膜片波紋膜片式光纖法布里-珀羅壓力傳感器

光纖壓力傳感器具有抗輻射、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于工程建設(shè)、石油鉆井、大型變電設(shè)備等高輻射、高電磁干擾、高溫高壓等極端環(huán)境。為了更安全、準(zhǔn)確、便捷地獲取傳感器的壓力信息，提高測(cè)量精度，需要開(kāi)發(fā)新的材料或進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微型法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通常有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和膜片結(jié)構(gòu)2種。毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的壓力傳感器對(duì)壓力感知敏感度低，可用于大壓強(qiáng)范圍的測(cè)量，但不適于對(duì)精度要求高的微壓測(cè)量。膜片式法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)理論上可以獲得較高的靈敏度，成為最常用的干涉型光纖壓力傳感器，它具有損耗低、抗干擾、靈敏度高、線性度好、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)良特性。為了進(jìn)一步提高膜片式F-P壓力傳感器的靈敏度，設(shè)計(jì)并研制了波紋膜片式光纖 F-P 壓力傳感器，該傳感器靈敏度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

膜片傳感器的結(jié)構(gòu)分析

壓力傳感器由波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤和光纖插頭等構(gòu)成，其中d波紋膜片即為壓力敏感膜。1）將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個(gè)端面粘合，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合；2）將玻璃圓環(huán)另一端的外壁與光纖法蘭盤的凹槽粘結(jié)并將外部封裝固化；3）將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤，即構(gòu)成一個(gè)壓力傳感器。光纖插頭的端面與波紋膜片的下表面形成法布里-珀羅(F-P)腔。光經(jīng)光纖垂直入射，一部分被光纖端面反射，另一部分光經(jīng)過(guò)空氣腔，被波紋膜片下表面反射，2束光在光纖內(nèi)部發(fā)生干涉。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化，波紋膜片將發(fā)生形變，從而改變 F-P腔的腔長(zhǎng)，引起反射譜的相位移動(dòng)。對(duì)反射光譜進(jìn)行解調(diào)，可以得到腔長(zhǎng)的大小，從而計(jì)算得出作用于波紋膜片上的壓力。

膜片傳感器在不同壓力下的模態(tài)分析

設(shè)置波紋膜片的參數(shù)：工作半徑為4600μm，厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm，楊氏模量為200GPa，泊松比為0.3，材料為316L不銹鋼。

仿真計(jì)算波紋寬度為500、600、750、1000μm時(shí)撓度隨壓力的變化曲線。在同等壓力下，波紋寬度越大，撓度越大。當(dāng)波紋寬度高于750μm時(shí)，壓力-撓度曲線的線性度變差。為了得到撓度變化較大且線性度較好的值，選擇波紋寬度為750μm的波紋膜片。

仿真計(jì)算波高為10~90μm時(shí)撓度的變化情況。當(dāng)波高為30~80μm時(shí)，撓度有較高的變化量，在撓度相同、線性度近似的情況下，綜合考慮波紋膜片的加工成本，選擇波紋高度為60μm的波紋膜片。

利用 CoventorWare 軟件進(jìn)行仿真，設(shè)置敏感膜的厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm。在敏感膜上施加0.1MPa的壓力，波紋膜撓度為55μm。

膜片傳感器壓力測(cè)試系統(tǒng)

光纖傳感分析儀采用光纖傳感分析儀Si720。Si720的光源與探測(cè)系統(tǒng)是各自獨(dú)立的，且具有2個(gè)通道，每個(gè)通道可以檢測(cè)100個(gè)傳感器，全部傳感器以5Hz同步掃描，波長(zhǎng)分辨率為0.25pm，精度為±1pm。2個(gè)通道采用高功率掃描激光器作為光源，輸出波長(zhǎng)為1510~1590nm，光源輸出的光通過(guò)一個(gè)2×2光纖耦合器被分成強(qiáng)度相等的2束光。一束光被接回到CH2檢測(cè)通道，作為入射參考光；另一束光傳輸經(jīng)過(guò)F-P微腔形成干涉信號(hào)，再通過(guò)光纖耦合器接回到CH1檢測(cè)通道，作為反射測(cè)量光；2束光同時(shí)進(jìn)行掃描并傳入計(jì)算機(jī)。由于波紋膜撓度和壓力呈線性關(guān)系，因此壓力的大小可由對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)的變化量來(lái)確定。

用YS-2.5型活塞壓力計(jì)對(duì)傳感器從0~0.1MPa進(jìn)行均勻升壓，每隔0.01MPa標(biāo)定一次，25 ℃時(shí)，微壓傳感器的初始腔長(zhǎng)為137.11μm，腔長(zhǎng)總變化量為51.8μm，并用LabView軟件仿真得到傳感器的腔長(zhǎng)隨壓力變化曲線 ，Matlab計(jì)算得到的腔長(zhǎng)擬合方程為L(zhǎng)=518.0188P 137.1081，均方根誤差為0.9991，傳感器精度為1.05%F、S、(F、S、 表示全量程范圍)，靈敏度為51802μm/MPa，與仿真結(jié)果一致。

遲滯性是反映傳感器在正反行程過(guò)程中輸出-輸入曲線的不重合程度的指標(biāo)。先對(duì)壓力傳感器從0均勻升壓至 0.1MPa，再均勻降壓至0，可以看出傳感器升降壓曲線幾乎重合，計(jì)算得到相對(duì)遲滯誤差為0.4%，遲滯效應(yīng)很弱。

分類廣泛：如夾布型膜片、純橡膠型膜片、金屬/橡膠復(fù)合型膜片、金屬/橡膠/塑料三者復(fù)合型膜片等等；

電聲行業(yè)膜片而言：它的主要作用就是將電流轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，如我們常見(jiàn)的“揚(yáng)聲器”等；

過(guò)濾隔離行業(yè)膜片而言：它實(shí)際是由很多微小的納米微孔組成，起到分離相關(guān)介質(zhì)的作用，如空氣凈化、水處理凈化等行業(yè)；

光學(xué)行業(yè)膜片：它起到光學(xué)折射、光學(xué)處理等作用；如常見(jiàn)的“太陽(yáng)能電池板”、“太陽(yáng)鏡膜”、”汽車防爆膜“等等。

對(duì)于機(jī)械行業(yè)膜片而言：圓形膜狀的彈性敏感元件。當(dāng)膜片的兩面受到不同的壓力（或力）的作用時(shí)，膜片向壓力低的一面應(yīng)變移動(dòng)，使其中心產(chǎn)生與壓力差成一定關(guān)系的位移。膜片的形式主要有平膜片、垂鏈?zhǔn)侥て筒y膜片三種。平膜片又可按周邊是否固定支撐、中心是否開(kāi)孔以及膜片區(qū)域受力分布狀況的不同等分為多種形式，其中最常用的是由周邊固定的等截面圓形薄板構(gòu)成的平膜片。垂鏈?zhǔn)侥て煽拷吘壧庨_(kāi)槽的圓板構(gòu)成，其彈性應(yīng)變主要發(fā)生在邊緣環(huán)形槽處，常用這種膜片壓縮應(yīng)變管或柱來(lái)達(dá)到測(cè)壓目的。垂鏈?zhǔn)侥て挠仓行牟糠衷谑軌阂苿?dòng)時(shí)接近平移，因此用于電容式傳感器或壓電式傳感器效果較好。波紋膜片壓有環(huán)狀同心波紋。為了增加膜片中心的位移可把兩個(gè)膜片焊在一起制成膜盒或進(jìn)一步把數(shù)個(gè)膜盒串接成膜盒組。

導(dǎo)彈飛行優(yōu)化控制和推進(jìn)劑能量最優(yōu)管理需要，發(fā)展了一種采用隔層式 ( 軟隔離) 或隔艙式 ( 硬隔離) 隔離裝置進(jìn)行固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室分隔的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的多次關(guān)機(jī)、啟動(dòng)。在現(xiàn)有兩種形式隔離裝置中，隔艙式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、下一級(jí)脈沖裝藥形式限制小、打開(kāi)壓強(qiáng)統(tǒng)一性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐漸發(fā)展形成噴射棒、非金屬易碎、金屬膜片等形式隔離裝置的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)。

金屬膜片式隔艙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)常選用金屬或非金屬支撐件、一側(cè)經(jīng)絕熱處理的金屬膜片組合進(jìn)行燃燒室分隔，經(jīng)驗(yàn)證，該方案采用隔熱層、沉淀硬化不銹鋼隔板本體、絕熱層和金屬膜片結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)燃燒室分隔，但仍存在質(zhì)量大、絕熱特性差等缺點(diǎn)。提出了8通氣孔金屬隔板設(shè)計(jì)，提高了絕熱和抗燒蝕性能，但結(jié)構(gòu)型面仍有不足。

輪輻式支撐件可減小隔艙重量，并且可與密封膜片緊密貼實(shí)，因此被廣泛應(yīng)用于各類脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，在膜片上還能實(shí)施刻痕、絕熱處理、材料改進(jìn)等措施，可進(jìn)一步改善打開(kāi)壓強(qiáng)、材料敏感性等特性。

膜片金屬膜片設(shè)計(jì)

采用金屬膜片和輪輻式支撐構(gòu)成隔艙結(jié)構(gòu)完成雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室級(jí)間隔離。其工作原理為： I 脈沖點(diǎn)火工作時(shí)，在金屬膜片分隔作用下兩脈沖燃燒室保持獨(dú)立； 當(dāng) II 脈沖工作內(nèi)壓達(dá)到打開(kāi)壓強(qiáng)后，膜片按預(yù)先設(shè)計(jì)形式破裂，兩級(jí)燃燒室貫通，燃?xì)庖来瓮ㄟ^(guò)隔艙結(jié)構(gòu)、I 脈沖燃燒室和尾噴管后排出，產(chǎn)生第二次推力。

為實(shí)現(xiàn)以上工作過(guò)程，金屬膜片在隔艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中占重要地位。根據(jù)液體發(fā)動(dòng)機(jī)閥門破裂膜片研究方法，確定采用強(qiáng)度高、易變形的LY12鋁合金材料、薄板形式金屬膜片。另外，為可靠、方便地控制打開(kāi)壓強(qiáng)、隔艙消融形狀，還需在其一側(cè)進(jìn)行預(yù)先刻痕處理。

膜片應(yīng)力強(qiáng)度因子公式推導(dǎo)

在不影響結(jié)論正確性基礎(chǔ)上，做以下假設(shè)以便合理確定預(yù)制缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成膜片設(shè)計(jì)：

( 1) 選取垂直于缺陷槽的任一截面作為研究對(duì)象，將該截面簡(jiǎn)化為二維板條結(jié)構(gòu)。

( 2) 膜片實(shí)際破壞過(guò)程為瞬間動(dòng)態(tài)過(guò)程，材料還未發(fā)生塑性屈服，近似認(rèn)為膜片的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程為線彈性斷裂問(wèn)題。

( 3) 圓弧長(zhǎng)度與預(yù)制缺陷V型槽斜面長(zhǎng)比值小于0.05倍時(shí)，膜片打開(kāi)壓強(qiáng)對(duì)預(yù)制缺陷尖端圓角并不敏感，因此，預(yù)制缺陷需確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅為V型槽開(kāi)口角度α，缺陷深度a和膜片厚度h。

此外，由于所確定的金屬膜片預(yù)制缺陷槽為均勻放射狀，各缺陷槽尺寸、受力狀態(tài)完全相同，忽略各缺陷槽之間的影響，任取其中任一條缺陷作為研究對(duì)象；所設(shè)計(jì)的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴(kuò)展破壞，因此只需求解預(yù)制缺陷處的 I 型應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI 即可表征金屬膜片設(shè)計(jì)合理性。

膜片金屬膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)II脈沖藥柱穩(wěn)定點(diǎn)燃初始?jí)簭?qiáng)控制要求，確定金屬膜片設(shè)計(jì)打開(kāi)壓強(qiáng)為2.2MPa。在某實(shí)際隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)直徑限制膜片半徑R =142mm時(shí)，確定動(dòng)態(tài)斷裂韌性約為21MPa /m²的膜片結(jié)構(gòu)尺寸分別為： 開(kāi)口角度α =90°，缺陷深度a=1mm，膜片厚度h=3mm。

經(jīng)計(jì)算，在該參數(shù)條件時(shí)預(yù)制缺陷上應(yīng)力強(qiáng)度因子隨徑向距離變化關(guān)系?？梢钥闯觯?由于圓板中心處應(yīng)力最大，應(yīng)力強(qiáng)度因子在該處也達(dá)到極大值，其后隨徑向距離增大逐漸減小。此外，圓心處應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到21.4 MPa/m² ，大于對(duì)應(yīng)材料斷裂韌性，因此在該燃燒室內(nèi)壓作用下，膜片將從中心位置開(kāi)始破壞并逐步擴(kuò)展致整個(gè)預(yù)制缺陷，符合預(yù)先設(shè)計(jì)。

膜片金屬膜片打開(kāi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為考核結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理性，采用裝置開(kāi)展隔艙金屬膜片打開(kāi)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置由 I、II 脈沖集壓室、隔艙結(jié)構(gòu)、進(jìn)壓口、測(cè)試裝置等部件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中在 II 脈沖集氣室內(nèi)裝填假藥柱以真實(shí)模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)自由空間，通過(guò)設(shè)置在兩個(gè)集壓室的進(jìn)壓口與利用適量點(diǎn)火藥產(chǎn)生的壓強(qiáng)相互聯(lián)通模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室初始?jí)簭?qiáng)。

針對(duì)設(shè)計(jì)膜片結(jié)構(gòu)開(kāi)展6次實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行的膜片完整性檢查結(jié)果顯示： 除第一次實(shí)驗(yàn)中膜片結(jié)構(gòu)較為完整外，其余均從預(yù)制缺陷位置產(chǎn)生3～ 5條數(shù)量不等的 I 型貫穿性裂紋，與預(yù)先“米”字形設(shè)計(jì)一致。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)后五次實(shí)驗(yàn)中各條缺陷均未同時(shí)貫穿，主要原因在于：應(yīng)力強(qiáng)度因子一致性受缺陷深度加工誤差影響較大，必然導(dǎo)致破壞程度存在一定差異。

第一次實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火藥產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)僅為1.68MPa，小于打開(kāi)壓強(qiáng)設(shè)計(jì)值，因此膜片打開(kāi)失??； 其余5次實(shí)驗(yàn)因建壓加載速率差異等因素影響，各次實(shí)驗(yàn)曲線間存在一定差異，但總體變化趨勢(shì)趨于一致，五次實(shí)驗(yàn)中打開(kāi)壓 強(qiáng)平均值為2.10MPa，與設(shè)計(jì)值誤差約為4.545% ，說(shuō)明采用所建立方法獲得的金屬膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

(1) 運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)，是碟形膜片、波紋膜片的3倍—7倍。

(2) 與碟形膜片、波紋膜片直徑相同、材質(zhì)相同、厚度相同的情況下，承受壓力最高。

(3) 在膜片運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)受壓面積是恒定的，所以對(duì)閥桿、閥瓣可以獲穩(wěn)定的推、拉力。

(4) 膜片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程與套筒內(nèi)壁、托盤外表面之間是滾動(dòng)工作，摩擦阻力極小。

(5) 允許介質(zhì)中帶有微粒、雜質(zhì)、煤氣中的焦油等。

(6) (6)對(duì)于套筒內(nèi)壁及托盤外表面的加工精度、表面粗糙度要求比活塞裝置低。

(7) 托盤、閥桿發(fā)生微小偏斜和偏心時(shí)，在氣體的作用力下會(huì)自動(dòng)找正對(duì)中。

(8) 平衡膜片只允許單向受力，承受的壓差比活塞裝置小，目前，國(guó)內(nèi)用于調(diào)壓器產(chǎn)品的滾動(dòng)膜片承壓一般不超過(guò)0．8MPa。

膜片和膜盒

相同膜片、膜盒主要用作壓力測(cè)量?jī)x表的測(cè)量元件。膜盒用于測(cè)量微小壓力。膜片用于測(cè)量不超過(guò)數(shù)兆帕的低壓；也可用作隔離元件。在相同的條件下，平膜片位移最小，波紋膜片次之，膜盒最大。如需更大位移，可將數(shù)個(gè)膜盒串聯(lián)成膜盒組。