一种新型FBG微力传感器.pdf

传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies)
2014年第33卷第3期
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
摘要:设计并制备了一种新型微力传感器。将光纤Brag光栅(FBC)用聚氨酯封装成柱状,将其一端
固定在外壳底板上,另一端和杠杆的一端固定,通过杠杆原理起到对微力的增敏作用。当作用力在0
1.666N变化时,该传感器的灵敏度为0.952m/N,是裸光纤拉力灵敏度的3.81倍。通过改变杠杆比例可
以使该结构满足不同的测量范围和灵敏度。
关键词:光纤 Bragg光栅;微力;杠杅
中图分类号:TP253
文献标识码:A
文章编号:1000-9787(2014)03-0070-02
A novel FBG micro-force sensor
ZHANG Zhi-yu, YU Wen-ge
Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China
Abstract: Design and fabricate a novel micro-force sensor. The fiber Bragg grating(FBG) is packaged into
columnar by polyurethane, one end is fixed on baseplate of the shell and the other end is fixed with one end of
lever, through lever principle, play a role of sensitization to micro-force. The sensitivity of sensor is0952 nm/N
when the force change is 0-0. 1666 N, and it is about 3.81 times of the bare optical fiber tension. The structure
can fit with different measuring ranges and sensitivities by changing ratio of lever
K
ds: FBG: micro-force: lev
0引言
灵敏度的重要方法7,此外,聚合物封装还可增加FBG的
微力传感器是微传感器的一种。它是最早开始研制的强度,从而增加其环境适应性。因此,用聚合物封装提高
微机槭产品,也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的FBG拉力灵敏度一直以来是国内外专家研究的重点。
产品,其原理是将力转换成电信号输出的器件。最常见的
本文利用FBG的特点设计制作了一种微力传感器。
微力传感器有压阻式、电容式、谐振式3种。目前,微力传该传感器利用杠杆原理,将作用力在光栅端放大,起到力增
感器的量程范围很小目灵敏度低,很难对更加微小的力进敏作用。当作用力在0~1.666N变化时,其拉力灵敏度为
行测量1。同时在进一步提高灵敏度的研究过程中,遇到0.952nmN,是裸光纤拉力灵敏度的3.81倍。
了如下几个问题:1)非线性随着灵敏度提高变差;2)灵敏度
1拉力传感原理
提高,稳定性变差;3)过载能力不够;4)静电封接时背岛与
由耦合模理论?可知,FBC的中心反射波长为
玻璃片粘接。
近年来,光纤Brag光栅(FBC)在光纤传感方面的应式中n为导模的有效折射率;A为光栅周期。由式(1)
用越来越受到人们的重视。FBG作为传感元件,具有抗干可知,FBC的中心反射波长入a随n和A的改变而改变,
扰能力强、体积小、质量轻、附加损耗小等特点,并且具压力对Brag波长入的影响是由FBG周期地伸缩和弹光
有独特的传感信息波长编码和易于实现分布式传感的优效应引起的。
点34。但是,裸FBG的拉力灵敏系数较小,这给信号检测
当温度不变,若沿光纤轴向施加拉力F,根据胡可定
带来了不便,制约了光栅在力测量中的应用,因此,提高律,光纤产生的轴向应变为
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
收稿日期:2013-08-10
*基金项目:辽宁省教育厅基金资助项目(20060657);沈阳市经济和信息产业发展基金资助项目(201001004)
第3期
张智禹,等:一种新型FBG微力传感器
式中E为光纤的杨氏模量,S为光纤的横截面积。
的拉力灵敏度系数为1.61×10/N,该结构的拉力灵敏度
拉力F所引起的 Bragg i波长的变化为
理论值是裸光纤的7.71倍.
1-P)A
(3)
表1测量数据
Tab 1 Measured data
式中P.为单横石英光纤的有效弹光系数。
码质量砝码重量中心波长波长移动量
2微力传感希封装原理
(N)
Im
该设计结构如图1所示,将FBG用聚合物?封装成均
0
0
匀柱体,聚合物底端固定在外壳底板上,上端固定在杠杆的
0.098
1559.935
端,为了保讦其受力能在竖直方向,在聚合物旁竖立一根
0.196
0.095
钢管,圆环和杠杆前端固定,圆环可以在钢管上滑动,当力
0.294
0.094
0,3921560.216
作用于有机物封装的FBG处时,通过杠杆原理扩大作用
0.490
0.096
力,使其起到拉力增敏的作用。
0,5881
0.098
有机物封装的FBG
受力区
0.6861560.497
0.092
0.7841560.592
0.095
光纤
0.8821560.685
0.093
0.9801560,779
0,094
灴护外亮
1,176
0.09
1.2741561.055
0.093
图1微力传感器结构示意图
0.092
Fig 1 Structure diagram of micro-force sensor
150
0.093
当P2作用于有机物封装的FBG处时,由杠杆原理可
160
1.5681561.331
知,杠杆另一端产生向上的拉力P为
1.666
1561,425
0,092
(4)
通过表1可知中心波长和微力的关系如图2所示。
561.6
式中2为受力杆到支点的长度,ん为聚合物作用点到支
1.4
点的长度(2>41)。
将式(3)带入式(4)中可得FBC反射波长的变化为
1560.4
560.2
P.)
△A/AD-E4s"P2
(5
1559
-0.200.20.40.60.81.01.21.41,61.8
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
图2中心波长和微力的关系图
Fig 2 Diagram of relationship between central wavelength
P.)