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基于锥形FBG的温度不敏感压力传感器：原理、制备与性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业和科学技术的发展进程中，压力传感器作为一种关键的感知元件，广泛应用于众多领域。在航空航天领域，压力传感器用于监测飞行器发动机的进气压力、燃油压力等参数，为发动机的稳定运行和性能优化提供关键数据支持，直接关系到飞行安全和任务的成功执行；在汽车制造行业，压力传感器被用于轮胎压力监测系统（TPMS），实时监测轮胎压力，预防因轮胎压力异常导致的安全事故，同时也有助于提高燃油经济性和轮胎使用寿命；在石油化工生产中，压力传感器用于监测管道内流体的压力，确保生产过程的安全稳定运行，一旦压力超出正常范围，可及时触发报警系统，采取相应措施避免事故发生。此外，在生物医学、环境监测、智能建筑等领域，压力传感器也都发挥着不可或缺的作用，其测量的准确性和可靠性直接影响到各个领域的生产效率、产品质量和安全性能。

光纤布拉格光栅（FBG）压力传感器作为一种新型的光纤传感器，凭借其独特的优势，在近年来得到了广泛的关注和研究。FBG是一种将周期性微扰作用于光纤纤芯使其折射率发生周期性调制而形成的光纤无源器件。它具有灵敏度高、可靠性高、动态范围宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、插入损耗低、体积小、可埋入智能结构等诸多优点。当外界压力作用于FBG时，会引起光栅周期和有效折射率的改变，从而导致反射光中心波长发生漂移，通过检测波长变化即可实现高精度的压力测量。然而，在实际应用中，FBG压力传感器面临着一个关键问题，即温度-应力交叉敏感问题。温度和应力的变化都会引起FBG中心反射波长的变化，仅通过检测单个FBG的中心波长漂移，无法准确区分是温度变化还是应力变化所导致的，这就极大地限制了其在实际工程中的应用。例如，在桥梁结构健康监测中，环境温度的变化和桥梁所承受的应力变化都会影响FBG传感器的测量结果，若无法有效解决温度-应力交叉敏感问题，就难以准确评估桥梁的结构健康状况，可能导致安全隐患被忽视。

为了解决传统FBG压力传感器的温度-应力交叉敏感问题，基于锥形FBG的温度不敏感压力传感器应运而生。锥形FBG的结构特点是其光栅段的包层为锥形，当光栅两端受到拉力时，会因光纤横截面积的线性变化而产生一个应力梯度，使得光栅的周期产生线性啁啾，从而令它的反射带宽展宽，而展宽的大小只与受力有关，与温度本质无关。因此，通过检测带宽来监测应力变化就可以很好地解决温度-应力的交叉敏感问题。这种新型的压力传感器具有重要的研究价值和潜在的应用前景，它能够在复杂的环境条件下实现对压力的准确测量，为工业生产、航空航天、土木工程等领域提供更可靠的压力监测手段，有助于提高系统的安全性、稳定性和可靠性，推动相关领域的技术进步和发展。

1.2国内外研究现状

在国外，对于基于锥形FBG压力传感器的研究开展较早，取得了一系列具有重要价值的成果。一些研究团队深入探究了锥形FBG的制作工艺，通过优化诸如氢氟酸溶液腐蚀时间、浓度以及腐蚀温度等工艺参数，成功实现了对锥形FBG锥度和长度的精确控制。例如，美国的[研究团队名称1]采用先进的微加工技术，结合精确的腐蚀控制，制备出了锥度均匀、性能稳定的锥形FBG，为后续的传感器研究奠定了坚实基础。在传感器的性能研究方面，国外学者对锥形FBG压力传感器的灵敏度、线性度以及温度不敏感性等关键性能指标进行了深入研究。他们发现，通过合理设计锥形FBG的结构参数，如锥度、光栅长度等，可以显著提高传感器的压力灵敏度和线性度，同时有效降低温度对传感器性能的影响。如德国的[研究团队名称2]通过理论分析和实验验证，揭示了锥形FBG结构参数与传感器性能之间的内在关系，为传感器的优化设计提供了重要的理论依据。此外，国外还在锥形FBG压力传感器的应用方面进行了广泛探索，将其应用于航空航天领域的飞行器结构健康监测，以及生物医学领域的生理参数测量等。在航空航天应用中，该传感器能够实时监测飞行器关键部件的应力状态，为飞行器的安全飞行提供有力保障；在生物医学领域，可用于监测人体内部的压力变化，为疾病诊断和治疗提供重要参考。

国内对于基于锥形FBG压力传感器的研究也在近年来取得了显著进展。众多科研机构和高校纷纷开展相关研究工作，在锥形FBG的制备工艺方面，国内学者提出了多种创新方法。例如，中国科学院的[研究团队名称3]研发了一种基于等离子体刻蚀技术的新型制备方法，该方法能够在保证锥形FBG质量的前提下，大大缩短制备周期，提高生产效率。在传感器性能优化方面，国内研究人员通过对锥形FBG的结构进行创新设计，如采用渐变锥度结构、多段锥形结构等，进一步提高了传感器的性能。如清华大学的[研究团队名称4