分析测量液压支柱压力的光纤布拉格光栅传感器和设计

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1、煤矿现代化2012年第3期总第108期测量液压支柱压力的光纤布拉格光栅传感器分析和设计郭锋，韩辉，宋光状z(1．山东兖州市大统矿业有限公司，山东兖州273155；2．兖矿集团机电设备制造厂。山东邹城273500)摘要结合煤矿井下液压支柱压力传感探头，基于布拉格光栅的传感模型，设计了一种新颖的基于金属弹性膜片的压力传感器，这种传感器将布拉格光栅粘贴在金属膜片的中央，通过光纤光栅解调仪监测布拉格波长的漂移，给出了光纤布拉格光栅的布拉格波长偏移量与压力的关系表达式。实验结果表明，该传感器的压强响应灵敏度系数的实验值约为0．024nm／M

2、Pa，是裸光纤光栅压强灵敏度系数的接近10倍。另外，传感器在所测压强范围内呈现出较好的线性特性、重复性，适合于易燃易爆场合的较大范围内的矿山井下的液体压强测量。关键词光纤布拉格光栅；光纤光栅压力传感中图分类号：TP212．1+4文献标志码：A文章编号：1009—0797(2012)03—0077—03光纤布拉格光栅实质上是一个在纤芯内部形成1引言的窄带(透射或反射)滤波器，其滤波特性决定于光栅压强作为工业传感中最基本的参数之一，准本身的物理参数。当沿纤芯传播的光在每个光栅面发确、安全、可靠地测量其大小在许多易燃、易爆的生散射时，如

3、果满足布拉格条件，每个光栅平面反射场合，对保证工业生产过程的安全和经济效益意义回来的光将逐步累加，最终在反向形成一个反射峰，重大。传统的压强测量方法主要有液柱式、负载平其中心波长由光栅本身的物理参数决定。而与Bragg衡式和弹性元件式。其中，弹性元件式测压方法应波长不相符的光，也就是不满足Bragg条件的光，在用比较广泛，主要原理是弹性元件在压强的作用下每个光栅平面的反射会非常微弱，图1是FBG的反变形产生位移或应变，通过精确检测这个位移或应射特性示意图。传感的基本原理是利用光纤光栅的有变达到测量压强的目的。现在市场上的压力仪表、

4、效折射率和光栅外界参量的敏感特性，将外界参量的传感器基本都属于弹性元件式测量原理，具体有指变化转化为其FBG中心波长的移动，检测光栅反射针式、应变式、电容式、压电式等n1。的中心波长移动实现对外界参量的测量。光纤Bragg光栅作为一种新型的光无源器件，凰)宽带。入’，射’光—!~—FuBuGll一。!—透-射—◆具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、抗辐射性能好、耐腐蚀、传输距离远和灵敏度高等优点，它实质上图1FBG的反射特性示意图是一个在纤芯内部形成的窄带(透射或反射)滤波光纤Bragg光栅中心波长取决于光纤折射率调器，对温度和应变都

5、比较敏感，采用波长绝对编码制的变化以及空间分布的周期，即光纤光栅的技术，通过测量中心反射波长的漂移量获得测量物Bragg波长取决于光栅周期A和反向耦合模的有理量，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强效折射率nef0任何使这两个参量发生改变的物理电磁干扰等恶劣环境下使用，可以直接或间接监测过程都将引起光纤Bragg波长的飘移。FBG中心波应变、温度、裂缝、位移、振动、腐蚀、应力等物理量，长由下式确定】广泛用于土木工程、航空航天工业、船舶工业、电力B=2nA(1)工业、石油化工、核工业、医学等领域[21。应变、应力和温度是在所有引

6、起光栅Bragg波本文将FBG与一个金属弹性膜片相结合，构成长漂移的外界因素中，最直接改变光纤Bragg光栅煤矿井下液压支柱的光纤Bragg光栅压强传感器，波长的物理量，因为无论是应力的变化还是温度的实验表明，中心波长的漂移与压强之间存在着较好改变，都将直接导致光栅周期的变化，并且光纤材的线性、重复性，反射波长的半波带宽与压强之间料的弹光效应和热光效应使得光纤Bragg光栅的有也存在着线性，并且该传感器有较大的量程效折射率发生变化。通过检测光纤光栅波长的变0-50MPa，在实际应用领域有较好的前景。化，就可获得温度、应力、应变等信

7、息。当外界环境温度不变时，光纤Bragg光栅只受2FBG传感理论和压力传感器机械结构设计应力作用，其中心反射波长的变化量为2．1FBG传感原理AB：2nAA+2AnelA(2)·77·煤矿现代化2012年第3期总第108期△n：f=：光纤的鬈弹光效应在应力作用下的弹性形变’△=K-8St2'E；(1_)R2(1_Pe)e(6)。在轴向应力作用下，波长变化量和轴向应变之从式中可看到，布拉格波长偏移量△与压间的关系为[41强P成线性关系。=(1一P(3)3实验原理与结果分析式中：Pe=n2~r[P：一(P+P。)]／2为光纤的有效弹光

8、3．1实验原理系数，P和P。：为弹光系数，为?白松比，8为光纤本实验将光栅粘于探头的金属弹性膜片中央，用光栅的轴向应变，对于石英光纤P0．216，应变灵敏光纤引出接到光纤光栅解调仪sm125的某一通道，度系数为7．84X10。然后将光纤光栅解调仪通