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基于光纤光栅的高压固体压力传感器研究

更新时间：2020-01-03 15:02:56 大小：1M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：压力传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

固体内部压力是国防科技领域需重点监测的参数之一,目前使用较多的测压设备均存在电磁干扰严重、可靠性及准确性差等缺陷。针对以上不足,本研究设计了光纤光栅耐高压固体压力传感器。采用平面薄板作为弹性承压膜片,利用压力作用下的挠度,拉动压力敏感光栅产生轴向位移,实现压力传感。根据测压范围,对其结构进行理论计算,并进行有限元仿真,验证了本设计的可行性。在恒温条件下,进行了压力校准实验,并通过处于同一温度场的温补光栅进行温度补偿,修正应变光栅的温漂。实验结果表明,构建的承压光栅(FBG)压力传感器可以进行压力传感,测压上限可达50 MPa,线性度为99.2%。


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45  
( FENXI HUAXUE)  
7
第 期  
第
卷
分析化学  
研究报告  
2017  
7
Chinese Journal of Analytical Chemistry  
980～986  
年
月
DOI: 10．11895/j．issn．0253-3820．170012  
基于光纤光栅的高压固体压力传感器研究  
1，2  
* 1  
郭红英  
王召巴  
1
2
(
，
中北大学信息与通信工程学院 太原  
030051)  
(
，
忻州师范学院电子系 忻州  
034000)  
，
固体内部压力是国防科技领域需重点监测的参数之一 目前使用较多的测压设备均存在电磁干扰  
摘
要
、 。 ， 。  
严重 可靠性及准确性差等缺陷 针对以上不足 本研究设计了光纤光栅耐高压固体压力传感器 采用平面  
， ， ， 。  
薄板作为弹性承压膜片 利用压力作用下的挠度 拉动压力敏感光栅产生轴向位移 实现压力传感 根据测压  
， ， ， 。 ，  
范围 对其结构进行理论计算 并进行有限元仿真 验证了本设计的可行性 在恒温条件下 进行了压力校准  
， ， 。 ，  
实验 并通过处于同一温度场的温补光栅进行温度补偿 修正应变光栅的温漂 实验结果表明 构建的承压光  
( FBG)  
， 50 MPa，  
压力传感器可以进行压力传感 测压上限可达 线性度为  
99．2%。  
栅
; ; ; ;  
关键词 光纤光栅 压力传感器 承压膜片 温度补偿 零点温漂  
1
引 言  
，
固体内部压力是国防科技领域中经常需要测量的一个重要指标 是判断整体结构是否会因变形过  
［1］  
，
大 而发生局部或整体的失稳破坏或导致丧失稳定性的重要依据  
，
如火箭发射过程发动机衬层内部  
、 ， 。 ，  
压力 武器系统中战斗部内部火炸药压力等 都需要测定固体内部压力 目前 主要采用钢弦式和应变  
， 、  
式土压力传感器对压力进行固体内部压力的直接测量 此类传感器在恶劣环境下存在测量范围有限 稳  
［2，3］  
、 、  
定性较差 防潮性能差 易受电磁干扰等缺点  
。
， ;  
利用光纤光栅进行压力传感 可以克服以上缺点 同  
， ， ， 。 、  
时 光栅传感器属于无源器件 无需现场供电 便于长期远距离分布式监测 特别是在易燃易爆 电磁干  
［4，5］  
、 ， ，  
扰 强辐射的恶劣环境中 更能体现出巨大优势 被越来越多地用于固体压力检测  
。1989 ，Mendez  
年
［6］  
，
等首先提出利用光纤光栅传感器进行混凝土结构检测 光纤光栅首次被报道应用于传感领域  
，
此后  
，
［7］  
。2000  
， Chang  
年 美国海军研究实验室的 等  
光纤光栅传感技术获得了快速持续发展  
釆用单层圆铝板  
， ; 、 、  
作为弹性元件 以不同方式封装光纤光栅测量土压力 美国 日本 德国等国家先后应用光纤光栅传感  
［8］  
［9］  
、 、 、 ，  
技术进行桥梁 隧道 大坝 路基等领域的安全监测 都取得了很好的监测效果  
。2010  
，
年 胡志新等  
［10］  
。2013 ，Li  
年 等  
设计了以硬中心平膜片作弹性元件的土压力传感器  
设计了基于双型梁的光纤光栅  
， 。 、  
土压力传感器 并用于监测北京某大桥现场的土压力 光栅固体压力传感器具有防潮性好 不受电磁干  
、 ，  
扰 易于分布式测量的优点 但是其测压范围都在  
5 ～ 6 Mpa  
。 、 、  
以内 随着航空母舰 高性能导弹 轰炸机  
， ，  
等高端武器装备的发展 对武器战斗部火炸药的内部压力监测提出了新要求 需要密切监测战斗部在受  
［11，12］  
、 ， ，  
热 撞击时 火药内部压力变化历程 能够实时检测  
40 MPa  
。
上述传感器已无法满足  
以上的压力  
。
测压要求  
，
本研究设计了一种光栅高压固体压力传感器 能够用于无法用电信号传输且需要测量高压的环境  
。
， 、 ，  
通过对结构增敏机理的理论分析 给出传感器膜片厚度 膜片材料以及所受压力之间的关系表达式 结  
， 。  
合测压范围计算出承压膜片的厚度 并根据其内部结构进行了有限元仿真 在验证了传感器在  
50 MPa  
， ， ，  
压力下可以正常工作的基础上 进行了实际的压力测试 实现了传感器校准 从而为此压力传感器的设  
。
计和制作提供了理论和数据指导 本传感器也可用于在电感耦合等离子体质谱法  
( ICP-MS)  
测定高纯  
［13］  
( Cu，Cr，Mn，Co，Ni，Cd，Fe  
Pb  
)
等
二氧化锡电极材料中关键性杂质离子  
和
时的高压环境测定过  
。
程中的压力监测  
2
实验部分  
2．1  
仪器设备  
2017-01-08  
; 2017-04-12  
收稿  
接受  
( No．11604304)  
( No．201657)  
资助  
本文系国家自然科学基金  
* E-mail: wangzb@ nuc．edu．cn  
和山西省高等学校科技创新项目  
7
:
郭红英等 基于光纤光栅的高压固体压力传感器研究  
第
期
981  
sm125  
(
光纤光栅解调仪 美国  
Micron Optics Inc  
) ; Jc202 (  
型电热恒温干燥箱 上海成顺仪器仪  
公司  
) ; BHY-160B  
(
活塞式压力计 中航工业太原太航科技有限公司  
) ; (  
专用夹具 中北大学机械  
表有限公司  
) 。  
加工中心  
2．2  
传感器设计  
，
根据光纤光栅对轴向应变与环境温度敏感这一基本原理 可将其封装成不同检测参数的传感器  
。
、 ， ， ，  
裸光栅的压力灵敏度较低 易断不耐压 不适合常规测量 必须对其进行封装处理 以达到压力增敏及抗  
［14］  
。
压保护的目的 根据固体力学及目前关于固体传感器匹配误差的研究结果  
，
，
传感器设计成圆饼状  
。
能够获得较为理想的检测值  
、
本实验设计的光纤光栅固体压力传感器结构由承压膜片 传感器外壳和不锈钢上盖三部分组成  
(
1) ， 。 。 、  
三部件选用的基底材料相同 承压膜片由圆形弹性膜片与固定柱组成 固定柱 弹性  
示意图见图  
， 。  
膜片及传感器外壳为整体加工成型的 以减小应力集中或应力不均的问题 传感器外壳与不锈钢盖采  
。 ，  
用螺纹连接 承压部分采用弹件膜片作为传感器的弹性元件 弹性膜片上的两个对称的固定柱用来固  
1( Fiber bragg grating 1，FBG1)  
。
的两端 通过圆形弹性膜片的弹性形变将固体压力转换为  
定承压光栅  
。
光纤光栅可测的应变  
3
2
B
A
a
a
b
b
5
4
6
1
。( A)  
; ( B) ab 。1，  
处结构剖面图 光纤  
; 2，  
固定柱  
; 3，  
图
光纤光栅压力传感器结构图  
传感器外形图  
; 4，  
应变光栅  
FBG1; 5，  
温补光栅  
FBG2; 6，  
不锈钢盖  
承压膜片  
Fig．1 Structure diagram of fiber bragg grating ( FBG) pressure sensor． ( A) Outline of sensor; ( B) Structural  
profile at a and b position． 1． Fiber; 2． Fixed column; 3． Pressure diaphragm．; 4． Strain grating FBG1;  
5． Temperature compensation grating FBG2; 6． Stainless steel cover  
［15］  
，
传感器的受力符合弹性力学中的薄板小挠度弯曲问题 由弹性力学的相关微分方程 可知  
:
2
2
d
d
1 d  
d w  
w
+
=
+
D
P
( 1)  
( 2)  
( 3)  
2
2
(
)
(
)
2
ρ
d
ρ
ρ
d
d
ρ
ρ
d
ρ
( 1)  
，
进行求解 并利用相关边界条件可得  
:
对式  
4
2
－
3PR ( 1  
)
μ
－
1
=
ω
2
3
(
)
4R  
16Eh  
=
( 2)  
，
可知 当 ρ  
0
，
时
由式  
4
2
－
3PR ( 1  
)
μ
=
ω
max  
3
16Eh  
，D  
，E  
，P ， ，  
为膜片所受的荷载 ω 为膜片中心挠度 ρ 为膜片上任意点与中心的  
其中  
距离  
为承压膜片的弯曲刚度  
; R  
; h  
，
为膜片的厚度 固定柱之间距离为  
L。  
和 μ 为膜片材料的弹性模量和泊松比  
为膜片半径  
h
，
要保证传感器正常工作于弹性范围内 须确保 ω≤  
。
304  
，
不锈钢 弹性模量  
传感器外壳材料采用  
3
=
E 194．02 GPa，  
泊松比 μ  
=
=
R 120 mm。  
0．27，  
传感器量程选取  
50 MPa，  
半径  
，
代入上述等式 可得承压膜  
15 mm。  
片厚度为  
=
L 40 mm，  
固定柱的高度为  
=
m 10 mm，  
2
承压膜片受压后发生如图 所示弯  
已知固定柱之间距离为  
，
曲变形 则固定柱处的挠度为  
:
L
ω
=
－
'
R
( 4)  
ω
(
)
R
2
，
通过计算 两固定柱之间的距离变化  
x
:
为

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