一种微型FBG压力传感器设计研究

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光纤布拉格光栅(FBG:Fiber Bragg Grating)传感器及其传感技术,由于具有波长编码、体积小、本质安全和易于组网等优点,被广泛认为是一种最具发展潜力的传感器技术。近年来,各种光纤光栅传感器也应运而生,如光纤光栅压力、位移、速度、振动和温度传感器等。然而,裸光纤的使用及传感器体积小巧的设计需要在各种传感器设计及实现过程中还存在很多问题尚待解决。本文结合科研项目中国博士后基金项目“矿压检测用光纤光栅传感技术及应用研究”(20080441150),“矿压监测用光纤光栅传感网络及应用研究”(20080441150)和中天公司联合横向项目,“光纤光栅矿压监测系统研究”(10/09-11/12),针对微型光纤FBG传感器设计过程中普遍存在的问题进行了深入的理论及实验研究,设计并实现了一种微型FBG压力传感器。  本研究主要内容包括:⑴综述了现有FBG压力传感器及FBG调谐研究的国内外现状。⑵光纤布拉格光栅的基本结构及传感原理的研究。主要包括:光纤布拉格光栅的理论分析法和光纤光栅的啁啾调谐方法。⑶提出并实现了一种微型光纤光栅矿压传感器。传感器外部为圆柱形,内部为菱形钢制力传递结构,结合“工”形金属膜片对力的传递,从而将力传递给光纤光栅。通过有限元分析法进行模拟分析,并对该传感器的特性进行了实验研究。该传感器量程为0~7.15MPa,灵敏度为0.5983nm/MPa,并具有良好的线性度和重复性。该传感器可以埋入煤、岩层用于压力测量,还可以用于替代其他各电子类压力传感器对煤矿压力进行精确测量,也可以在其它领域推广应用。⑷提出并实现了一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法。光栅的粘贴路径与变形体的中心线之间的倾角为α,0°<α<45°。本安装方法具有无啁啾调谐范围大,调谐过程中带宽变化小于0.03nm等特点。⑸针对前期工作中以设计的一种FBG啁啾调谐方法中存在对带宽的调谐不敏感,光栅中心波长随压力增加发生较大变化的问题,对膜片形状和光栅粘贴路径进行了有限元分析。提出了一种新的膜片形状和光栅粘贴路径并对其进行了实验研究,光栅带宽最大调谐范围为3.6nm,中心波长仅漂移1.12nm。
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