光纤光栅应变传感器增敏结构研究

肖乐春1，张文明1，徐谊1，叶斌1，吴飞2

摘要：在实际的应用中，由于光纤光栅自身比较脆弱，易折断，需要进行封装保护。在传统应变片封装结构的基础上，对比了四种增敏结构的基片式封装结构。仿真结果表明，在整体尺寸相同的情况下，采用矩形框结构的光纤光栅应变传感器具有较高的灵敏度，且易于加工。

关键词：光纤光栅；增敏结构；应变传感器；灵敏度

0 引言

应变传感器是应用于建筑工程、机械装备等结构健康监测、损伤识别与故障诊断。而现有的应变传感器，如电阻应变计等，易受到电磁干扰，导致测量结果不准确[1]。

光纤光栅（FBG）作为一种新兴的光纤传感器，相比于传统电学传感器，具有体积小，复用性好，抗电磁干扰性好，易于分布式测量等优点，在测量传感领域有着广泛的应用。光纤光栅传感器可以用来测量应变、应力、温度、振动和压力等多种物理量，近年来成功的应用在航空航天，桥梁结构，隧道施工，电力石油，土木基建等结构健康监测领域。

在实际应用中，最直接的方法就是将裸光纤光栅直接粘贴于待测体表面，但是光纤光栅自身比较脆弱，易折断，需要进行封装保护。但是，不同的封装方法和材料对光纤光栅传感器的稳定性和灵敏度影响很大。为了提高光纤光栅传感器的特性，国内外研究者对封装技术展开了研究。如：2009年，褚晓慧等人提出了一种用于测量纵向分布压力的双拱形结构传感器[2]；2010年，张权等人提出了一种基于钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器[3]；2012年，袁子琳等人提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构，应变灵敏度是传统“工”字型结构的600倍[4]；2014年，Li等人提出了一种管式封装的光纤光栅应变增敏方法[5]； 2016年，闫光等人提出了一种基片式具有增敏效果的预紧封装光纤光栅应变传感器，抗疲劳性能良好[6]。本文在传统应变片封装结构的基础上，通过有限元分析对比三种增敏结构的基片式封装结构。仿真结果表明，在整体尺寸相同的情况下，采用矩形框结构的光纤光栅应变传感器具有较高的灵敏度，且易于加工。

1 光纤光栅应变传感原理

光纤光栅是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，从而导致一定波长发生相应的模式耦合，使得其反射光谱对该波长出现奇异性，均匀周期正弦型光纤光栅的结构，如图1所示。

图1 均匀光纤光栅结构及折射率分布

由模耦合理论可得光纤光栅的反射率为

                   （1）

式中， 为光纤光栅的长度；为耦合系数；，为相位失配条件，光纤光栅反射谱如图2所示。

图2 光纤光栅反射谱

光纤光栅中心波长，取决于光纤光栅周期和有效折射率，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光纤光栅中心波长的漂移。在所有引起光纤光栅波长漂移的外界因素，最直接的为应力、应变参量，因为无论是对光纤光栅进行拉伸还是挤压，都势必导致光栅周期的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率也随外界应力状态而变化。

应力引起光栅波长漂移，可以由下式给予描述：

            （2）

式中，为光纤本身在应力作用下的弹性形变；为光纤的弹光效应引起的折射率变化。

当光纤光栅轴向受到均匀作用力时，光栅产生轴向均匀应变，如图4所示。此时各向应力可表示为 (为外加压强)，，且不存在切向应力。

根据材料力学原理可求得各方向应变为：

                        （3）

式中，为石英光纤的弹性模量；为石英光纤的泊松比。

图3 光纤光栅轴向均匀受力结构图

由轴向均匀作用力导致光纤光栅的相对波长漂移为

               （4）

令为：

              （5）

可得出

                       （6）

式（6）即为光纤光栅由弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数。利用纯熔融石英的参数，、、、，可得光纤光栅相对波长应变灵敏度系数=0.784。

2 结构设计与仿真

光纤光栅应变传感器是通过将光纤光栅封装在传感器基片上来完成的。所以，不同的封装方法和封装工艺对光纤光栅传感器的特性、稳定性以及寿命等有重要影响。不同结构的封装方式如图4所示。

（a）“工”字型封装                      （b）六边形“工”字型封装

（c）矩形“工”字型封装                  （d）椭圆形“工”字型封装

图4 不同结构光纤光栅应变传感器封装示意图

采用有限元分析软件对上述四种结构进行分析，基片材料选择合金钢，长为30.2mm，宽为7.94mm，厚为0.8mm。固定一端，另一端施加拉力1N，如图5所示，仿真结果如图6所示。

图5 施加轴向作用力仿真图

（a）应力图

（b）应变图

（c）位移图

图6 仿真结果图

由图6可见，除了“工”字型封装外，其他三种结构应力、应变和位移基本相同，矩形和椭圆形结构的位移略大，因此对光纤光栅的产生应变最大。考虑到加工方式，矩形“工”字型封装结构最佳，实物如图7所示。

图7 光纤光栅应变传感器

3 结论

本文对光纤光栅应变传感器的不同结构特性进行了仿真对比分析，结果表明，与一般封装结构相比，采用矩形“工”字型封装结构最佳，传感器应变灵敏度得到了较大提高，对高灵敏度光纤光栅传感器的封装设计及应用具有参考价值。

参考文献

[1]周祖德,谭跃刚,刘明尧,等. 机械系统光纤光栅分布动态监测与诊断的现状与发展[J]. 机械工程学报,2013,49(19) :55－69.

[2]褚晓慧,张敏,周宏朴,等. 一种光纤布喇格光栅压力传感器的设计及实验[J]. 光子学报,2009,38(11):2785-2788.

[3]张权,丁克勤,李德桥.一种钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器[J].光电技术应用,2010,25(3):33-34.

[4]袁子琳,龚元,马耀远.光纤布喇格光栅应变传感器结构优化研究[J].光子学报,2012,41(11):1261-1266.

[5]Li L, Zhang D, Liu H, et al. Design of an Enhanced Sensitivity FBG Strain Sensor and Application in Highway Bridge Engineering[J]. Photonic Sensors,2014,4(2):162－167.

[6]闫光,庄炜,刘锋.具有增敏效果的光纤光栅应变传感器的预紧封装及传感特性[J]. 吉林大学学报,2016,46(5):1739-1745.