较高,估计这些因素限制了该方式的应用,这些所以对该种结构的报道后续很少看到。
图3.3 弹簧管式增敏实现案例的结构图
3.2.2 聚合物封装增敏
聚合物封装增敏的原理是将光纤复合到对压力敏感的聚合物材料中进行压力增敏。用聚合物进行封装, 一方面起增敏作用 , 同时对光纤光栅有保护作用
[10]
。文献[11]采用多层封装结构,将杨氏模量小且粘结性强的聚合物1做成柱体状,
光纤光栅准直地置于该柱体中心,然后置于杨氏模量大的聚合物2中(做成柱体状),结构图如如3.4所示,该报道指出其增敏效果优于单层封装结构,有利于光纤光栅的保护,且结构简单,易实施。然而该报道并未指出其灵敏度,并且在增加了应变灵敏度的同时,还增加了温度敏感度,容易造成温度和应变交叉敏感的问题,需要采取温度补偿措施,因此也提升了该方法的复杂度。
文献[12]报道了用层压碳纤维复合材料制作的压力传感器, 压力灵敏度为 0.1 nm/MPa。由于碳纤维复合材料杨氏模量小,且在高压下具有良好的可重复性。 当压力从0 增加到70MPa 时, 传感器中心波长实现了7nm的漂移。
聚合物封装的优点是结构简单,体积小,应变灵敏度增加效果比较好,但其在增加应变灵敏度的同时也增加了温度灵敏度。另外聚合物存在易老化等问题, 使聚合物封装的光纤光栅使用寿命短,动态响应速度慢[13]。
图3.4 聚合物封装案例1结构图
3.23 弹性膜片增敏
弹性膜片增敏是比较灵活的增敏方式,文献[7]中所研究的一种光纤光栅水听器即是采用该种方法,取得了不错的效果。文献[14]中将预加应力的光纤光栅的一端粘贴在不能移动的空腔圆柱底上,另一端粘贴在膜片中心。当外界压力变化时,在膜片两侧形成压差,膜片将会发生位移,预加有应力的光纤光栅将会收缩。该方法实现了1.9nm/MPa的灵敏度,并且量程可达1.5MPa。
弹性膜片增敏可以通过选择膜片的材料, 厚度及半径来实现灵敏度的不同选择,在大量程和高灵敏度的实现上都可以有好的效果。但在光纤光栅的固定上一般都是使用胶粘的方式,易产生应力,且胶的热膨胀系数和金属本身会有较大差异,也会对膜片的性质产生影响[8]。 3.2.4 薄壁圆筒增敏
薄壁圆筒在外界压力下筒侧面会发生弹性形变,将光纤光栅固定在筒侧面可以感知这些应变, 实现对外界压力进行测量, 这也是一种近些年才发展起来的增敏技术[8]。
文献[15] 设计的一种以金属弹性圆筒为衬底的高压光纤 Bragg 光栅压力传感器实现的压力灵敏度为0.782 nm/MPa,测量范围可达0-52MPa。
该种方法对应变的增敏效果比较低,但是容易实现比较大的测量范围, 而且测量精度高, 容易实现多种结构组合测量, 是一种很有前途的增敏方式[8]。 3.2.5 组合式增敏
组合式增敏是指结合各种增敏方式的优点,从而更好的实现对光纤光栅的应变检测。文献[16] 报道了一种压缩波纹管的方式来实现应变测量的新型传感器其 压力灵敏度为48 nm/MPa,且量程为0.25 MPa,中心波长漂移了12 nm,是本文所述中最高的一种方式,其结构如图3.5所示。
图3.5 组合方式案例结构图
3.3 光纤光栅增敏技术小结
光纤光栅应变增敏技术的发展使光纤光栅应变检测的应用成为可能,目前应变增敏技术有很多种实现方式,选用的增敏封装结构和增敏材料也有很多种,对光纤光栅应变增敏技术的综述性讨论目前还较少,没有找到很统一的分类方式。但基本的两种封装结构在上一节增敏技术浅析中已经涉及到,分别为侧面压迫式增敏和端面拉伸式增敏。两种方式各有利弊,总的来说端面拉伸式增敏虽然端面膜片容易变形,但通过选取合适的材料,可以解决这个问题,并且其增敏效果比侧面拉伸式更好,相信会有更广泛的应用。
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