基于光纤光栅的三向压力传感器设计与性能研究

一、研究背景

自上世纪光纤光栅问世以来，光纤光栅传感技术发展迅速，已成为结构健康监测领域的关键方法之一。当前，我国基础设施在"十五五"规划推动下持续投入建设，光纤光栅传感器在民用建筑、轨道交通等领域的应用前景愈发广阔。然而，传统光纤光栅监测方法在多方向应变测量方面存在局限，而实际工程结构（如桥梁支座、机械连接件、管道弯头）往往承受空间三向载荷。因此，发展一种结构紧凑、三向解耦的FBG压力传感器具有重要的工程价值。

二、基本原理

光纤光栅应变原理

当外界应力作用在光纤光栅上时，光栅周期和纤芯折射率均会发生改变，从而导致反射中心波长产生漂移。波长漂移量可表示为：

其中，Δλ_B为波长变化量，Δl 为弹性形变，Δn_eff为折射率变化量。将光纤光栅近似为圆柱体，作用于其上的应力可分解为轴向应力σ_x和横向应力 σ_y、σ_z 。根据胡克定律：

式中，σ_i为应力张量，C_ij为弹性模量，ε_j为应变张量（1、2、3对应x、y、z向正应力，4对应xy平面切应力）。要获得空间主应力，需先测量三个正交平面的线应变。设三个方向 α1、α2、α3的线应变分别为 ε_α1、ε_α2、ε_α3，代入二向应变状态方程：

联立求解可得ε_x 、ε_y 、γ_xy，进而计算主应变的大小和方向：

上述原理展示了从波长漂移到多向应变反演的完整路径，为三向压力测量提供了理论支撑。

三向解耦的结构设计原理

为实现三向压力的独立测量，本实验采用"3-FBG阵列+一体化弹性基体"集成结构，以边长20mm的Q235钢正立方体作为基体。将立方体分割成八个小块，分割缝隙宽2mm；三个正交面分别开设宽4mm、深2mm的沟壑。3个中心波长1550nm的FBG（栅区长2mm）分别粘贴于x、y、z方向的沟壑中心区域（见图1）。当某一方向压力作用于基体时，该方向产生压缩变形，轴向应变传递至该面FBG，引起波长漂移；正交方向因分割缝隙的应力隔离作用，波长保持稳定，从而实现了三向解耦。

图1 传感器结构设计(a)三维设计图 (b)实物照片

有限元仿真验证

利用ANSYS对基体进行有限元分析。材料参数：密度7.85g/cm³，杨氏模量2.0×10¹¹Pa，泊松比0.30。在x方向分别施加0.12MPa、0.18MPa、0.25MPa均布压力，计算得到的最大变形量依次为0.65×10^-6mm、0.90×10^-6mm、1.5×10^-6mm（见图2）。三个载荷下的变形量呈近似线性增长，表明基体在0-0.25MPa范围内处于线弹性阶段，为FBG提供了线性应变输出环境，也确定了传感器的量程范围。

图2 0.15MPa，0.20MPa，0.25MPa载荷下应变云图

三、实验测试与结果分析

基于光纤光栅的三向压力传感器封装后采用光纤光栅解调仪进行实验标定（见图3、图4）。

图3 封装后的光纤光栅传感器实物

图4 光纤光栅传感器标定系统

波长响应特性（动态响应）

分别对x、y、z方向施加阶跃压力，并同时测量其他两个方向动态响应特性，记录各FBG的波长-时间曲线。结果表明：

FBG1（z向）：对z向波长偏移量Δλ_z=0.8nm；x、y向波长基线波动<0.05nm。
FBG2（x向）：对x向波长偏移量Δλ_x=1.1nm；y、z向波长基线波动<0.03nm。
FBG3（y向）：对y向波长偏移量Δλ_y=1.2nm（三向最大）；x、z波长基线波动<0.04nm。

非受力方向波长波动均小于0.05nm，定向敏感性优异，证明传感器实现了三向压力的动态完全解耦，解决了传统三向压力传感器因方向耦合导致的测量失真问题，为三向压力的同步精准监测提供了核心保障。

静态压力-波长偏移标定

为系统探究该传感器对三向压力的响应规律与线性特性，随后在0.15、0.20、0.25MPa下进行静态标定实验。拟合结果如下（见表1）：
表1 传感器三向压力静态拟合参数

传感器在 0.15-0.25MPa 量程内，三向压力均呈现良好的线性响应特性，如图5（c）所示，三向拟合优度R²均大于0.998，整体测量精度误差<1.5%，满足工业级传感器标准。

静态解耦性能验证

在单一方向施加0.20MPa压力，另外两个方向的波长偏移量波动均处于极低水平（见图5a）。具体解耦数据如下：

y向：x向Δλ_x波动0.00-0.052nm，z向Δλ_z波动0.10-0.103nm。
z向：x向Δλ_x波动0.065-0.066nm，y向Δλ_y波动0.70-0.702nm。
x向：y向Δλ_y波动0.030-0.0302nm，z向Δλ_z波动0.020-0.0203nm。

图5 传感器在不同载荷下的波长变化值（a）在0.20MPa 载荷下（b）在0.25MPa载荷下；（c）z，x，y轴加载实验室光纤布拉格光栅的波长

上述测试结果与动态解耦特性验证实验的结论完全吻合，不仅直观印证了该光纤光栅传感器优异的三向解耦能力，更清晰表明其在三个正交方向的压力检测中具备良好的独立性。

四、讨论与展望

本研究针对传统多向压力传感器体积大、安装复杂、方向耦合严重的问题，设计了基于正立方体弹性基体与3个FBG阵列的三向压力传感器。通过有限元仿真、动态/静态实验得出以下结论：

线性响应良好与精度高：在0.15-0.25MPa量程内，传感器的三向压力线性良好（R²>0.998），x、y、z 向灵敏度达4.25nm/MPa，5.9nm/MPa、4.25nm/MPa，整体精度误差<1.5%，满足工业级压力传感器的应用标准。
解耦能力优异：动态与静态测试均表明非受力方向波长波动<0.1nm，各方向压力测量无交叉干扰，实现了三向压力的真正独立测量。
结构紧凑：传感器整体尺寸仅为20mm立方体，全光纤结构具有抗电磁干扰、耐腐蚀，可远程传输等优势，适用于桥梁支座、机械连接件、管道弯头、航空航天结构等复杂受力场景的长期健康监测。

文章来源：杜子健,樊伟,李震,等.基于光纤光栅的三向压力传感器设计[J/OL].光电子·激光,1-7[2026-05-08].https://link.cnki.net/urlid/12.1182.O4.20260421.1229.004.

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