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ΔλB为波长变化量Δl为弹性形变Δneff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σx和横向应力 σy、σz。根据胡克定律式中σi为应力张量Cij为弹性模量εj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 εα1、εα2、εα3代入二向应变状态方程联立求解可得εx、εy、γxy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 0.15MPa0.20MPa0.25MPa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FBG1z向对z向波长偏移量Δλz0.8nmx、y向波长基线波动0.05nm。FBG2x向对x向波长偏移量Δλx1.1nmy、z向波长基线波动0.03nm。FBG3y向对y向波长偏移量Δλy1.2nm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5c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Δλx波动0.00-0.052nmz向Δλz波动0.10-0.103nm。z向x向Δλx波动0.065-0.066nmy向Δλy波动0.70-0.702nm。x向y向Δλy波动0.030-0.0302nmz向Δλz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czxy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R20.998x、y、z 向灵敏度达4.25nm/MPa5.9nm/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.关注我们获取更多光纤传感技术前沿解读如需论文原文或技术合作欢迎私信交流。