光纤光栅压力传感器

1、光纤光栅压力传感器第一页，共13页。1. 压力传感器 在现代工业生产过程中，压力是进行测量和控制的最基本参数之一。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。电容式压力传感器电感式压力传感器压阻式压力传感器第二页，共13页。工程上常用的几种压力传感器1.1.液柱式压力计液柱式压力计 液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的。它们一般采用水银或水为工作液，用U型管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的测量。2.2.弹性式压力表弹性式压力表 弹性式压力表是以弹性元件受压后

2、所产生的弹性变形作为测量基础的。它结构简单、价格低廉，现场使用和维修都很方便，又有较宽的压力测量范围，因此在工程中获得了非常广泛的应用。3.3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件压阻元件，是基于压阻效应压阻效应工作的。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。该传感器的主要优点是体积小，结构比较简单，动态响应好，灵敏度高，能测出十几Pa的微压，它是一种比较理想的压力传感器。但是，这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响，从而影响压阻系数的大小。第三页，共13页。2 光纤压力传感器

3、p除了上述几种传统的压力传感器p光纤光栅压力传感器能够克服传统电磁类压力传感器的应用局限性,具有本质安全防爆，耐腐蚀,抗电磁干扰能力强，信号传输距离远，易于实现压力的多点分布式测量和长期在线监测等优点。第四页，共13页。2.1光纤光栅的结构p它是利用光纤材料的光折变效应光折变效应，用紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变化的光栅结构，这种光栅称之为布喇格（Bragg）光纤光栅。p根据光纤光栅的耦合模理论,当一束宽带光入射到光纤光栅中时,折射率的周期性结构使得某特定波长的窄带光被反射,反射光的波长满足Bragg散射条件：effBn2其中：B为Bragg波长（即反射光的中心波长）； 为光

4、栅周期； neff为光纤光栅的有效折射率； 由上式可知,光纤光栅反射光的中心波长(光纤光栅波长)主要取决于光栅周期和有效折射率neff 。光纤光栅结构示意图第五页，共13页。effBn2p当光纤光栅感受到外界环境温度T或应变发生变化时，会引起光栅周期和有效折射率的变化，从而引起反射光波长的偏移。p因此，通过检测光纤光栅反射光波长的变化，即可获知外界温度或应变信息，这就是光纤光栅传感的基本原理。第六页，共13页。3. 光纤光栅的应力特性当外界有应力作用于光纤光栅上时，就会使光纤光栅被机械性的拉长而改变其光栅常数，可以表示为：式中x为考察点处轴向应变。x弹光效应使得光纤光栅折射率光纤光栅折射率发生

5、变化：xeeffeffPnn其中，Pe为弹光系数p 上式即为光纤光栅的波长变化波长变化与外界应变外界应变之间关系的表达式；p 式中K为纤光栅的应变灵敏度系数，其大小与光纤材料密切相关，由光纤的弹光系数、有效折射率和泊松比决定。 第七页，共13页。fhBFGl2d光栅p下图的光纤光栅应变传感器是一种悬臂梁应变调谐机构。p当光纤的材料确定后，K即为常数，光纤光栅波长变化光纤光栅波长变化与外界应变外界应变成一次成线性关系，因此，可以通过检测光纤光栅中心波长的偏移即可获知外界的应变信息。p也由光纤光栅的应变计算出传感光栅的波长变化 光纤光栅波长悬臂梁调谐曲线1546.01547.01548.01549

6、.01550.01551.01552.00123456789波长调谐曲线y = -0.3710 x+1551.0 R2 = 1.0000刻度波长(nm)第八页，共13页。1520253035401537.851537.861537.871537.881537.891537.901537.91波长/nm高度/cmY = 1537.95814 - 0.00283 * XR=-0.99947FBG中心波长随压强增加的响应曲线第九页，共13页。4. 纤光栅压力传感器（1 1）根据实际压力测量的需要根据实际压力测量的需要，纤光栅压力传感器纤光栅压力传感器可分为可分为f弹簧管式光纤光栅压力传感器f膜片式光

7、纤光栅压力传感器；（2 2）共有的特点：）共有的特点：f结构简单，容易加工生产；f传感器间易于串接，方便复用；f具有温度补偿功能，测量结果不受温度影响;f稳定性，可靠性好第十页，共13页。（1）弹賛管式光纤光栅压力传感器弹賛管式光纤光栅压力传感器p光纤光栅1和光纤光栅2沿着中心轴线分别粘贴在弹簧管前后表面上。p感应弹簧管在被测压力作用下产生弹性变形，光纤光栅也会产生应变。p由于温度变化引起的两个光纤光栅的波长漂移方向相同,以两个光纤光栅的波长变化差作为压力测量信号，不仅可以提高了压力灵敏度,而且压力测量结果不受温度变化的影响。p弹賛管式光纤光栅压力传感器的固有频率较低，适用于气体或液体静态压力的测量。第十一页，共13页。p将两个不同中心波长的光纤光栅粘贴在膜片的相应区域上；p即其中一个光纤光栅粘贴在膜片的中心位置,检测膜片上的中心正应力；p另一个光纤光栅沿径向粘贴在距膜片中心点半径除以 到膜片边缘之间，检测膜片上的径向负应力，以两个光纤光栅波长差作为测量压力的传感信号。p由于温度变化引起的两个光纤光栅的波长漂移方向相同,差动式的测量信号消除了温度对压力测量结果的影响,同时还提高了传感器的测量分辨率。p平面膜片结构光纤光栅压力传感器,具有良好的动态特性,可用于气体或液体静态和动态压力的测量。（2）平面圆膜片的光纤光栅压力传感器平面圆膜片的光纤光栅压力传感器第十二页，共13页。5.