A highly sensitive fiber Bragg grating diaphragm pressure transducer
Abstract
In this work, a novel diaphragm based pressure transducer with high sensitivity is described, including the physical design structure, in-depth analysis of optical response to changes in pressure, and a discussion of practical implementation and limitations. A flat circular rubber membrane bonded to a cylinder forms the body of the transducer. A fiber Bragg grating bonded to the center of the diaphragm structure enables the fractional change in pressure to be determined by analyzing the change in Bragg wavelength of the reflected spectra. Extensive evaluation of the physical properties and optical characteristics of the transducer has been performed through experimentation, and modeling using small deformation theory. The results show the transducer has a sensitivity of 0.116 nm/kPa, across a range of 15 kPa. Ultra-low cost interrogation of the optical signal was achieved through the use of an optically mismatched Bragg grating acting as an edge filter to convert the spectral change into an intensity change. A numerical model of the intensity based interrogation was implemented in order to validate the experimental results. Utilizing this interrogation technique and housing both the sensing and reference Bragg gratings within the main body of the transducer means it is effectively temperature insensitive and easily connected to electronic systems.
Keywords: Fiber Bragg grating, Edge filter detection, Temperature insensitivity, Intensity-based interrogation, Pressure diaphragm
1. Introduction
It is well understood that electronic sensors have limited capabilities in certain conditions such as harsh environments where there is risk of sparks causing an explosion, in extreme temperatures and pressures, or high electromagnetic interference (EMI), such as overhead transmission lines. These are the areas where optical fiber sensors offer an attractive alternative due to their small size and weight, immunity to EMI, and needing no power supply. Similarly, optical fiber sensors could replace electronic sensors in more mainstream applications because of other desirable attributes: low cost, high sensitivity, and passive nature. Provided the sensors have similar physical properties to electronic sensors such that they can be easily installed and removed, are as rugged as their electronic counterparts, and the complexity and cost of optical fiber sensing systems is comparable to equivalent electrical systems, optical fiber systems could potentially replace many electrical systems in the future.
Fiber Bragg grating (FBG) sensors exhibit all of the benefits associated with optical fiber sensors, not least their ability to be multiplexed. Many different FBG sensors have been developed with almost all measurands being manipulated to cause either a change in the effective refractive index or in the grating period of the FBG. These measurands include temperature, strain, level, flow, and pressure. Most of these variables can be measured using a bare fiber FBG, although the sensitivity and dynamic range of these sensors would be essentially fixed without the development of appropriate transducers. By designing proper mechanical systems in conjunction with FBG sensing technology, highly sensitive instruments with the desired attributes for any given application can be obtained. Furthermore, by manipulating the optical response of the FBG it is possible to use simpler interrogation techniques rather than being forced to use expensive solid state optical interrogators.
Appropriate pressure transducers are desirable as the intrinsic sensitivity of bare FBGs is only 3.04 pm/MPa, which is far too low for most pressure sensing applications. Hence, virtually all FBG pressure sensors actually measure the strain induced wave-length shift and relate it to a change in pressure. Liu et al. reported simultaneous measurement of pressure and temperature using a polymer coated FBG. Their results showed a sensitivity of -80 pm/MPa and 88 pm/0C at 1540.2 nm. They then increased the sensitivity of their sensor to -5.28 nm/MPa by embedding the polymer coated FBG in an aluminum cylinder. In their later work, with the polymer coated FBG embedded in a copper cylinder, they report a sensitivity of -3.77 nm/MPa at 1558 nm but with improved thermal stability. The group then reported an ultra thin FBG pressure sensor with the FBG bonded perpendicular to a diaphragm causing the FBG to stretch along the length of the FBG under pressure. They studied the effects of varying the radius and Youngrsquo;s modulus of the diaphragm. When optimized, the sensitivity is as high as 7 nm/MPa.
Optical fiber pressure sensors based on traditional pressure transducers have also been reported. Huang et al. described a Bourdon tube with an FBG attached to it which had a sensitivity of 1.414 pm/kPa across a range from 0 to 1 MPa. The same group also reported a diaphragm type FBG pressure sensor with a sensitivity of 1.57 pm/kPa across a range from 0 to 1 MPa. By using two FBGs and analyzing the difference in the wavelength shift, the temperature sensitivity was effectively eliminated. Similarly, other groups such as Vengal Rao et al. and Xiong et al. have also described diaphragm type FBG pressure sensors where the FBG is bonded perpendicular to the diaphragm surface with a U-shaped clamp. They report a sensitivity of 31.67 nm/MPa and 3.55 nm/MPa, respectively. Pressure sensors using long period gratings and microstructured optical fibers have also been demonstrated.
Here, a highly sensitive diaphragm based pressure transducer for extremely low pressure applications has been developed. The response of the transducer has been modeled using small deformation theory and the results have been compared to analogous experiments. Furthermore, a simple ultra-low cost interrogation technique has been imple
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译文：
一种高度敏感光纤布拉格光栅膜片压力传感器
摘 要
这项工作，是描述一种新型具有高灵敏度的膜片式压力传感器，包括物理设计结构，深入分析光学响应变化的压力，并讨论了实际的实施和限制。一种扁平的圆形橡胶膜连接到一个圆筒形的换能器的身体。一种光纤布拉格光栅结合的隔膜结构的中心，使分数变化的压力，以确定通过分析在布拉格波长的反射光谱的变化。通过实验，对传感器的物理性质和光学特性进行了广泛的评价，并用小变形理论进行建模。结果表明，该传感器在15kPa的范围具有灵敏度为0.116nm/kPa。超低成本检测的光信号是通过使用一个光学不匹配的布拉格光栅作为一个边缘滤波器，转换成一个强度变化的光谱变化。基于强度的检测的数值模型，以验证实验结果。利用这种讯问技术和住房的传感和参考布拉格光栅的换能器的主体内的装置，它是有效的温度不敏感，容易连接到电子系统。
关键词 光纤布拉格光栅，边缘滤波器检测，温度不敏感，强度为基础的检测，压力膜片
1.简介
据了解，电子传感器在某些条件下具有有限的能力，如恶劣的环境中，有火花导致爆炸，在极端温度和压力，或高电磁干扰（电磁干扰），如架空输电线路。这些领域的光纤传感器提供了一个有吸引力的选择，由于其体积小，重量轻，抗电磁干扰，并没有电源供应。同样，光纤传感器可以取代电子传感器在更主流的应用，因为其他的理想属性：低成本，高灵敏度和被动性。提供的传感器具有类似的物理性质的电子传感器，这样，他们可以很容易地安装和拆除，坚固耐用，因为它们的电子同行，和光纤传感系统的复杂性和成本是相当于电气系统，光纤系统可以取代许多电气系统的未来。
光纤布拉格光栅传感器显具有与光纤传感器一样所有的好处，而不是他们的能力被复用。许多不同的FBG传感器已与几乎所有物质被操纵导致的有效折射率和光栅的光栅周期的变化发展。这些物质包括温度，压力，流量，和压力水平。大多数这些变量可以使用一个裸光纤光栅测量，虽然这些传感器的灵敏度和动态范围，基本上是固定的，没有适当的传感器的发展。通过设计适当的机械系统结合光纤光栅传感技术，高度敏感的仪器与所需的属性为任何给定的应用程序可以得到。此外，通过对光纤光栅可以使用简单的检测手段而不是被迫使用昂贵的固态光学检测的光学响应。
适当的压力传感器是可取的裸光纤光栅固有的灵敏度仅为3.04 pm/MPa，大部分压力传感应用都太低。因此，几乎所有的光纤光栅压力传感器实际测量的应变引起的波长偏移，并将其与压力的变化。刘等人报告同时测量压力和温度使用聚合物涂层的光纤光栅。他们的研究结果显示，灵敏度80 pm/MPa 和88点/℃1540.2 nm。然后他们增加他们的传感器的灵敏度-5.28 nm/MPa的铝瓶嵌入聚合物涂覆的光纤光栅。在以后的工作中，与聚合物FBG埋入铜缸，他们报告的敏感性为-3.77nm/MPa在1558 nm但热稳定性提高。然后，该组报道了一种超薄的光纤光栅压力传感器与光纤光栅垂直于一个膜片，使光纤光栅沿压力下的光纤光栅的长度延伸。他们研究了不同的半径和杨氏模量的隔膜的影响。优化时，灵敏度高达7nm/MPa。
基于传统压力传感器的光纤压力传感器也有报道。黄等人描述与FBG附着在它的灵敏度1.414 pm/kPa跨越的范围从0到1兆帕的波登管。同一组还报告了膜片式光纤光栅压力传感器的灵敏度和1.57 pm/kPa跨越的范围从0到1MPa。采用双FBG和分析不同的波长，温度敏感性是有效地消除。同样，其他组织如vengal Rao等人。和熊等人。还描述了在垂直于膜片表面的膜片式光纤光栅压力传感器。他们报告的灵敏度分别为31.67nm/MPa和3.55nm/MPa，利用长周期光栅和微结构光纤也被证明压力传感器。
在这里，一个高度敏感的隔膜为基础的压力传感器，用于极低压力的应用已经研制出来。使用小变形理论和实验结果进行了比较，以模拟传感器的响应。此外，一个简单的超低成本的检测技术已经实施的尝试，以增加渗透到主流的工业过程，通过使他们很容易与当前的电子控制器兼容的光纤光栅传感器。通过将反射信号分解为两个，并使用一个信号作为参考，或通过比较传输和反射信号，它是能够克服与基于强度的检测技术，如光功率波动的问题。此外，简单性和降低成本的检测远远超过了缺点，特别是在准静态的应用。
2.换能器设计与建模
膜片式压力传感器将FBG粘接到金属膜片已设计、测试和报告。通常情况下，膜片的杨氏模量和物理尺寸在转动时远远大于光纤的光栅。因此，应力引起的波长偏移基本上是由膜的物理性质决定的。在不再的情况下考虑使用橡胶隔膜。二氧化硅纤维的杨氏模量是显着大于隔膜，这样的纤维本身是确定的应变引起的波长移位的限制因素，特别是在该地区的保税光纤光栅。然而，它示出的换能器的灵敏度是密切相关的实际膜片的半径。基于小变形的建模支持这一假设，并与实验数据相同。
2.1.传感器的设计
一种常用的橡胶材料，用作膜片压力传感器的弹性体。一个小的圆形块的橡胶，与约14毫米的半径，是连接到一个塑料缸，而光纤光栅是保税中心附近的橡胶膜片。所用的橡胶的杨氏模量实验确定使用PASCO的应力/应变仪，发现约1.4 MPa。同样，测定为约50GPa的石英纤维的杨氏模量。由于纤维和膜片的相对大小和模量，估计纤维提供的一个因素的200个电阻比隔膜，因此，设置可以被认为是完全控制的纤维。
2.2.小变形
换能器的弹性体是一个圆形的平面膜片。当压力被施加到膜片的一侧时，应变被施加在膜片上，分布在其中心。所提供的隔膜的边缘是固定在一个圆柱体上，并且所施加的压力是均匀的穿过整个膜片，膜片上的任何一点都可以用小变形理论计算。小变形理论特别介绍了径向和切向应变，在任何点上的圆形膜片作为施加的压力P，给出函数：
E是材料的杨氏模量,h和R分别是隔膜的厚度和半径,R是隔膜的中心的距离的测量。中心的隔膜总应变的大小,是由:
图1显示了一个圆形膜片的归一化应变分布曲线。使用小变形理论，如图2所示的建议的设计的斑点分布曲线也进行了模拟。所用的参数为：杨氏模量E=50GPa,泊松的比率upsilon;=0.19，半径R=14.0mm,厚度h=0.125mm。
3.理论和实验应变诱导的布拉格波长偏移
由于压力，纤光栅广泛应用于电信行业，虽然他们作为分布式传感元件变得越来越有利。的布拉格波长度移位的光纤光栅已记录了超过30年，基本上是由于温度变化或外部施加的应变，虽然他们已被示出测量一个数组的不同的环境条件。
3.1.光纤布拉格光栅原理
光纤布拉格光栅是一种用高能量光源和相位掩模写入光纤芯的光学滤波器。一种具有交替折射率区域的同轴光学光栅。由宽带光源照射时，光栅会导致许多部分反射发生在不同区域内，这样的一个特定的窄频带从光栅反射，并且所有其它波长都是传输泰德。峰值反射波长被称为布拉格波长,并用有效折射率来确定,光栅与光栅周期Lambda;
图1.一种圆形膜片的应变分布曲线，示出了从膜片中心的一个函数的切向和径向应变变化。在中心的应变是在那里r= 0。
图2.（a）切向应变和（b）径向应变作为距离的函数，从该中心的隔膜，和施加的压力。
因此，任何外部被改变的折射率和光栅周期变化的布拉格波长。在恒定温度下，布拉格波长偏移，由于施加的应变，已经被给出了给出了：
在P11和P12的应变光学系数m为泊松比。
3.2.实验程序和结果
该传感器的光学响应，由于压力测量使用的设置如图3所示。光纤光栅膜片传感器连接到一个T型连接的小橡皮管。丁字路口的一个出口连接到一个电子压力传感器和数据采集系统，记录压力的变化。另一个出口连接到一个固定的注射器，以提供一个增量的压力变化。光源是一个宽带超辐射发光二极管（SLD）(DenseLight DL-BZ1_CS5254A)，这是连接到一个环行器的1端口(AFWCIR-4-12-L-1-2)，与光纤连接到端口2，和光谱分析仪（OSA）、(Thorlabs OSA202)连接到端口3。
记录并分析了反射波长谱。图4显示了反射光谱作为一种施加压力从2 kPa，12 kPa气压1 kPa增加相应的功能，每个光谱具有便于查看0.002/kpa偏移。短跑间距的增加相当于压力的增加。图中显示的是在峰值光功率的小波动，作为压力变化。波长的移位是线性的，并且反射光谱的形状不随压力的增加而改变。
图3.作为相对压力的传感光纤光栅的波长偏移的实验装置
图4.反射波长光谱作为一个从2 kPa压力相对于大气压力12 kPa和增加强度的补偿功能。增加的短跑间隔是指增加的压力。
图5.布拉格波长作为施加压力的函数，具有重复测量和仿真结果。该实体线是最适合所有数据的平均线。虚线显示模拟结果，与相应的半径为11，12和14.4毫米的虚线间距。不同颜色的标记代表从不同的实验运行的结果。（对于本图中所提及的颜色的引用，读者可以参考本文的网络版本）。
实验重复三次，平均传输功能记录。图5表示由于施加的压力，在整个压力范围内的光纤光栅的布拉格波长偏移是线性的，有一个很好的协议与所有三个运行显示的结果是高度可重复的。实心线显示平均传递函数。压力传感器具有0.116 nm /千帕的平均灵敏度，可媲美0.048 nm／kPa波纹管基于金属传感器，宋等人报道，和0.031 nm／kPa膜片压力传感器，通过vengal Rao等人报道。
基于小变形的不同的纤维长度的模拟结果显示，在相同的图作为虚线。越来越突间距对应的半径为11毫米，12毫米和14.4毫米，分别。的值为14.4毫米的换能器的最大可用半径：然而，数据相关性很好，与半径为11毫米。这是因为光纤光栅并没有精确地连接到膜片的中心，这就降低了可用的半径。此外，这表明比通过改变传感器的位置，并因此在膜片的光纤的长度，可以修改的换能器的灵敏度
4.基于强度的检测
光纤传感系统中所使用的询问技术的类型对各系统的通用性和成本有着重要的影响。讯问的类型决定了传感器，可以使用在任何单一的分布式传感系统是否和时分复用（TDM）的数量或波分复用（WDM）可以使用。商业人员提供一系列的规范，包括传感器的数量和类型的复用，以及精度和分辨率。然而，基本模型仍然需要光学工程的知识，可以是一个系统的成本的很大一部分，在某些应用。简单的低成本的检测技术已经证明，并有可能使光纤传感器渗透到更多的主流应用。
4.1.边缘滤波检测
有许多不同的检测方法，用于检测布拉格波长偏移由于外部被测量的变化并将其转换成光域到电域，虽然边缘滤波器的检测，是一种最简单而最有效的成本。在边缘滤波器检测中，使用线性边缘的光学滤波器将波长转换成光强度。作为布拉格波长谱的光纤光栅的跨滤波器的变化，反射强度增加从0%到100%。参考的光纤光栅可以用作传感光纤光栅的边缘滤波器，其中的总反射强度具有线性响应横跨该地区的参考高斯频谱是约线性的，即在两个光纤光栅反射光谱重叠从20%到80%。该滤波器的斜率，或半高全宽（FWHM）的参考光栅光谱，确定灵敏度和动态范围的讯问制度。图6显示了一个线性边缘滤波器的基本工作原理，利用光学不匹配的光纤光栅
Wild 和Richardson 开发的基于光纤光栅检测强度数值模型。他们的模型可以用来阻止我的反射强度的光纤光栅，使用激光光源（功率检测）。同样的方法已被用于这项研究，从使用宽带光源双FBG反射强度模型。这是因为反射信号的光纤光栅作为高斯，从激光信号。他们的研究还讨论了线性滤波器的边缘检测可以用于该系统的近似。总反射功率由
图6.利用光学不匹配的光纤光栅的线性边缘滤波器的工作原理
B是振幅的宽带源,和分别是传感和参考光栅的反射率，和分别是遥感和参考FBG的布拉格波长，和的光纤光栅信号的宽度，这样的宽度由给出了
此外，强度谱进行了模拟和比较的实际强度谱施加的压力的不同的值。在模拟中使用的值是：
有效折射率 ，，，，以及。
4.2.实验程序和结果
使用实验装置如图3所示，从传感光纤光栅的反射光谱没有施加压力，和一个光学不匹配滤波器的光纤光栅，在19 LC被记录，如图7所示。该图显示其相对的峰值强度，在压力施加到传感器位置和谱宽。将FBG然后连接到四端口环行器的2端口，参考FBG是连接到端口3，和OSA连接到端口4，以便记录从FBG反射光谱。光电路如图8所示。
图7.传感（曲线）和参考（固体曲线）的应用压力的情况下的光纤光栅光谱
图8.讯问系统的光学电路原理图
最初，由于两光纤光栅反射谱的有效不重叠，没有反射光谱的OSA的记录，如预期。由于压力被施加到换能器，和所反射的频谱从传感器的光栅位移的参考光栅，一个幅度增加的强度波形被记录。随着压力的进一步增加，信号的幅度达到最大，然后再次下降到零。结果在图9A与强度的增加抵消。图显示，作为信号的重叠，高斯类似的强度波形产生。由于施加的压力，无论是宽的反射信号的振幅增加，以及转变的峰值波长从1555.4 nm到1555.7 nm。的最大强度发生在两个单独的信号具有相同的布拉格波长，在约1555.52纳米，这对应于参考光纤光栅的布拉格波长，如预期。图9A表明峰值强度的变化，为每个单独的光谱波长和半峰宽。模拟光谱基于高斯波形重叠在图9b所示。结果表明模型与实际数据的相关性。唯一的主要区别是，真正的数据波形稍宽，因此有较大的半峰全宽。
图9.真实和模拟反射的光纤光栅作为施加的压力的函数组合光谱。提高短跑间隔对应表压力增加3.5～0.5 kPa的增量在9 kPa。模拟结合压力预测方程相关的移行（5）和使用图5中用公式确定的参数（6）
图10.作为施加压力的函数的输出信号的总光强度。模拟强度与固体线示出，
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