基于圆膜片的FBG压力传感器设计与研究

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压力是一种重要的工业参数,压力监测在自动化的设备运行和工业化的大型工程中可以起到故障诊断和健康监测的作用。目前研究较多的电磁类传感器存在不适用于强电磁干扰环境、难以分布式测量、温漂大等问题。光纤光栅(FBG)压力传感器是目前发展非常迅速的非电类传感器,其本质防爆、质量轻、易组网、抗电磁干扰能力强的优点,使得其在诸多领域的实时远程压力监测方面应用前景广阔。但是FBG用于压力监测还面临以下问题:(1)裸FBG压力测量灵敏度低(3.04 pm/MPa),直接用于压力测量比较困难,需要进行相应的压力增敏封装;(2)随着FBG压力传感器应用领域的不断扩大和深入,其面临着更多的高频冲击动态压力环境,这对FBG动态压力传感器的动态性能有较高的要求。针对以上问题,本文提出了一种高灵敏度FBG压力传感器和两种动态FBG压力传感器,对其进行理论分析并制作实物进行测试。本文的主要研究内容如下:(1)提出了基于铰链-杠杆结构的高灵敏度FBG压力传感器,根据力学理论构造了传感器的力学模型,同时推导了铰链-杠杆结构的刚度公式、传感器的灵敏度公式、铰链最薄处应力公式。利用数值分析软件Matlab和有限元软件Abaqus软件对传感器的结构参数进行了优化和压力加载仿真,理论结果、仿真结果和实验结果的一致验证了理论模型的有效性。(2)根据优化结果制作传感器实物,并进行封装、测试。测试结果表明,在0-1 MPa的量程内,传感器压力灵敏度为5.227 pm/k Pa,是无铰链-杠杆增敏结构的单膜片压力传感器灵敏度的3倍,传感器的分辨率为19.13 Pa,线性度较好为0.9999,迟滞误差和重复性误差分别为1.43%和2.38%,传感器温度补偿效果较好,在20-80℃的温度范围内,由温度造成的最大波长漂移仅为54.4 pm。综上,传感器的综合性能较好,适用于静态压力测量场景。(3)提出了两种不同FBG封装方式、基于单一圆膜片的动态压力传感器—Ⅰ、Ⅱ型动态FBG压力传感器。基于膜片的动态响应模型,分别推导了两种传感器的压力灵敏度与固有频率公式;同时考虑到光纤自振和管腔效应对传感器输出的影响,根据弦振理论和管道流体力学知识分别对两点式封装的FBG一阶自振频率和管道的固有频率进行了分析。(4)使用Matlab对两种动态压力传感器的结构参数进行了优化、Workbench进行模态分析和谐响应分析,模态分析结果与理论分析的光纤自振和膜片振动频率一致,不考虑光纤自振,Ⅰ、Ⅱ型压力传感器的固有频率分别为37561 Hz和16041 Hz;谐响应分析结果表明Ⅱ型动态压力传感器中光纤自振对FBG的波长变化影响比Ⅰ型压力传感器大。(5)制作、封装并测试了两种动态压力传感器。静态压力测试结果表明两种传感器的静态压力灵敏度分别为-74.6 pm/MPa和55.1 pm/MPa,通过不同的方式,可以进行温度补偿;对Ⅱ型动态压力传感器进行动态压力测试,根据对传压管道管腔效应理论的分析,排除了管腔效应对正弦动态压力测试结果的影响,同时表明在一定的测量频率范围和误差范围内,Ⅱ型动态压力传感器的动态压力测量效果较好。
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