一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法

摘要

本发明提供一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，包括：在悬臂梁的适当位置开设一个通孔；确定此时悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向应变最大处；在悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向应变最大处分别粘贴一个FBG；使两个FBG的光谱重叠并利用FBG光谱展宽效应对两个FBG进行传感解调。本发明通过简单的打孔方式增加了应变变化量，利用FBG粘贴位置的巧妙设计和合适的解调方式，提高了传感灵敏度，实现了温度自补偿和多参数传感测量，且具有抗干扰能力强、长期漂移小、测量精度高等优点，能够在高温、高压、强电磁干扰的恶劣工业环境下实现流量测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体是一种基于悬臂梁结构 的FBG传感器灵敏度提高方法。

背景技术

1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人首次在掺锗 石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一 根光纤布拉格光栅(FBG)。FBG传感器具有体积小、损耗低、灵敏 度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大等优点，并能实现多点分布 式测量，已应用于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物、舰船系统、海 洋、航空、医学领域、电力系统等,取得了丰硕的成果。

主要成分为SiO₂的裸光栅细小质脆，尤其是抗剪能力很差，直 接将其作为传感器在工程实际应用中遇到了很多问题，如温度、应变 灵敏度低，容易损坏，布设工艺复杂等。且FBG的中心波长对温度 和应力存在交叉敏感效应，影响了传感器的性能。温度和应变是光纤 光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，其他各种物理量如位 移、压力、振动、加速度、流速等传感，均需特殊的机械结构将其转 换为应变或温度传感。因此，必须对FBG进行保护、敏化等封装。

多年来，科研工作者们对悬臂梁结构的FBG传感器开展了广泛 的研究。目前，有文献报道的主要有以下几种：(1)双波长矩阵法， 在悬臂梁上粘贴两个FBG，构建双波长矩阵进行传感测量，克服了 中心波长交叉敏感问题；(2)多波长矩阵法，在悬臂梁上粘贴两个以 上的FBG，利用多波长矩阵法进行多参数传感测量；(3)参数变更 法，利用某些方式改变测量中使用的两个FBG或单个FBG不同区域 的温度和应变敏感度系数，类似双波长矩阵法；(4)啁啾光栅法，利 用光栅啁啾效应光谱半宽展宽温度不敏感来克服交叉敏感问题，进行 应变测量；(5)双参量矩阵法，除中心波长外再引入一个温度应变敏 感量，利用双参量矩阵法进行多参数传感测量。

目前，悬臂梁结构的FBG传感器技术已经得到了较为广泛的研 究，但目前研究的主要目的在于解决交叉敏感问题，随着社会经济的 迅速发展，各行各业对传感器灵敏度要求越来越高。因此，研制高灵 敏度的悬臂梁结构的FBG传感器对社会、国民经济发展有着重大意 义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏 度提高方法，进一步解决检测灵敏度和测量精度等困扰当前FBG传 感器的关键问题。

本发明的技术方案为：

一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，包括以下 顺序的步骤：

(1)在悬臂梁的适当位置开设一个通孔，并且使所述通孔关于 悬臂梁的中心轴线对称；

(2)以垂直于所述通孔截面的方向为所述悬臂梁的载荷施加方 向，对所述悬臂梁施加一定载荷，确定此时悬臂梁的两个正向应变最 大处或两个负向应变最大处；

(3)在所述悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向应变最大 处分别粘贴一个FBG，使所述载荷施加方向与粘贴在悬臂梁上的两 个FBG所构成的平面相垂直；

(4)当采用所述两个FBG测量施加在悬臂梁上的待测载荷时， 使所述两个FBG的光谱重叠并利用FBG光谱展宽效应对所述两个 FBG进行传感解调。

所述的基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，步骤(1) 中，所述在悬臂梁的适当位置开设一个通孔，具体为在悬臂梁的中心 位置开设一个通孔；所述通孔的截面形状包括矩形、菱形、圆形和三 角形。

所述的基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，步骤(2) 中，所述确定此时悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向应变最大 处，具体采用有限元法进行分析。

所述的基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，步骤(4) 中，所述利用FBG光谱展宽效应对所述两个FBG进行传感解调，具 体包括：

a、宽带光源输出的光经耦合器到达所述两个FBG，经其反射后 到达光谱分析仪；

b、所述光谱分析仪对所述两个FBG的重叠光谱进行分析，得到 所述重叠光谱的3dB带宽；

c、当施加在悬臂梁上的待测载荷发生变化时，由所述光谱分析 仪得到所述重叠光谱的3dB带宽变化量；

d、根据所述重叠光谱的3dB带宽变化量以及预先测定的载荷传 感灵敏度，利用以下公式，反演得到待测载荷的变化量：

ΔF′₁₂＝K′_FL×ΔL

其中，ΔF′₁₂表示重叠光谱的3dB带宽变化量，K′_FL表示载荷传感 灵敏度，ΔL表示待测载荷的变化量。

本发明的有益效果为：

由上述技术方案可知，本发明通过简单的打孔方式增加了应变变 化量，利用FBG粘贴位置的巧妙设计和合适的解调方式，提高了传 感灵敏度，实现了温度自补偿和多参数传感测量，且具有抗干扰能力 强、长期漂移小、测量精度高等优点，能够在高温、高压、强电磁干 扰的恶劣工业环境下实现测量。本发明的应用范围广泛，如可以应用 于应力传感、位移测量、振动以及加速度的测量等。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是悬臂梁结构的FBG传感器结构原理图；

图3是传感解调系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方 法，包括以下步骤：

S1、在悬臂梁的适当位置开设一个通孔，并且使该通孔关于悬臂 梁的中心轴线对称；

选择适当大小与形状的悬臂梁，在悬臂梁上合适位置处打孔，孔 的形状如矩形、菱形、圆形、三角形等。

如图2所示，选择制造较为简单的等截面悬臂梁，在其中心位置 制造一个方形通孔，其一端固定，另一端用于施加待测载荷。

S2、以垂直于通孔截面的方向为悬臂梁的载荷施加方向，对悬臂 梁施加一定载荷，确定此时悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向 应变最大处；

如图2所示，当悬臂梁一端(A端)固定，另一端(B端)施以 力、位移等物理量(L)时，利用有限元法进行分析，已知等截面悬 臂梁未打孔时的表面应变为均匀线性分布，当施加的力或位移固定 时，打孔位置处的应变程度相对于未打孔时产生了突变和激增。由于 FBG对应变灵敏，若将FBG粘贴于分析所得的应变最大处，则悬臂 梁结构的FBG传感器的传感灵敏度相对于未打孔时将大大增加。

S3、在悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向应变最大处分别 粘贴一个FBG，使载荷施加方向与粘贴在悬臂梁上的两个FBG所构 成的平面相垂直；

如图2所示，将FBG1粘贴于分析所得的正向应变最大处(拉伸)， 再将FBG2粘贴于悬臂梁同一面的另一正向应变最大处，当B端施加 载荷时，由于悬臂梁的对称结构，FBG1和FBG2处于应变量相等最 大处，提高了传感器对于载荷的传感灵敏度。若选择合适的光栅参数， 再结合合适的传感解调方式，可以得到单个FBG传感灵敏度的双倍 以上的传感灵敏度。

S4、当采用两个FBG测量施加在悬臂梁上的待测载荷时，使两 个FBG的光谱重叠并利用FBG光谱展宽效应对两个FBG进行传感 解调；

若施加在FBG上的应变分布不均匀，由光纤光栅耦合模理论出 发，不难得出FBG反射谱的3dB带宽(FWHM)与应变和温度存在 如下的函数关系：

$\left[\Delta F\right]=\left(\begin{array}{cc}{K}_{Fϵ}& 0\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}\Delta ϵ\\ -\Delta T\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，F为FBG反射谱的3dB带宽，ΔF为FBG反射谱的3dB带 宽变化量，K_Fε为FBG反射谱的3dB带宽应变灵敏度，Δε、ΔT分别 为应变和温度的变化量。

由悬臂梁的动力学方程分析可知，悬臂梁一端所施加的载荷L与 应变存在线性关系，则(1)式可以改写为：

$\left[\Delta F\right]=\left(\begin{array}{cc}{K}_{FL}& 0\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}\Delta L\\ \Delta T\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，ΔL为施加载荷的变化量，K_FL为载荷传感灵敏度。

如图3所示，搭建传感解调系统，宽带光源1的光经耦合器2到 达FBG后反射，再经耦合器2到达光谱分析仪3(横河AQ6370D)， 若初始状态两个FBG的光谱不重叠，由光谱分析仪3可以分别得到 图2中FBG1和FBG2的中心波长和3dB带宽。当施加载荷发生变化 时，通过解调系统可以分别得到3dB带宽变化量ΔF₁和ΔF₂，由(2) 式可得：

$\left[{\mathrm{\Delta F}}_1\right]=\left(\begin{array}{cc}{K}_{FL1}& 0\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}\Delta L\\ \Delta T\end{array}\right)---\left(3\right)$

$\left[{\mathrm{\Delta F}}_2\right]=\left(\begin{array}{cc}{K}_{FL2}& 0\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}\Delta L\\ \Delta T\end{array}\right)---\left(4\right)$

令ΔF₁₂＝ΔF₁+ΔF₂，则：

$\left[{\mathrm{\Delta F}}_{12}\right]=\left(\begin{array}{cc}{K}_{FL1}+K_{FL2}& 0\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}\Delta L\\ \Delta T\end{array}\right)---\left(5\right)$

可得其载荷传感灵敏度为：

K_FL＝K_FL1+K_FL2(6)

若初始状态两个FBG的光谱重叠，则由光谱分析仪3可以得到 图2中FBG1和FBG2的重叠光谱的3dB带宽。当施加载荷发生变化 时，两个FBG的中心波长随应变变化量相等且方向相同，则在载荷 变化的过程中，两个FBG的光谱始终重合。通过解调系统可以得到 重叠光谱的3dB带宽变化量ΔF′₁₂，由(2)式可得：

$\left[{\mathrm{\Delta F}}_{12}^{\prime }\right]=\left(\begin{array}{cc}{K}_{FL}^{\prime }& 0\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}\Delta L\\ \Delta T\end{array}\right)---\left(7\right)$

其载荷传感灵敏度：

K′_FL≥K_FL1+K_FL1(8)

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并 非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本 领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应 落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。