弦式两种原理[3]，但这两种类型的土压力传感器普遍存在长期稳定性差、易受电磁干扰、分布式测量难以实现等不足[4]。

光纤光栅作为一种较新型的光纤无源器件，具有本质安全、抗电磁干扰、使用寿命长、易于组网等优点，基于光纤光栅的土压力传感器也渐渐成为人们研究的热点。王花平等人提出了一种光纤光栅土压力传感器，将一根受力光栅粘贴于圆薄板中心处，通过圆薄板将土压力转换为光栅可测的应变量。但由于其是将光纤光栅完全于薄板粘贴，在薄板产生挠度时，易造成光栅的啁啾，引起光栅波峰的展宽或分裂，导致测量精度下降[5]。赵艳等人提出一种圆平膜片薄板挠曲型光纤光栅土压力传感器，将光栅粘接固定于一组对称的光栅固定柱上，在实现压力增敏的同时避免了传感器在测量过程中产生啁啾现象[6]。但其在温补光栅的处理上还存在以下两个问题：（1）温补光栅和测压光栅光路相互独立，增加系统的复杂程度；（2）温补光栅粘贴于底座上，且双端出纤，无法确保其在测量过程有评测外界应力影响，无法有效保证温度补偿精度。

针对上述存在的几个问题，本文论述了一种新颖的光纤光栅土压力传感器，完成压力测量功能的前提下，又实现了精确温度补偿的最终目标。通过实验结果可知，该款光纤光栅压力传感器在不同温度下所获得的压力值的范围小于0.4%FS；基于0.5 MPa的压力测量范围下，压力精度有0.38%FS。

1 工作机理

如图1为温度精确补偿的光纤光栅土压力传感器。该传感器结构具有平面膜片特点，整体呈扁圆柱体状。其中的测压光栅两端固定于膜片中心处，且对其施加一定大小的预拉力。当膜片在外界压力作用下向内弯曲，从而拉伸测压光栅，使其中心波长产生漂移，通过检测该漂移量，即可反推出所施加压力的大小。温补光栅与测压光栅串联，其单端固定，栅区呈完全自由状态，因而不受外界应力影响，可以精确测量其所处环境的温度量，对测压光栅在测量过程中因温度引起的波长漂移量实现较为精确的补偿。

图1 传感器结构布局图Fig.1 Schematic diagram of the proposed pressure sensor

在实施压力测量中，传感器结构中的测压光栅模块同时受到压力和温度的两重影响，而温补光栅只受到温度影响，不受压力影响。在光纤光栅线性作用范围内，测压光栅与温补光栅的波长与温度及压力变化存在如下关系：

其中，λP为测压光栅的波长，λT为温补光栅的波长，KT1为测压光栅的温度系数，KP1为测压光栅的压力系数，KT2为温补光栅的温度系数，P为环境的压力，T为环境的温度。将（1）、（2）式约去T，即可得：

可见，λ与P成正比。当获得λ的数值，可求出压力值。

2 实验结论与探究

传感器在实验过程中所用的测压光栅和温补光栅的初始波长分别约为1 535.6 nm和1 550 nm。对测压光栅施加一定大小的预拉力，使其波长均增大约0.5 nm。光纤光栅中心波长的测量采用Micro Optics公司生产的SM130解调仪，波长解调精度1 pm。土压力传感器的材料选用不锈钢，其外壳直径为40 mm，厚度为5 mm。平面膜片的有效受压面直径为30 mm，厚度为1.4 mm。测压光栅与膜片之间用Epoxy TEK 353ND胶进行粘接。光栅的尾纤通过光纤松护套和铠装护套进行保护。传感器实物图如图2所示。

图2 传感器实物图Fig.2 Physical map of the proposed sensor

2.1 压力性能测试

试验中采用水压来模拟实际使用中的土压力。将传感器放置于压力罐内，调节压力罐内的压力值，以0.1 MPa的间隔逐渐加压，从0 MPa开始至0.5 MPa，记录下各个压力测试点温补光栅及测压光栅的波长数值。后将测压光栅及温补光栅的压力与波长值进行数值拟合，得到的拟合结果如图3所示。

图3 测压光栅、温补光栅与压力的关系曲线图Fig.3 Relations of both FBGs with the pressure

从图3中可以看出，温补光栅的波长对压力完全不敏感，其波长起伏源于解调仪在自身精度范围内的随机波动。测压光栅的波长则与压力存在较好的线性关系，线性拟合度为1.0000，进而保证传感器可高精度有效测压。其中测压光栅的压力系数达到917.8 pm/MPa，又确保了传感器可以高分辨率测量。

表1 传感器压力精度测定Table1 Precision test of the sensor

在测定压力精度中，将标校后的传感器放置在压力罐内，通过施加不同的压力，压力测量值由软件实时读取。压力罐内的压力值以标准压力表（FLUKE 2700G）作为参考。测试结果见表1。可知在0.5 MPa的量程内，传感器的压力精度可达0.38%FS'。

2.2 温度性能测试

测试传感器的温度性能时，将传感器放置于恒温水槽内，以9℃的间隔调节水槽的温度从0℃开始升至45℃，记录各个温度测试点下测压光栅及温补光栅的波长数值。将测压光栅及温补光栅的波长与温度进行数值拟合，获得测压光栅及温补光栅的温度系数，如图4、5所示。其中恒温水槽内的实际温度由高精度温度计读取。

图4 测压光栅及温补光栅的波长与温度的关系曲线图Fig.4 Wavelength relation of PS FBG and the temperature

图5 温补光栅的波长与温度的关系曲线Fig.5 Wavelength relation of TC FBG and the temperature

为了简化算法，测压光栅的波长与温度的数据拟合采用线性拟合的方法进行，从图中可以看出，其线性拟合度达到了0.999 9，温度系数为0.025 9 nm/℃。而在将温补光栅的波长与温度的数据拟合中，采取了二次拟合的方式，使其波长与温度的拟合度达到了1.000 00，确保了其测温精度，从而为测压光栅提供精确的温度补偿。

2.3 温度补偿性能测试

将传感器置于某一温度的恒温水槽中，利用传感器的各项参数及解调仪测得的波长值解算出经过温度补偿后的压力测量值，并观察该压力值在不同温度下的波动，测试结果如图6所示。

图6 不同温度下的压力测量值波动曲线图6 Variation of the measured pressure under different temperature

从图6中可看出，经过温度补偿后的压力测量值基本保持不变，最大的波动小于0.002 MPa（0.4%FS），说明传感器在不同的温度条件下，温补光栅能够精确的温度补偿。

3 结论

本文提出一种新颖的基于温度补偿的光纤光栅土压力传感器。该传感器结构具有平面膜片特点，膜片在外界压力作用下产生向内的挠度拉动测压光栅以实现压力传感。传感器引入串接的温补光栅，且栅区呈自由状态，使之对外界压力不敏感，可以在测压过程中做到温度精确补偿。实验中，传感器在不同温度下压力测量值的变化范围小于0.4%FS；在0.5 MPa的压力测量范围内，压力精度达到了0.38%FS。