摘 要

工业环境通常具有较强的电磁干扰，常规的电气或压电传感器可能会存在不足。为了解决这个问题，本论文提出了一种基于弹性悬臂梁理论和布拉格波长移位理论的轮辐式光纤光栅压力传感器。通过光纤布拉格光栅传感器的测量原理和光纤光栅的温度补偿方法给出了具体设计的结构和理论分析。已经进行了大量的实验来评估改进的压力传感器的性能。实验结果表明，在0~50kN的测量范围内，其力灵敏度为84.47 pm/KN，这与理论灵敏度87.77 pm/KN高度一致。与其他类型的压力传感器相比，轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的抗干扰能力，并且由于光纤光栅具有波分复用特性，可以用于更复杂的多种物理量、多点测量。此外，本传感系统也具有良好的线性度、重复性小和温度补偿等优点，可以帮助检测和监测在恶劣的工业环境中的重型机器。

关键词 布拉格光栅，轮辐式，压力传感器,

Abstract

Industrial environment usually has strong electromagnetic interference, conventional electrical or piezoelectric sensor may be insufficient. In order to solve this problem, this paper presents a theory of the spoke type fiber Bragg grating pressure sensor based on elastic cantilever beam theory and the Bragg wavelength shift. Based on the measurement principle of fiber Prague grating sensor and the temperature compensation method of the fiber grating, the structure and theoretical analysis of the design are given. A number of experiments have been carried out to evaluate the performance of the improved pressure sensor. The experimental results show that in the range of 0~50kN measurement, the force sensitivity is 84.43 pm/KN, which is consistent with the theoretical sensitivity of 87.77 pm/KN. Compared with other types of pressure sensor, spoke type fiber grating pressure sensor has larger measurement range and higher anti-interference ability, and due to the fiber grating has a wave division multiplexing characteristics and can be used for more complex of various physical parameters, multi-point measurement. In addition, the sensing system also has the advantages of good linearity, repeatability and temperature compensation, which can help to detect and monitor the heavy machinery in the harsh industrial environment.

Keywords: Bragg grating ,spoke ,Pressure sensor

目 录

第1章 绪论 1

1.1设计的研究背景及意义 1

1.1.1光纤光栅传感技术的发展 1

1.1.2光纤光栅传感技术的特点 1

1.2光栅光栅压力传感器发展和国内外研究现状 2

1.3本论文的主要研究内容与逻辑结构 2

1.3.1主要研究内容 3

1.3.2逻辑结构 3

第2章 光纤光栅压力传感器的方案设计 4

2.1光纤光栅传感基本原理 4

2.1.2光纤光栅温度传感原理 4

2.1.2光纤光栅应变传感原理 5

2.1.3温度与应变交叉敏感的影响 5

2.2方案选择 6

2.2.1压力传感器弹性元件结构 6

2.2.2压力传感器的温度补偿 6

第3章 压力传感器的结构、原理和理论计算 7

3.1压力传感器的结构 7

3.1.1轮辐的尺寸设计 7

3.1.2轮辐上光纤光栅的粘贴 7

3.2受力分析 8

3.2.1轮辐受力分析 8

3.2.2轮辐强度校核 9

3.2.3光栅应变分析 9

3.3理论力灵敏度计算 10

第4章 模拟分析 12

4.1应变分析 12

4.2动态特性仿真分析 12

第5章 传感特性的实验分析 13

5.1常用的传感器静态特性指标 13

5.2压力传感器的静态特性 14

5.3压力传感器的动态特性 16

5.4温度无关性验证 18

第6章 结论与展望 20

参考文献 21

致谢 22

第1章 绪论

1.1设计的研究背景及意义

1.1.1光纤光栅传感技术的发展

上世纪80年代，研究光纤的希尔等人在实验过程中发现了光敏现象，并且通过驻波写入的方法生产出地球上第一根光纤光栅，由此开始了光纤光栅发展的新时代。但是由于制作方法的落后和科技发展程度的限制，这种光纤光栅的波长单一，不能得到充分的利用。

从那之后的40多年中，光纤光栅的生产方法得到不断改善。其中比较重大的生产创新就有1987年美国人发明的利用干涉条纹从侧面写入光栅，这种制作方法可以制作不同波长的光纤光栅，但是在制作过程中对写入装置的稳定性和光的相干性有很高的要求^[1]。1993年希尔等人利用紫外线穿过相位掩膜版的干涉现象写入光栅，这种方法使得光纤光栅的生产更加灵活简单，也促进了光纤光栅大批量生产的实现，研究人员可以由此制作不同要求的光纤光栅，特别是传感领域在此之后取得了很大的发展^[2]。 2000年，MicronOptics公司发明的光纤光栅解调仪使得光纤光栅的解调更加简单方便。光纤光栅最初只是用在通信技术中，它可以远距离传输信息，随着人们对光纤光栅的认识的深入，发现光波在光纤中传播时，光波如波长等的特征参量会随如温度、压力等外界参量发生有规律的变化，这样将光纤光栅作为敏感元件可以测量各种物理量，加上光纤光栅具有抗电磁干扰、测量对象广、灵敏度高等的优点，研究人员们对光纤光栅的研究热情日益高涨，这就促进了光纤光栅的飞速发展。

近年来，许多类型的高精度传感器淘汰了传统的原理，开始用上了光纤光栅，这促进了新兴的光纤光栅传感器的蓬勃发展。目前光纤光栅传感器测量的物理量广泛，测量结果准确、可信度高，其中多种传感器已经在工程中得到了应用，并且取得了出众的效果。

1.1.2光纤光栅传感技术的特点

一些科学和工程的发展需要性能更加完善的传感器，而光纤光栅传感器和传统的传感器相比有着很多无可比拟的优点，不仅满足更高的要求，同时也反过来促进了科学和工程的发展。基于光纤光栅的传感器的优点有：

1. 抗电磁干扰：光纤光栅主要成分是，电绝缘，光纤光栅中传输的信号不受电磁干扰，也不影响外界的电磁场，可以用于各种高压、强电磁干扰的环境。
2. 耐腐蚀，化学性能稳定：由于主要成分为—具有极高的化学稳定性，可以用于较恶劣的环境。
3. 重量轻，体积小，外形可塑：利用光纤光栅可制成不同尺寸和外形的特点，可以用在狭窄空间内。
4. 具有良好的重复性。
5. 测量对象广泛，且可用于外界物理量的绝对测量（定标后）。
6. 利用波分复用技术，可以自由组成丰富的测量网络，以应对各种复杂的物理测量。

虽然布拉格栅光栅有如此多的优点，但是也存在一些应用难点和不足之处：

1. 对应力和温度的交叉敏感效应使得传感器在测量其中一项参量时很难排除另一项参量的干扰。比如说对于温度传感器，需要排除应变对测量结果的影响。目前在排除交叉敏感效应的研究还相对较少。
2. 封装工艺复杂。由于光纤光栅的主要成分为，材质非常脆弱，如果操作不小心，很容易将光纤光栅折断。封装时要注意更好、更长久的保护光纤光栅。
3. 对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的波长解调仪。目前市面上一般的解调仪可能达不到解调分辨率和精度的要求，但是好的解调仪往往价格昂贵，使用成本一般人无法承受。

1.2光栅光栅压力传感器发展和国内外研究现状

如今，智能工程系统需要监控机器的工作状态，以帮助优化生产质量和提高生产效率。因此，设计精确、有效和可靠的传感系统在工业是至关重要的。传统的压力传感器主要采用电阻应变、电容、压电等原理，这类传感器主要是基于转换电路和压电效应^[3,4,5]。然而，从这些电路中测得的信号容易受到电磁干扰，这在恶劣的工业环境是常见的。布拉格光纤光栅（FBG）传感器有如线性响应快、抗电磁干扰、抗油腐蚀、多测点等的优点已经成为了研究的热点，随着光纤光栅制造技术的更新迭代和性能的提升，光纤光栅在工业应用中的发展前景前所未有的宽广 ^[6,7]。