柔性光纤压力传感器的增敏结构设计

隋丹丹，张会新，张利平，洪应平，芦夜召，崔 凯

(1.中北大学，电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；2.北京遥测技术研究所，北京 100076)

0 引言

随着新材料和工艺技术的发展，压力传感器的应用领域越来越广泛。同时，人们对压力传感器也提出更高的要求，因此，越来越多的科研人员都开始了对柔性压力传感器的研究，以实现传感器的柔性、轻薄、可折叠等特点[1]。

根据压力传感器技术的不同，常分为压电式[2]、压阻式[3-4]、电容式[5-6]以及光学式[7-8]等。其中基于光学机理的光纤压力传感器具有抗电磁干扰、传输距离远、柔韧性好、便于复用、重量轻等优点，成为了学者们的研究热点[9]。根据测试方法的不同，光纤压力传感器的种类也多种多样。现今光纤测试方法主要分为光损耗[10]、 光时域反射(optical time domain reflectometry，OTDR)和光频域反射(optical frequency domain Reflectometry，OFDR)技术[11]。其中OFDR与OTDR技术是分布式测量的主流方法，可以检测到大范围传感区域内的信号变化。而且，与OTDR技术相比，OFDR空间分辨率不受信噪比和动态范围的制约[12]。

综合考虑，本文根据OFDR技术实时测量的光纤的应变值，从而实现对不同压力的检测。为了进一步提高光纤压力传感的灵敏度，提出一种膜片式倒凹槽结构的增敏模型，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性基底，普通单模裸光纤进行传感的光纤压力传感器。当传感器受到法向压力时，PDMS既能保护脆弱易断的光纤，又利用受压形变的带动作用，使光纤发生轴向拉伸。

1 传感器结构设计与原理分析

1.1 传感器结构设计及制作

传感器的三维结构及尺寸图如图1所示，上层的触头层为受力接触面，由PDMS制成。下层为带有圆形凹槽结构的薄膜层，内部嵌入未处理过的单模裸光纤，薄膜层同样由PDMS制得。

(a)传感器三维结构图

制作基于PDMS柔性衬底的压力传感器的工艺流程如图2所示。

图2 传感器的制作过程示意图

将PDMS (sylgard 184，dow corning)的预聚物和固化剂按照质量比10∶1进行混合，搅拌至混合物成奶白色后停止搅拌。然后将混合物放入真空烘箱中抽真空30 min，去除混合物中气泡。为了便于脱膜，需要在模具内部各个壁面上均匀的涂抹一层凡士林，然后将光纤放入模具中，并对光纤施加一定的预应力，其目的是使其绷直，减少测试时由于光纤未绷直带来的误差。接下来将脱泡后的PDMS混合液慢慢倒入处理好的模具中，静止2 h后放到60 ℃的加热板上，固化2 h得到柔性光纤压力传感器。

1.2 传感器测量原理分析

利用基于背向瑞利散射原理的OFDR系统，对光纤压力传感器进行检测。当在触头台上施加法向压力的时候，触头台发生形变，而下面的PDMS薄膜层整体被压缩，使内部光纤发生形变，增大了光纤轴向的应变，从而导致光纤的背向瑞利散射信号频率发生漂移，所以光谱漂移与光纤的应变成正比。通过对OFDR测量仪内部的参考臂与信号臂的测量信号进行快速傅里叶变换及相关运算，得到光谱漂移量。

(1)

式中：λ和Δλ分别为平均光波长和光的波长漂移值；v和Δv分别为平均光频率和光的频率漂移量；Ks为应变校准常数。

一般对于锗硅酸盐玻璃纤芯光纤，应变校准常数为

Ks=0.78

(2)

Ks主要由光纤纤芯的掺杂种类和浓度决定，其次还受到包层成分与涂覆层成分的影响。

计算出光纤频率的偏移量后，光纤的应变量可以用式(3)表示[13]：

(3)

因此经过OFDR测量仪内部进一步编码，可以导出相应的应变值。我们只需要得到应变与压力的关系，就可以准确测出所受压力的大小。

2 有限元仿真分析

采用Abaqus软件对传感器模型进行有限元仿真分析。首先对传感器建模，由于传感器的结构对称，所以采用二维轴对称单元模型进行计算。其次值得注意的是触头层和下面的柔性衬底的作用是进行力的传递，增加光纤的形变，因此仿真中选用Mooney-Rivlin超弹性模型设置PDMS材料的参数。同时，因为光纤(直径125 μm)相对于传感器的整体尺寸来说非常小，所以我们的仿真模型不包括光纤。

2.1 传感器受力变形分析

图3(a)和图3(b)为在100 kPa法向压力下的传感器形变图及轴向应变的分布情况。可以看出，增敏模型由于底部的倒凹槽结构，相比于普通模型来说对触头台下方的PDMS薄膜层没有向上的支撑力，约束减少，所以在同样载荷下，增敏模型会发生更大的形变。

(a)普通传感器模型

2.2 法向力作用下的传感器输出应变特性

图4(a)为增敏模型在100 kPa压力时，距离触头台不同深度d(参见图3(b)中标注)处的应变分布。从图中可以看出，在距离触头台底面不同深度的应变分布不一样，在触头台的正下方的位置(x为0～5 mm，参见图3(b))的应变比其他位置的应变分布更加均匀。仿真结构厚度为4 mm时，在深度d为3 mm处的应变较其他两个深度的应变更大。因此，可以确定光纤嵌入的位置以及测量点的位置为触头台的正下方3 mm处。根据图4(a)的分析结果，进行仿真，记录仿真中在触头台正下方深度为3 mm处不同压力所对应的应变，观察两种模型对灵敏度的影响，如图4(b)所示。由图4(b)，可以很明显发现，带有倒凹槽结构的光纤压力传感器的应变更大，从而实现增大灵敏度。

3 实验测试与分析

图5为制作的传感器实物图，左侧为传感器的上面结构图，右侧为传感器背面结构图。

(a)不同深度位置的应变分布

图5 传感器实物图

图6为传感器测试平台，将推拉力计安装在测试台上，通过上下移动推拉力计对传感器施加法向压力。将传感器内部光纤与跳线熔接，连接到OFDR测量仪(型号LUNA OBR4600)上，用于光纤轴向应变的测量。

图6 实验测试平台示意图

利用传感器测试平台对仿真结果进行验证。通过上下移动推拉力计对2种传感器进行施加法向力，范围是0～250 kPa,，记录实验数据，得到图7所示实际测量中两种模型对灵敏度的影响。可以发现，在100 kPa以内，压力与应变近似成线性关系；超过100 kPa，应变成指数增长。在0～100 kPa内普通模型和增敏模型的灵敏度分别为1.09/kPa和1.69/kPa，在100～250 kPa压力范围内，普通模型和增敏模型的灵敏度分别为1.58/kPa和3.35/kPa。实际测量数据得到的图7和图4(b)对比，符合仿真的结果。

图7 两种模型实际测量中对灵敏度的影响

根据图7的结果，超过120 kPa后压力和应变的线性度不佳，所以我们将压力范围设为0～100 kPa对传感器进行测量标定。所以，上下移动推拉力计，增量为10 kPa，记录10个数据，重复5次，得到图8所示的实验结果图。由图8可以看出测试结果具有很好的重复性，并且线性度均达到0.998以上，压力灵敏度为1.69/kPa。

(a)传感器的重复性

实验还测试了降压过程中压力与微应变的关系，实验范围依然是0～100 kPa，每次减少10 kPa，进行5次实验，结果具有很好的重复性，线性度均达到0.996以上。图9为传感器一次正反行程测试结果图。测试结果发现，每次升压结束后进行降压测试得到的微应变均小于加压时的微应变。分析造成迟滞的原因，可能是由于PDMS的弹性后效，施加一定压力后再降压，PDMS不能立即弹回。为了解决上述问题，决定调整PDMS的配比，改变触头台的弹性模量，相关实验正在进行。

图9 正反行程结果图

4 结论

本文提出了一种增敏结构的柔性光纤压力传感器，通过仿真和实验验证，该传感器能够有效的提高光纤压力传感器的灵敏度，且操作简单，成本低。在0～100 kPa的压力范围内，灵敏度由1.09/kPa提高到1.69/kPa，同时还具有很好线性度与重复性，可用于智能机器人、人造皮肤领域等领域。但是由于传感器的厚度还是有些大，影响了传感器的柔韧性，所以后期需要对传感器结构及材料进行优化，以及考虑阵列问题，实现分布式测量。