光纤FPI高温压力传感器的设计与******

作者：xpyb 添加时间：2025-03-14 08:35:46

航空发动机内部环境严苛，需要实时监测压气室、燃烧室等关键部位的动态压力和温度信号。基于法布里珀罗＊涉原理，以蓝宝石为材料，建立了传感器整体结构模型并级联光栅结构作为温度补偿。通过有限元分析软件ANSYS对传感器模型进行静态及温度/压力耦合分析，确定了传感器的具体结构尺寸参数。传感器的压力灵敏度为2.216 nm/MPa，温度灵敏度为9.198 pm/℃，交叉灵敏度为0.017 MPa/℃，在26~1500℃范围内具有******的热-机械性能，为蓝宝石高温压力传感器的结构优化提供了参考。

引言

提高涡轮前气体的温度和压力能显著提高航空发动机工作效率。目前，压阻式、电容式及光纤式传感器被广泛研究，但存在热失效、高温蠕变及交叉敏感等问题。光纤式传感器具有本征安全、耐高温、电绝缘等优势。本文采用蓝宝石作为传感器材料，通过理论和******分析优化传感器结构，解决高温环境下的测量问题。

1 蓝宝石压力传感器传感原理
阐述了传感器的核心光学原理，包括基于法布里珀罗＊涉（F-P）的传感器设计和光纤布拉格光栅（FBG）的温度补偿机制。F-P传感器利用多光束干涉原理，其腔长和介质折射率的变化会导致干涉光谱的相位变化，进而影响反射光谱的自由光谱范围（FSR），可用于压力测量。FBG传感器则通过温度变化引起的光栅反射波长漂移实现温度监测，其温度灵敏度远高于压力灵敏度，因此可用于温度补偿。两者结合实现了温度和压力的解耦测量，为传感器在高温环境下的应用奠定了理论基础。

2 蓝宝石压力传感器******分析

2.1 敏感膜片形状选择

圆形膜片相比方形膜片具有更高的灵敏度和更均匀的应力分布，避免了应力集中，因此选择圆形膜片作为敏感元件。

2.2 蓝宝石敏感膜片尺寸设计

通过正交实验分析法和ANSYS有限元******，优化了膜片的尺寸和厚度，使其在满足强度要求的同时，提高一阶固有频率和动态范围。

2.3 温度-压力复合环境下全模型******分析

利用ANSYS Fluent软件对传感器进行热流固耦合分析，验证了传感器在高温高压环境下的性能，腔长随温度和压力变化呈线性关系，线性拟合度******。

2.4 传感器F-P腔的光学******

对传感器F-P腔的光学性能进行了******分析。通过将热流固耦合分析得到的腔长变化结果导入COMSOL的波动光学模块，模拟了传感器在不同压力和温度条件下的反射光谱变化。******结果显示，腔长缩短时，反射光谱的振幅和自由光谱范围（FSR）增加。通过计算FSR对应的腔长和腔长变化量，验证了光学******结果与热流固耦合******值的一致性，***大误差仅为0.25%。该部分还通过优化扫描步长，将误差进一步降低至0.00376%，证明了传感器设计的光学性能满足高温压力测量的要求。