FBG加速度传感器的可靠性影响因素分析

朱振华

1引言

近些年来，光纤布拉格光栅（FBG）加速度传感器在振动测试领域内的得到了充足的应用与发展。与电类加速度传感器相比，基于柔性铰链而设计的FBG加速度传感器具有质量轻、体积小、精度高、抗电磁干扰、本质安全、组网简单等优点而被广泛应用。但由于航空航天领域内工作环境的复杂性，FBG加速度传感器存在可靠性及稳定性不足的缺点，无法满足需求。因此，必须对FBG加速度传感器的可靠性影响因素分析，进而提高FBG加速度传感器的可靠性水平，来满足FBG加速度传感器在航空航天领域内的可靠性应用需求。同时对其理论研究与工程应用的发展有促进作用。本文根据FBG加速度传感器的基本原理以及FBG加速度传感器的制造工艺流程，结合故障树模型分析法对影响传感器可靠性的关键因素进行了分析。

2 FBG加速度传感器的基本理论

FBG加速度传感器也是基于经典的加速度传感器理论基础而进行研究的。其动力学模型如图1所示，通过在原有的惯性系统中引入敏感元件FBG，采用一定的工艺方法将FBG封装在弹性体上来实现将弹性质量块上。当外界振动信号作用于加速度传感器时，惯性质量块带动FBG伸长或压缩，从而引起FBG中心波长发生漂移。

图1 FBG加速度传感器的动力学模型

在垂直方向振动加速度a的激励下，根据牛顿第二定律和胡克定律可得

(2-4)

式(2-4)中m为质量块的质量；k为系统的等效刚度；为FBG长度的变化量。

FBG受到轴向拉伸或压缩时将产生应变，当不考虑温度对FBG的作用，光纤光栅只受到轴向应变时，可以得到：

(2-5)

式(2-5)中：为光栅的初始波长；为光纤的有效弹光系数，对于一般的光纤材料，其取值0.22。

根据单自由度二阶系统的振动理论可得，加速度传感器的谐振频率为：

(2-6)

当外界激励信号时，FBG受振动作用下在任意时刻的长度变化量为：

(2-7)

将，等式带入公式(2-7)可得：

(2-8)

结合公式(2-5)得到任意时刻FBG的波长变化量为：

(2-9)

由式(2-9)可知，在正弦振动作用下，FBG的波长变化与激励源的频率相同，且呈现正弦趋势。当时FBG的中心波长的峰值为：

(2-10)

根据FBG加速度传感器灵敏度的定义，传感器的灵敏度S为FBG中心波长变化量的峰值与对应加速度a的比值，即：

(2-11)

当外界的激励频率远远小于传感器谐振频率即趋近于零时，公式(2-11)可简化为：

(2-12)

由公式(2-12)可以看出，理想情况下加速度传感器的灵敏度反映了加速度传感器在平坦区的灵敏度。它与工作频率无关，仅与谐振频率和封装长度l有关，且与之成反比。

3 FBG加速度传感器的制造工艺流程

典型的基于柔性铰链结构的FBG加速度传感器的封装工艺流程如图2所示。FBG的预处理以及胶结剂固化在整个传感器封装工艺流程中是较为关键的工序，对传感器性能的一致性和稳定性产生重要的影响作用。

图2 FBG加速度传感器的主要工艺流程

（1）弹性体制造：首先由加速度传感器的技术指标，确定其结构参数，并绘制二维图纸，将图纸交付给机械加工厂后按照传感器具体的结构参数加工弹性体，传感器弹性体加工的优劣将直接影响传感器的性能。

（2）零件清洗：由加工厂返回的传感器结构件表面会附着油污以及杂质，这会影响封装工艺的可靠性。因此，需要将传感器结构件浸泡在比例适中的稀硝酸中，并且放置在超声波清洗机中半个小时以上以便去除表面的油污。

（3）FBG预处理：一般制作FBG加速度传感器使用的敏感元件FBG的波长范围为1529nm和1570nm，光栅栅区的长度为5mm。由于光栅刻写工艺的局限性，栅区标记的长度一般大于5mm，因此需要采取一定的措施将5mm的栅区位置精确定位，这样才能配合后续的封装工艺。当FBG遇到高温的电烙铁时，FBG的波长会瞬间漂移，实验室往往利用FBG的这种温度特性来寻找栅区。在找到栅区后，需要在栅区两端大约2-3mm的位置去除涂覆层，这样是为了提高传感器固化的稳定性。

（4）调配胶结剂：为了避免由温差引起空气中水分的液化混入配好的胶结剂，从而影响固化效果，需将冷藏状态下的胶结剂EP0-TEK353ND放置在室内环境，待其恢复至室温状态，然后将胶结剂的A和B两种组份分别摇匀，A组份和B组份按照10:1的比例混合。

（5）封装固化：首先将传感器结构件放置于加热台上，将预处理好的FBG放置在传感器结构件的沟槽内，然后，FBG的一端固定在加热台上并接入光谱仪，另一端则悬挂的砝码，同时调整砝码的质量，使得FBG中心波长的变化量为3nm；之后，设置温度控制仪的目标温度为120℃，先对传感器结构件预热2分钟后再将调配好的353ND涂敷在去除涂覆层的FBG上，使得沟槽均匀地注满胶结剂，加热10分钟后胶结剂变成黑褐色，即可关闭温度控制仪，等待传感器恢复至室温。

（6

）传感器壳体封装：为了对传感器芯体进行保护，将已经初步封装好的传感器芯体固定在传感器壳体内部，在壳体两端伸出裸露的FBG套入白套管，用AB胶固定后，在外部套上一层黄套管并连接光纤跳线接头，整个传感器封装完成.

（7）稳定性处理：在高低温控制试验箱内对传感器进行老化试验，在80℃的温度下保温30min后取出，待其恢复至室温后放入试验箱继续保温，依次进行10个循环。这样可以去除传感器的内部应力，保证传感器性能的稳定性。

4基于故障树法的传感器可靠性关键影响因素提取

为了能够提高FBG加速度传感器的可靠性水平，需要对传感器的失效原因进行分析，以便找出其影响传感器可靠性的关键因素。因此，本文采用故障树分析法来对传感器的失效原因进行分析，并确定传感器的薄弱环节。

若要对FBG加速度传感器的失效情况进行分析，那么首先要了解FBG加速度传感器进行振动测量的工作原理。根据前文所阐述的传感器的基本原理以及制造的工艺流程，整个FBG加速度传感器主要由传感器弹性体结构、FBG、胶结剂、传感器壳体、固定螺栓、光纤接头等6个部件独立组成。基于故障树分析法的理论，据传感器的工作流程，归纳出造成传感器失效的原因事件如表1所示，并由其中的逻辑关系建立故障树模型如图3所示。

表1传感器失效原因事件列表

编号	事件	类型
T	FBG加速度传感器失效	顶事件
M1	传感器结构失效	中间事件
M2	封装壳体失效
M3	FBG失效
M4	初始波长漂移
M5	灵敏度异常
X1	铰链结构疲劳失效	底事件
X2	铰链结构断裂失效
X3	壳体断裂失效
X4	壳体腐蚀失效
X5	FBG断裂
X6	FBG性能退化失效
X7	温度变化
X8	胶结剂固化工艺缺陷
X9	封装材料性能异常

图3 FBG加速度传感器失效的故障树

在建立传感器失效情况的故障树模型后，需对传感器的故障树进行定性分析，以便找出使顶事件发生的最小失效链即最小割集，从而确定传感器失效的主要因素。如图是FBG加速度传感器的故障树，以FBG加速度传感器失效为顶事件，共有个5个中间事件和9个底事件。从图中可以看出，事件之间的逻辑关系均为逻辑或，因此，FBG加速度传感器失效的故障树为单调关联故障树，存在9个最小割集，这些最小割集是造成传感器失效的关键因素，并作为影响传感器可靠性的薄弱环节。虽然造成传感器失效的因素众多，但是将这些失效的原因进一步归纳总结，可以得出影响传感器可靠性的因素大致分为两个方面：

（1）极端工作条件下引起的传感器结构失效；

（2）传感器封装工艺过程中存在的缺陷引起的失效，包括封装材料、胶结剂的固化水平、以及壳体的环境设计等方面。

5本章小结

本文主要分析了FBG加速度传感器可靠性的影响因素，首先阐述了FBG的加速度传感器的基本理论。其次，介绍了典型的基于柔性铰链结构的FBG加速度传感器的封装工艺流程，为后续FBG加速度传感器可靠性影响因素分析提供了依据。最后，基于故障树模型分析出影响传感器可靠性的主要因素分为传感器结构和工艺两方面内容，进而为后续提高传感器的可靠性提供了方法依据。