光纖光柵壓力傳感器

1、1 姓名：姓名： 潘金全潘金全 學(xué)號：學(xué)號： 1434041006 1434041006 題目：光纖光柵壓力傳感器題目：光纖光柵壓力傳感器 光子信息技術(shù)光子信息技術(shù) 1. 壓力傳感器 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力是進(jìn)行測量和控制的最基本參數(shù)之一。 力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片 壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感 器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。 電容式壓力傳感器電感式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 工程上常用的幾種壓力傳感器 1.1.液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì) 液柱式壓力計(jì)是以流體靜力學(xué)原理來測量壓力的。它們一般采用水銀或水為 工作

2、液，用U型管或單管進(jìn)行測量，常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的測量。 2.2.彈性式壓力表彈性式壓力表 彈性式壓力表是以彈性元件受壓后所產(chǎn)生的彈性變形作為測量基礎(chǔ)的。它結(jié) 構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，現(xiàn)場使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測量范圍，因此 在工程中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。 3.3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件壓阻元件，是基于壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)工作 的。所謂壓阻元件實(shí)際上就是指在半導(dǎo)體材料上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻， 當(dāng)它受外力作用時(shí)，其阻值由于電阻率的變化而改變。該傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體 積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，能測出十幾Pa的微壓，它

3、是一種 比較理想的壓力傳感器。但是，這種傳感器測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響， 從而影響壓阻系數(shù)的大小。 2 光纖壓力傳感器 p 除了上述幾種傳統(tǒng)的壓力傳感器 p 光纖光柵壓力傳感器能夠克服傳統(tǒng)電磁類壓力傳 感器的應(yīng)用局限性,具有本質(zhì)安全防爆，耐腐蝕, 抗電磁干擾能力強(qiáng)，信號傳輸距離遠(yuǎn)，易于實(shí)現(xiàn) 壓力的多點(diǎn)分布式測量和長期在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。 2.1光纖光柵的結(jié)構(gòu) p 它是利用光纖材料的光折變效應(yīng)光折變效應(yīng)，用紫外激光向光纖纖芯內(nèi)由側(cè)面 寫入,形成折射率周期變化的光柵結(jié)構(gòu)，這種光柵稱之為布喇格 （Bragg）光纖光柵。 p 根據(jù)光纖光柵的耦合模理論,當(dāng)一束寬帶光入射到光纖光柵中時(shí),折 射率的周期

4、性結(jié)構(gòu)使得某特定波長的窄帶光被反射,反射光的波長滿 足Bragg散射條件： effB n2 其中：B為Bragg波長（即反射光的中心波長）； 為光柵周期； neff為光纖光柵的有效折射率； 由上式可知,光纖光柵反射光的中心波長(光纖光柵波長)主要取決于光 柵周期和有效折射率neff 。 光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖 effB n2 p當(dāng)光纖光柵感受到外界環(huán)境溫度T或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，會引起光柵周期 和有效折射率的變化，從而引起反射光波長的偏移。 p因此，通過檢測光纖光柵反射光波長的變化，即可獲知外界溫度或應(yīng)變 信息，這就是光纖光柵傳感的基本原理。 3. 光纖光柵的應(yīng)力特性 當(dāng)外界有應(yīng)力作用于光纖光柵上時(shí)，

5、就會使光纖光柵被機(jī)械性的拉長而改變其光 柵常數(shù)，可以表示為： 式中x為考察點(diǎn)處軸向應(yīng)變。 x 彈光效應(yīng)使得光纖光柵折射率光纖光柵折射率發(fā)生變化： xe eff eff P n n 其中，Pe為彈光系數(shù) p 上式即為光纖光柵的波長變化波長變化與外界應(yīng)變外界應(yīng)變之間關(guān)系的表達(dá)式； p 式中K為纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，其大小與光纖材料密切相關(guān)，由光纖的 彈光系數(shù)、有效折射率和泊松比決定。 f h BF G l 2d 光柵 p下圖的光纖光柵應(yīng)變傳感器是一種懸臂梁應(yīng)變調(diào)諧機(jī)構(gòu)。 p當(dāng)光纖的材料確定后，K即為常數(shù)，光纖光柵波長變化光纖光柵波長變化與外界應(yīng)變外界應(yīng)變成一次成 線性關(guān)系，因此，可以通過檢測光纖

6、光柵中心波長的偏移即可獲知外界的應(yīng)變 信息。 p也由光纖光柵的應(yīng)變計(jì)算出傳感光柵的波長變化 光纖光柵波長懸臂梁調(diào)諧曲線 1546.0 1547.0 1548.0 1549.0 1550.0 1551.0 1552.0 0123456789 波長調(diào)諧曲線 y = -0.3710 x+1551.0 R2 = 1.0000 刻度 波長(nm) 152025303540 1537.85 1537.86 1537.87 1537.88 1537.89 1537.90 1537.91 波長/nm 高度/cm Y = 1537.95814 - 0.00283 * X R=-0.99947 FBG中心波長隨壓

7、強(qiáng)增加的響應(yīng)曲線 4. 纖光柵壓力傳感器 （1 1）根據(jù)實(shí)際壓力測量的需要根據(jù)實(shí)際壓力測量的需要，纖光柵壓力傳感器纖光柵壓力傳感器可分為可分為 p 彈簧管式光纖光柵壓力傳感器 p 膜片式光纖光柵壓力傳感器； （2 2）共有的特點(diǎn)：）共有的特點(diǎn)： p 結(jié)構(gòu)簡單，容易加工生產(chǎn)； p 傳感器間易于串接，方便復(fù)用； p 具有溫度補(bǔ)償功能，測量結(jié)果不受溫度影響; p 穩(wěn)定性，可靠性好 （1）彈賛管式光纖光柵壓力傳感器彈賛管式光纖光柵壓力傳感器 p光纖光柵1和光纖光柵2沿著 中心軸線分別粘貼在彈簧管前 后表面上。 p感應(yīng)彈簧管在被測壓力作用 下產(chǎn)生彈性變形，光纖光柵也 會產(chǎn)生應(yīng)變。 p由于溫度變化引起的兩

8、個(gè)光 纖光柵的波長漂移方向相同,以 兩個(gè)光纖光柵的波長變化差作 為壓力測量信號，不僅可以提 高了壓力靈敏度,而且壓力測量 結(jié)果不受溫度變化的影響。 p彈賛管式光纖光柵壓力傳感 器的固有頻率較低，適用于氣 體或液體靜態(tài)壓力的測量。 p將兩個(gè)不同中心波長的光纖光柵粘貼在膜 片的相應(yīng)區(qū)域上； p即其中一個(gè)光纖光柵粘貼在膜片的中心位 置,檢測膜片上的中心正應(yīng)力； p另一個(gè)光纖光柵沿徑向粘貼在距膜片中心 點(diǎn)半徑除以 到膜片邊緣之間，檢測膜片 上的徑向負(fù)應(yīng)力，以兩個(gè)光纖光柵波長差作 為測量壓力的傳感信號。 p由于溫度變化引起的兩個(gè)光纖光柵的波長 漂移方向相同,差動(dòng)式的測量信號消除了溫 度對壓力測量結(jié)果的影響,同時(shí)還提高了傳 感器的測量分辨率。 p平面膜片結(jié)構(gòu)光纖光柵壓力傳感器,具有 良好的動(dòng)態(tài)特性,可用于氣體或液體靜態(tài)和 動(dòng)態(tài)壓力的測量。 （2）平面圓膜片的光纖光柵壓力傳感器平面圓膜片的光纖光柵壓力傳感器 5. 總結(jié) 纖光柵壓力傳