基于PDMS海绵介质的柔性...纤压力传感器制备及性能研究_张会新.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期1引言任何两个物体接触均产生压力，压力作为生活中重要物理量之一，对压力监测的研究变得尤为重要。电容式压力传感器、压阻式压力传感器等均为目前常见压力传感器，但是这些相比柔性压力传感收稿日期：2022年9月11日，修回日期：2022年10月26日基金项目：国家自然科学基金项目（编号：51822003）资助。作者简介：张会新，男，博士，副教授，研究方向：动态测试技术与仪器。林雅坤，女，硕士，研究方向：动态测试。洪明森，男，硕士，研究方向：动态测试。洪应平，男，博士，副教授，研究方向：动态测试。隋丹丹，女，研究员，研究方向：集成电路测试及应用开发。基于 PDMS 海绵介质的柔性光纤压力传感器制备及性能研究张会新1林雅坤1洪明森1洪应平1隋丹丹2（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051）（2.中国兵器工业集团第二一四研究所苏州215000）摘要为了提高柔性光纤压力传感器的灵敏度和稳定性，对压力传感器结构设计、结构参数及制作工艺进行了研究。设计并制作了基于海绵增敏结构下的不同厚度和不同固化温度的光纤压力传感器。对比了不同参数下传感器的性能得出了最佳的厚度和固化温度，最后利用光频域反射计（OFDR）测量了光纤应变变化。结果表明，在PDMS基底配比和固化时间恒定的情况下，厚度和固化温度均对柔性光纤压力传感器的灵敏度有影响，并验证了当施加压力的范围为0276.2kPa，加压的步长为27.7kPa时，PDMS厚度3mm，固化温度80的传感器灵敏度最高，可达6.65/kPa。同时，柔性压力传感器具有柔韧、轻薄、可测量复杂曲面等优点，为航天航海领域弧形物体表面压力测量提供了可靠的解决方案。关键词PDMS；光纤压力传感器；灵敏度；光频域反射计中图分类号TP212；TN253DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.037Preparation and Performance of Flexible Optical Fiber PressureSensor Based on PDMS Sponge MediumZHANG Huixin1LIN Yakun1HONG Mingsen1HONG Yingping1SUI Dandan2（1.Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan030051）（2.No.214 Institute of China North Industries Group，Suzhou215000）AbstractIn order to improve the sensitivity and stability of the flexible optical fiber pressure sensor，the structural and relevant parameters and fabrication process of the pressure sensor are studied.Optical fiber pressure sensors with different thicknessesand curing temperatures based on sponge sensitization structure are designed and manufactured.The performance of the sensors under different parameters is compared to get the best thicknesses and curing temperatures.Finally，the fiber strain change is measured by optical frequency domain reflectometer（OFDR）.The results show that the sensitivity of the flexible optical fiber pressuresensor is influenced by the thicknesses and curing temperatures under the same condition of the concentration ratio and curing time.The sensitivity of the sensor with PDMS substrate thickness of 3mm and curing temperatures of 80 is the highest，which can reach6.65/kPa，when the pressure range is 0276.2kPa and the step size of pressurizing is 27.6kPa.At the same time，the flexiblepressure sensor has the advantages of flexibility，lightness and thinness，and can measure complex curved surfaces，which providesa reliable solution for measuring the surface pressure of curved objects in the field of aerospace and navigation.Key WordsPDMS，fiber optic pressure sensor，sensitivity，optical frequency domain reflectometer（OFDR）Class NumberTP212，TN253总第 345 期2023 年第 3 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.3177总第345期器在一些特殊场合不能得到很好的应用。在医疗领域、机器人领域和测量不规则物体的场合中，柔性压力传感器因其轻薄便携，柔韧性高被广泛应用13。近年来，柔性压力传感器的研究持续开展，但是制作大面积、低成本、工艺简单、可分布式测量的柔性压力传感器仍然是一个巨大的挑战。光纤传感技术作为一种新的传感监测技术，具有传输距离长、抗干扰能力强、耐腐蚀等优点4。目前应用最广泛的光纤压力传感器是法布里-珀罗压力传感器5和光纤布拉格光栅压力传感器6，两种传感器均要利用经过微加工处理后的光纤制作，由于光纤自身纤细易断的特点导致微加工的过程需要极其精细，产生费用昂贵，批量生产性价比低。所以，本文研究制备一种结构简单、柔韧性好、灵敏度高、成本低、便于量产的柔性光纤压力传感器具有极大的应用价值7。本文基于背向瑞利散射原理，设计了一种柔性光纤压力传感器。采用单模光纤作为传感元，聚合物 PDMS作为封装增敏材料8制备了海绵增敏结构。使用ABAQUS软件对设计的增敏结构进行有限元模拟研究，以检验理论的正确性。搭建测试平台对传感器进行相应的静态性能试验。得出结论：不同特性敏感基体封装的传感器对力敏感度不同，且压力与应变均呈现极高的线性关系，根据此结论可以制备应用于不同场合测量的高灵敏度、高线性度及重复性好的柔性历传感器件9。2传感器的结构设计与原理分析2.1传感器的结构设计及制作本文设计 PDMS海绵结构作为柔性光纤压力传感器的增敏结构，海绵增敏结构相比实心增敏结构受力后形变更大。三维结构和实物如图1、图2所示，柔性基体由PDMS和密安聚氨酯泡沫制成，中间嵌入单模光纤。单模光纤单模光纤柔性基体图1三维结构示意图海绵增敏结构的传感器制作流程如图 3 所示。第一步：将PDMS预聚物和固化剂按一定比例倒入干净的一次性塑料杯，将杯子放于磁力搅拌器上使混合物充分搅拌呈乳白色。第二步：将清洁后的单模光纤嵌入在干净的密胺聚氨酯泡沫中，再将其完全浸入在PDMS混合溶液中，之后放入真空干燥箱中进行脱泡（真空度133Pa），将脱泡后的海绵放入干净的一次性塑料模具中。第三步，固化成型：将模具放在高低温箱内加热固化。在制作过程中通过使用不同厚度的模具制作不同厚度的PDMS基体，加热固化时设置高低温箱不同温度制作不同固化温度的 PDMS 基体。最后完成脱模即可。传感器制备所需材料如表1所示。图2实物图表1传感器制备所需要的材料材料名称PDMS单模光纤电子天平真空干燥箱磁力搅拌器高低温试验箱生产厂商美国道康宁长飞光纤光缆梅特勒-托利多公司上海力辰邦西仪器科技有限公司博纳科技重庆四达产品型号Sylgard184G.657A2MS-TSDZFMS-280-HSDJS701B2.2传感器的工作原理分析将制备好的传感器敏感元放在压力计上，利用压力计向传感器敏感元施加轴向压力，海绵结构的敏感单元受力发生形变，嵌入海绵结构内部的光纤也随敏感元受力产生相应的轴向应变，此时光纤内部粒子大小远小于入射光波长，在各方向的散射光强度不均匀，即发生瑞利散射现象1011。在发生瑞利散射现象时，散射光在前后方向的散射强度一样，散射光向后传播称之为背向瑞利散射。背向瑞利散射的光信号承载着光纤各个部位的损耗信息，该散射光信号相对于其他散射光信号更容易被获取12。光频域反射技术（OFDR）就是基于背向瑞利散射原理提出的，本文利用该技术对施压后光纤中的光信号进行检测、编码，得到光纤受力位置和该位置产生的应变值13。张会新等：基于PDMS海绵介质的柔性光纤压力传感器制备及性能研究178舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期3有限元仿真分析使用ABAQUS软件对柔性光纤压力传感器进行有限元仿真分析。柔性海绵增敏结构选用9 1固化时间2h的PDMS基体，由于嵌入海绵增敏结构中的光纤直径相比于海绵结构的厚度非常小，可以忽略不计，所以在建立仿真模型时只考虑柔性海绵增敏结构的属性14。首先利用ABAQUS有限元仿真软件对柔性光纤压力传感器建立长：3.5cm、宽：1.5cm、高：0.3cm的三维有限元模型。其次给模型赋予弹性模量、密度、泊松比等PDMS材料属性。然后对仿真模型进行位移约束，以确保仿真结果与真实试验结果一致。最后在模型的上表面均匀施加压力，从0kPa以步进27.7kPa均匀增加到166.2kPa。记录并分析整个过程模型的应变情况。3.1传感器受力变形分析如图4所示是外力27.7kPa作用下传感器模型轴向应变分布图。仿真结果显示，海绵增敏结构的传感器受力产生应变基本分布均匀。LE，LE22（平均：75%）+5.237e-02+4.242e-02+3.247e-02+2.252e-02+1.257e-02+6.440e-04-9.326e-04-1.928e-03-2.922e-03-3.917e-03-4.912e-02-5.907e-03-6.902e-03图4应变分布图3.2法向力作用下的传感器输出应变特性如图5所示是施加不同压力时，光纤不同位置的应变情况，表明光纤的应变值随施加压力增加而增加，在施加相同压力时，在受力的中心点应变值最大。中心点为7.5mm处，取不同压力该点的应变值绘制应变与压力的拟合图，如图6，拟合结果表明柔性光纤压力传感器的灵敏度为1.6/kPa，拟合系数大于0.99，可见压力与应变之间呈现良好的线性关系。02468101214光纤长度/mm8006004002000应变/27.7kPa110.8kPa55.4kPa138.5kPa55.4kPa138.5kPa83.1kPa166.2kPa图5传感器受力时应变情况图20406080100120140160180压力/kPa5004003002001000应变/应变拟合曲线EquationInterc