該傳感器結(jié)構(gòu)分為三層，上下兩層為碳纖維復(fù)合材料，中間變形層為硅橡膠材料。為了使碳纖維材料很好的和光纖結(jié)合在一起，將粘接光纖的碳纖維層送入120℃的高溫真空爐中加熱4個小時，如圖4.60所示。采用熔解光纖周圍的碳纖維材料后固化的方法來提高光纖和碳纖維復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度。如圖4.61所示，通過在上層和下層碳纖維材料層之間加入一個中間變形層可以提高傳感器的量程。采用碳纖維復(fù)合材料作為上下層光纖封裝材料以及采用硅橡膠材料作為中間變形層是因?yàn)檫@兩種材料具有易使用，易固化以及具有相互粘接的優(yōu)點(diǎn)。相互粘接的能力可以省去額外的膠來粘接硅橡膠和碳纖維層。硅橡膠具有良好的變形和恢復(fù)能力，而且與處于固化期的碳纖維材料的相容性很好。
圖4.62為該光纖光柵剪力傳感器的實(shí)物圖。工作原理圖如圖4.63所示，實(shí)線部分是在無剪力作用下光纖光柵的位置；當(dāng)外部剪力作用于傳感器的上表面時，上表面的碳纖維材料層將會沿著剪力的方向相對下表面移動，這將會導(dǎo)致中間層沿著剪力的方向發(fā)生變形，從而拉動光纖使其中心波長發(fā)生變化。圖4.63中虛線部分為在外部剪力作用下，光纖被拉伸的狀態(tài)。
在光纖光柵剪力傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，剪力以1N/次的速度加載至40N，圖4.64為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測得的外部剪力與光纖光柵中心波長的關(guān)系圖。
在光纖光柵剪力傳感器的理論模型中，只考慮埋入中間變形層中的光纖段的受力情況。圖4.65示出了有效光纖段、力以及光纖光柵相應(yīng)的變形狀況。外力F可分解為
從而得到光纖光柵軸向的應(yīng)變?yōu)?/span>
圖4.66為傳感器不同有效長度下(4.5、4以及3.75cm)，光纖光柵歸一化中心波長變化與外界剪力關(guān)系的理論分析結(jié)果。圖中假定傳感器有效的寬度為2cm，厚度為1mm。結(jié)果表明，傳感器的光纖光柵中心波長隨著隨著傳感器長度的增加而減少。
同樣，利用式(4.34)可以分析傳感器有效寬度及有效厚度對光纖光柵歸一化中心波長變化的影響，如圖4.67和圖4.68所示。圖4.67中，傳感器有效長度為4cm，厚度為1mm，分別取傳感器有效寬度為1、1.5和2cm。結(jié)果表明，傳感器的寬度越大，光纖光柵歸一化中心波長變化越小。圖4.68中，傳感器有效長度為4cm，寬度為2cm，分別取傳感器有效厚度為1、1.25和1.5mm。圖4.68表明，光纖光柵歸一化中心波長變化隨著傳感器有效厚度的增加而增大。
為驗(yàn)證圖4.66、圖4.67和圖4.68的理論分析結(jié)果，對不同有效長度、不同有效的寬度以及不同有效厚度光纖光柵剪力傳感器(4.5、4以及3.75cm)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖4.69為不同傳感器有效長度結(jié)果圖，圖中，傳感器的有效寬度和厚度分別為2cm和1mm。圖4.70為不同傳感器有效寬度結(jié)果圖，圖中，傳感器的有效長度和厚度分別為4cm和1mm。圖4.71為不同傳感器有效厚度結(jié)果圖，圖中，傳感器的有效長度和寬度分別為4cm和2cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確。
