测量液压支柱压力的光纤布拉格光栅传感器分析和设计.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 2 年第3 期 总第1 0 8 期 测量液压支柱压力的光纤布拉格光栅传感器分析和设计 郭 锋 ，韩 辉 ，宋光状 z 1 ． 山东兖州市大统矿业有限公 司 ， 山东 兖州 2 7 3 1 5 5 ； 2 ． 兖矿集团机电设备制造厂 。 山东 邹城 2 7 3 5 0 0 摘要结合煤矿井下液压支柱压力传感探头， 基于布拉格光栅的传感模型， 设计了一 种新颖的基于金属弹性膜片的压力传感器，这种传感器将布拉格光栅粘贴在金属膜片的中 央， 通过光纤光栅解调仪监测布拉格波长的漂移， 给出了光纤布拉格光栅的布拉格波长偏移 量与压力的关系表达式。 实验结果表明， 该传感器的压强响应灵敏度系数的实验值约为0 ．0 2 4 n m ／ MP a ， 是裸光纤光栅压强灵敏度系数的接近 1 0倍 。另外， 传感器在所测压强范围内呈现 出 较好的线性特性 、 重复性， 适合于易燃易爆场合的较大范围内的矿 山井下的液体压强测量。 关键词 光纤布拉格光栅； 光纤光栅压力传感 中图分类号 T P 2 1 2 ． 1 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 2 0 3 0 0 7 7 0 3 1 引言 压强作为工业传感 中最基本 的参数之一 ， 准 确 、 安全 、 可靠地测量其大小 在许多易燃、 易爆的 场合 ， 对保证工业生产过程的安全和经济效益意义 重大。传统的压强测量方法主要有液柱式、 负载平 衡式和弹性元件式。其中， 弹性元件式测压方法应 用 比较广泛， 主要原理是弹性元件在压强的作用下 变形产生位移或应变， 通 过精确检测这个位移或应 变达到测量压强的目的。现在市场上的压力仪表、 传感器基本都属于弹性元件式测量原理， 具体有指 针式 、 应变式 、 电容式 、 压电式等n 1 。 光纤 B r a g g光栅 作为一种新 型的光无源器件 ， 具有体积小、 重量轻 、 抗电磁干扰、 抗辐射性能好 、 耐腐蚀 、 传输距离远和灵敏度高等优点 ， 它实质上 是一个在纤芯内部形成的窄带 透射或反射 滤波 器 ， 对温度和应变都 比较敏感 ， 采用波长绝对编码 技术 ， 通过测量 中心反射 波长 的漂移量获得测量物 理量 ， 特别适合于易燃 、 易爆 、 空间受严格 限制及强 电磁 干扰等恶劣环境下使用 ， 可 以直接或 间接监测 应变、 温度 、 裂缝、 位移、 振动、 腐蚀、 应力等物理量， 广泛用于土木工程 、 航空航天工业 、 船舶工业 、 电力 工业 、 石油化工 、 核工业 、 医学等领域[ 2 1 。 本文将 F B G与一个金属弹性膜片相结合， 构成 煤矿井 下液压支柱 的光纤 B r a g g光栅压强传感 器 ， 实验表明， 中心波长的漂移与压强之间存在着较好 的线性 、 重复性， 反射波长的半波带宽与压强之间 也 存在 着线 性 ，并且 该传 感器 有较 大 的量 程 0 - 5 0 MP a ， 在实 际应用领域有较好 的前景。 2 F B G传感理论和压力传感器机械结构设计 2 ． 1 F B G传感原理 7 7 光纤布拉格光栅实质上是一个在纤芯 内部形成 的窄带 透射或反射 滤波器， 其滤波特性决定于光栅 本身的物理参数。 当沿纤芯传播的光在每个光栅面发 生散射时， 如果满足布拉格条件， 每个光栅平面反射 回来的光将逐步累加 ，最终在反向形成一个反射峰， 其中心波长 由光栅本身的物理参数决定。而与 B r a g g 波长不相符的光 ，也就是不满足 B r a g g 条件的光 ， 在 每个光栅平面的反射会非常微弱，图 1 是 F B G的反 射特性示意图。 传感的基本原理是利用光纤光栅的有 效折射率和光栅外界参量的敏感特性， 将外界参量的 变化转化为其 F B G中心波长的移动，检测光栅反射 的中心波长移动实现对外界参量 的测量。 凰 。 ’ ， ’ u u l l一 。 - ◆ 宽带入射光 F B G 透射 图 1 F B G 的反射特性 示意图 光纤 B r a g g 光栅中心波长取决于光纤折射率调 制 的变 化 以及 空 间分 布 的 周期 ，即光 纤 光 栅 的 B r a g g波长 取决于光 栅周期 A 和反 向耦合 模 的有 效折射率 n e ff 0任何使这两个参量发生改变的物理 过程都将 引起光纤 B r a g g波长的飘移 。F B G中心波 长 由下式确定 】 B 2 n A 1 应变 、应力 和温度是在所有引起光栅 B r a g g波 长漂移的外界因素中，最直接改变光纤 B r a g g 光栅 波长的物理量 ， 因为无论是应力的变化还是温度 的 改变 ， 都将 直接导致光栅 周期 的变化 ， 并且光 纤材 料的弹光效应和热光效应使得光纤 B r a g g光栅 的有 效折射率发生变化。通过检测光纤光栅波长的变 化， 就可获得温度、 应力、 应变等信息。 当外界环境温度不变 时 ，光纤 B r a g g 光栅 只受 应力作用 ， 其中心反射波长的变化量为 A B 2 n A A 2An e ll A 2 煤矿 现代化 2 0 1 2 年第3 期 总第1 0 8 期 f 鬈 在 应 力 作 用 下 的 弹 性 形 变 ’ △ K -8 t2E S tE ； 1 _ R 2 1 _ P e e 6 △ n 光 纤 的 弹 光 效 应 。 在轴 向应力作用下 ， 波长变化 量和轴 向应变之 从式 中可看到，布拉 格波长偏移量 △ 与压 间的关 系为[ 4 1 1 一 P 3 式 中 P e n 2 r [ P 一 P P 。 ] ／ 2为光 纤 的有 效 弹光 系数， P 和 P 。 为弹光系数， 为 白 松比， 8为光纤 光栅的轴 向应变 ， 对于石英光纤 P 0 ． 2 1 6 ， 应变灵敏 度系数为 7 ． 8 4X 1 0 。 2 ． 2 传感器机械结构及受力分析 光纤 B r a g g 光栅压强传感器的实物图如图 2 所 示 ， 通过预 紧装 置将 F B G预拉之 后 ， 采用氰基丙烯 酸脂 5 0 2 T 一 1 粘合剂纵 向将光纤布拉格光栅沿金属 膜片径 向粘贴在平面膜片上的中心制作成 F B G压强 传感器， 一段固定在膜片上， 另一端通过光纤引出。 ■ ◎ 图 2传感器结构 示意图 图 3 F B G粘贴示意 图 当从金属弹性膜片一段施加压力时 ， 膜片在压力 作用下产生形变 ， 即会从平直变为弯曲， 由于 F B G粘 贴在金属膜片的表面， 也会随着膜片弯曲， 膜片低压 侧表面每一点都会受到沿半径方向的径向力和垂直 于中心面的切应力两个作用【5 _ ， 光栅 主要受径向拉力 作用。 P 图 4光栅受力示意图 由膜片形变理论可知 ， 膜片 中心处径 向应力最 大 ， 边缘处最小 ， 故 中心处光栅 的形变量最大 ， 沿半 径方 向到边缘 处逐渐减 小 。膜 片中心径 向应变最 大 ， 为 ￡ l ； 1 一 R 4 F B G各点应变不同， 平均应变 由下式等效表示[6 1 s K 1 一 R 5 式中 K为一系数， 其值与膜片尺寸、 F B G粘贴位置 有关 ； p为膜片两端压强差 ； t 为膜片厚度 ； R为膜 片 半径； E为膜片材料的弹性模量 ； 为膜片材料的 泊松 比。 将式 5代人式 3得 强 P成线性关系 。 3 实验原理与结果分析 3 ． 1 实验原理 本实验将光栅粘于探头的金属弹性膜片中央 ， 用 光纤 引出接到光纤光栅解调仪 s m1 2 5的某一通道 ， 然后将光纤光栅解调仪通过对等网线和计算机相连 ， 通过监测与分析软件来监测光栅布拉格波长的漂移 。 本传感探头采用 中心波长为 1 5 4 5 n m 的布拉格 光栅 ， 实验中保持室温 1 0 2 不变 ， 让光栅只受应力作 用， 弹性膜片受压变形鼓起带动光栅一起变形， 光栅 径向发生形变 ， 光栅周期 A 和光弹系数 P 均发生变 化， 从公式 l1 知， 光栅的中心波长会变大， 发生漂移。 3 ． 2实验结果与分析 实验中， 从 0 M P a 开始， 依次增加压力， 每次增加 5 MP a ， 一直到 6 0 MP a 。 每增加一次压力通过计算机的 监测软件读一次数 ， 记录 F B G中心反射波长的值 ， 监 测其波长的漂移情况。实验过程中保持室温不变 ， 同 时记 录光谱图的变化 。图 3 是 F B G的峰值波长随压 强加卸载的响应 曲线 。最小二乘拟合直线为 O ． 0 2 37 9 4 p1 5 45． 3 o 2 3 7 9 4 ’ 昏 占 3 1 舞 嚣 嚣曲 蠛 I 一⋯I ． 叠 攀 ． 。 图 5 光栅峰值 波长与压 强的关系 曲线 从图5中数据曲线可知， 光栅的中心波长随压 强的不 断增大而逐渐变大 ， 这是 由于光栅侧 向受 压 弯曲导致光栅各点伸长 ， 光栅周期 A 变大， 同时应 变也会引起 光弹效应 ，两者 导致峰值波 长 向右 漂 移。图中红线为加载曲线 ， 绿线为卸载 曲线 ， 蓝线为 加载拟合 直线 ， 根据拟合情况可以看出光栅 的线 性 度很好。， 压强灵敏度为 2 3 ． 7 9 4 p m ／ M P a ， 是裸栅的 8 倍 左右 ， 灵敏度 稍低但测量范 围大 ， 达到 5 0 MP a左 右。加载与卸载曲线比较一致 ， 说明传感器基本没 有迟滞 ， 多次加载的灵敏度分别为 2 4 ． 1 5 6 p m ／ M P a ， 2 2 ． 9 8 3 p m ／ MP a ， 和 2 3 ． 7 9 4 p m ／ M P a 。 7 8 - 煤矿 现代化 2 0 1 2 年第3 期 总第1 0 8 期 关于煤矿私挖乱采行为的法律定性与救济 李浩然 。 王 佳 z ， 冯达为 ， 1 ． 清华大学法学院。 北京 海淀区 1 0 0 0 8 4 ； 2 ． 山西阳泉煤业集团有限责任公司。山西 阳泉 0 4 5 0 0 0 3 ． 北京大唐集 团燃料有限公司 。 北京 西城区 1 0 0 0 5 2 中图分类号 D 9 2 2 ． 2 9 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 2 0 3 0 0 7 9 0 3 煤矿私挖 乱采现象 制约着煤 炭矿 山企业 的正 常有序发展， 更是危及矿山安全生产和国家自然资 源开采秩序的一大弊病。除了巨大的经济利益在背 后驱使违法者之外 ， 矿山企业在法律认知上的模糊 也导致其“ 束手束脚” 、 “ 无处下手” ， 这也是导致私 挖乱采行为猖獗 的重要原 因。对此 ， 笔者顺应 煤炭 企业法律风险控制 的需要 ， 对煤矿私挖乱 采行 为进 行系统研究 ，从而提出与此相适应 的法律建议 ， 提 高矿山企业防控 风险管理能力 。 1 法律定性 何为 “ 私挖乱 采” “ 私挖乱采” 是指没有法律资格或违反法定要 求的主体从事矿山开发行为的统称。对于“ 私挖乱 采” ，笔者欲澄清一个长期 以来 人云亦云的模 糊概 念 。现今凡是与煤矿开采有关 的违法行为均被冠 以 “ 私挖乱采” 的“ 帽子” ， 仿佛约定俗成。实际上 ， 这种 笼统 的理解方 式对准确界 定违法行 为的性质 和确 定相适应 的法律依据十分不利 。“ 私挖乱采” 最早见 诸于报端是在 1 9 8 2 年 7 月 2 8日的 人民日报 ， 一 篇题为 煤矿买煤转手卖 既顶任务又牟利 的文章。 文章提到 ， “ 不应买卖农 民私挖的原煤 ， 因为这会鼓 励农 民私挖乱采 。” [ 1 ] 由此可 以看 出 ， “ 私挖 ” 与 “ 乱 采” 是两个性质不同的概念 。其实 ， 除了从追根溯源 的视角考察外 ， 在字义分析上， 我们也可以发现“ 私 挖” 与“ 乱采” 分别指向不 同内容的行为。 “ 私挖” ， 是指私自开采， 是开采矿产资格缺失的 表现。 在实务中， “ 私挖” 主要表现为无证开采 ， 即没有 经过法定程序取得相关采矿许可证而擅 自开采矿产 资源的行为。这里的“ 私” 其实与“ 盗” 无异 ， 是一种擅 自开采他人拥有或者国家所有的矿产资源的行为。 无 证开采可 以分为两种类 型 ， 第 一 ， 自始不 具 备采矿资格的无证开采。 矿产资源法 第十六条规 定 “ 开采下列矿产资源的， 由国务院地质矿产主管 部 门审批 ， 并颁发采 矿许可证 ⋯⋯” 凡 未经过合 法 程序取得采矿许 可证 的而进行开采 的， 均视为无证 采矿行为。同时， 矿产资源法 第二十条规定， 国家 对国有规划区、 对国民经济有重要价值的矿区实行 有计划的开采 ， 如港 口、 机场 、 重要工业 区 、 铁路 、 河 流以及国家划定的自然保护区、重要风景区等 ， 凡 是违反规定在上述 区域采矿 的， 亦视为 自始无证开 4结论 本文设计 的基 于金属 弹性膜片 的压力传感器 ， 将光纤 B r a g g 光栅沿径向直接粘贴在膜片中心， 膜片 变形传递给光栅， 令光栅发生弯曲改变其栅距大小引 起反射中心波长的漂移 ， 通过监测中心波长的变化来 实现压强的传感测量。对传感器的结构、 受力变形进 行 了分析 ，得到了中心反射波长和压强之间的关系。 压强响应灵敏度和膜片的大小 、 厚度 、 弹性模量 、 泊松 比以及光栅的粘贴位置等有关 ， 通过调整这些参数就 可以改变传感器的灵敏度。 实验中得到的压强响应灵 敏度约为 2 3 ． 8 p m ／ M P a ， 灵敏度不高但测量范围大， 可 以用来测量较大范围的压强 ， 具有较好 的应用前景。 参考文献 [ 1 ] WE B S T E R J G ． T h e m e a s u r e m e n t ， i n s t r u m e n t a t i o n a n d s e n s o r h a n d b o o k [ M ] ． B o c a R a t o n ， F L ， U S A 79 CRC P r e s s ．1 9 9 9 Ma a s k a n t R， Al a v i e T ，Me a s u r e s R M，e t a 1 ． F i b e r o p t i c b r a g g g r a t i n g s e n s o r s f o r b rid g e mo n i t o ri n g ． Ce me n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 1 9 9 7 ， 1 9 1 2 1 3 3 H E C H T J ． 光纤光学I n 1 ． 4 版． 北京 人民邮电出 版社。 2 0 0 4 1 2 31 2 9 ． L I MJ ， YANG q i n g p i n g ，J ONE S B E，e t a 1 ． D P fl o w s e n s o r u s i n g o p t i c a l fi b e r b r a g g gra t i n g[ J ] ． S e n s o r s a n d A c t u a t o r s ， 2 0 0 1 ， 9 2 1 3 1 0 2 一 l 0 8 ． 德 贝林． 测量 系统应用与设计[ M] ． 北京 机械工 业 出版 社． 2 0 0 5 ． 徐 国富， 刘瑞复， 田大超．非 电量 电测工程手册． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 7 ． 2 9 3 2 9 6 刘涛， 杨凤鹏主编． 精通 A N S YS [ M] ． 清华大学出 版社． 2 0 0 2 ． 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 2 1 7 网 闻