CN100460825C - 基于波登管作为换能器的光纤光栅传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，特别是一种基于波登管(又叫弹簧管)作为换能器的光纤光栅传感器及方法。主要包括一个波登管压力换能器，一个光纤光栅悬臂梁，光纤耦合器，传输光纤，封装外壳及各部件的紧固定位器件、密封器件。在介质压力的作用下，弹簧管在内部压力的作用使其断面极力倾向变为圆形，迫使弹簧管的自由端13产生移动，这一移动通过连接点13传递给悬臂梁14并使之产生挠曲变形，粘贴在悬臂梁14上下表面的光纤光栅4、5分别受到所处面产生的拉应变或者压应变ε，引起光纤光栅的Bragg波长的漂移，通过检测两个光纤光栅相应的波长变化即可知道待测压力和温度大小。

Description

基于波登管作为换能器的光纤光栅传感器及方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是一种基于波登管(又叫弹簧管)作为压力换能器的光纤光栅传感器及方法。

背景技术

压力和温度的测量早已经是现代工业生产过程中非常重要的参数。在石化工业、油气田的勘探开采、航空仪表、水下作业等领域中，一般是采用电学量传感器对压力和温度进行分别测量，而后经过电缆将信号传输至终端进行信号的处理。由于电子元器件对于恶劣环境的适应性差(温度每升高10℃就会使电子仪表的故障率成倍增加)、微弱的电信号容易收到电磁干扰(电磁测量的先天不足)、特殊测量地点的安全要求(电信号容易对易燃易爆场所造成安全威胁)以及远距离传输使得信号大幅损耗等要求一种新的测量方式来替代传统的电测试。

光纤传感技术是现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化，从而通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量。光纤传感器具有下列特点：不受潮湿环境影响，能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；耐久性好，具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力；质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置；信号、数据可多路传输，单位长度上信号衰减小等优点，可以完全胜任在恶劣环境正常工作的任务。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相位光栅。当多波长信号入射进入光纤时，满足光栅反射条件的某个波长信号(称为Bragg波长)，会被耦合成反向波并沿原光纤线路反向传输。光纤光栅传感的基本原理是：温度、应变和应力等物理量的变化会引起光纤光栅的栅距和有效折射率的变化，从而使光纤光栅反射的Bragg波长发生漂移，通过检测光纤光栅Bragg波长的变化就可以获得相应的温度、应变和应力的信息。光纤光栅传感器不仅拥有光纤传感器的优势，而且还拥有自身特殊的优点：测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出量是波长信息，因此不受接头损失、传输损耗、弯曲损耗、光源功率起伏等因素的影响，对环境干扰不敏感，稳定性好；波长编码，可以方便实现被测量的绝对测量；输出线性范围宽，在10000微应变范围内波长移动与应变有良好的线性关系，频带宽，信噪比高；便于利用波分复用技术串联多个光纤光栅形成分布式传感网络，因此光纤光栅传感技术有着广阔的应用前景。

现有的波登管测试压力技术是在波登管上应变最大的地方粘贴电阻应变片，其采用的电阻应变片在温度变化或者电磁场干扰下容易形成信号的漂移，且温度的增加会使得应变片及电信号的放大系统故障率大大增加，如(中华人民共和国实用新型专利申请说明书CN85 2 03516 U)。已有的光纤光栅压力温度传感器还不多见，且在加工工艺和模块化设计方面还不成熟，结构复杂，密封难度大，如清华大学曾经提出用圆形的压力换能器结合悬臂梁的机构(中华人民共和国发明专利申请说明书，申请号02121327.5，公开号CN1384341A)。而现有的波登管光纤光栅压力传感器没有采用双光栅的结构，不能实现压力和温度的实时分离检测，且悬臂梁采用的材料为有机玻璃等聚合物，无论在温度测量范围、稳定性、可重复性及可靠性等方面存在较大的问题，不能实现实用化。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力和温度可以同时测量的光纤光栅传感器，可以避免传统电学量测量的种种弊端、发挥光纤传感器诸多优点，且器件采用全金属结构，达到在恶劣环境中检测出压力和温度的目标。本发明应用于各领域气体或液体的压力和温度的测试、计量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种压力和温度同时测量的光纤光栅传感器，主要包括一个波登管压力换能器、一个粘贴两个相同光纤光栅的弹性合金悬臂梁、光纤耦合器、传输光纤、封装外壳及各部件的紧固定位器件、密封器件。压力换能器制成波登管形式，自由端和在上下表面分别粘贴光纤光栅的悬臂梁的自由端相连接，光纤光栅通过耦合器和传输光纤相连接。当从波登管压力换能器固定端开口导入被测压力时，波登管压力换能器的曲率将随着被测压力的改变而改变，同时引起波登管压力换能器自由端的产生位移，进而带动悬臂梁的自由端，最终使得粘结在悬臂梁根部的光纤光栅的Bragg波长产生漂移，通过对这个两个波长的检测就可以得到压力和温度信息。

一种压力和温度同时测量的光纤光栅传感器的方法，其过程如下：在介质压力的作用下，波登管压力换能器在内部压力的作用使其断面极力倾向变为圆形，迫使波登管压力换能器的自由端13产生移动，这一移动通过连接点13传递给光纤光栅悬臂梁14并使之产生挠曲变形，粘贴在光纤光栅悬臂梁14上下表面的光纤光栅4、5分别受到所处面产生的拉应变或者压应变ε，引起光纤光栅的Bragg波长的漂移，通过检测两个光纤光栅相应的波长变化即可知道待测压力和温度大小。

本发明的有益效果：

1.传感器中无电子器件和功耗器件，可以有效的消除电、磁干扰，避免电测量的种种不足，提高环境适应能力和应用领域。

2.构成差动结构的贴在悬臂梁上下表面相应位置的两个光纤光栅在实现提高灵敏度的同时可以实现温度和压力的分离检测。

3.采用波长编码的方式，因此不受接头损失、传输损耗、弯曲损耗、光源功率起伏等因素的影响，可以方便实现远距离被测量的绝对测量。

4.波登管技术、工艺成熟，波登管产品早已经市场化，任意调节波登管相应的参数，可以任意的改变传感器的灵敏度和测量范围，密封工艺简单，简单地实现产品的模块化。

5.由于悬臂梁采用高弹性合金材料材料，测温范围高达200℃，测量范围广且稳定性好、可靠性高。

附图说明

图1为本发明光纤光栅传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例中波登管在外界压力作用下曲率变化从而引起自由端位移的示意图。

图3为本发明实施例中等强度悬臂梁结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

图1为本发明所述光纤光栅传感器的结构示意图。该传感器主要包括一个波登管(又叫弹簧管)压力换能器3，换能器(即波登管)3包括含有导压孔7的第一安装基座16和封闭的自由端13，第一安装基座16通过若干螺钉6固定于下底板1上，自由端13通过焊接或者粘接的方式和光纤光栅悬臂梁14进行固接于点12，导压咀8和导压孔7相连，将外界压力引导到波登管3内；光纤光栅悬臂梁14通过紧固螺钉15固定于第二安装基座17上，两个性能一致且带有尾纤9和11的光纤光栅4和5分别粘贴于光纤光栅悬臂梁14上下表面相对应的根部；堵头10和侧壁2密封紧固，连接光纤9、11通过堵头10和外界相连。

压力换能器可制成波登管形式。波登管3是一根弯曲成圆弧形的横截面为椭圆形或者平椭圆的空心管子，末端为自由端13密封，另一端与第一安装基座16焊接一起，首端有导压咀8将传感器和待测压力空间相连，介质由所测空间通过导压孔7进入波登管3内部。在介质压力的作用下，波登管在内部压力的作用使其断面极力倾向变为圆形，迫使波登管的自由端13产生移动，这一移动通过连接点13传递给光纤光栅悬臂梁14并使之产生挠曲变形，粘贴在光纤光栅悬臂梁14上下表面的光纤光栅4、5分别受到所处面产生的拉应变或者压应变ε，引起光纤光栅的Bragg波长的漂移，通过检测两个光纤光栅相应的波长变化即可知道待测压力和温度大小。如图2所示，波登管3和光纤光栅悬臂梁14在压力作用下变形后为18、19。

光纤光栅悬臂梁14可制成等强度悬臂梁结构。

对于椭圆形截面薄臂波登管(管壁厚h和管截面半轴b之比不超过0.7～0.8时)，其自由端的位移和所测的压力之间的关系可以用下式表示：

$W=\mathrm{\Δp}\frac{1-{\mathrm{\μ}}^2}{E}\frac{R^3}{\mathrm{bh}}(1-\frac{b^2}{a^2})\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}+x^2}\sqrt{{(\mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ})}^2+{(1-\cos \mathrm{\θ})}^2}---\left(1\right)$

其中E——波登管材料的弹性模量

    μ——波登管材料的泊松比

    R——波登管的曲率半径

a和b——波登管截面的长半轴和短半轴

   h——波登管的管壁厚度

   x——波登管的基本参数   $x=\frac{\mathrm{Rh}}{a^2}$

α和β——与

有关的参数见《压力测量仪表》.P18.机械工业出版社

从(1)式可以看出，波登管的位移和待测压力的特性W＝f(p)是线性关系的。

根据材料力学的知识，对于悬臂梁的应变和挠度之间的关系如下

${\mathrm{\ϵ}}_l=\frac{6(L-l)}{L^3}\mathrm{tW}---\left(2\right)$

其中，L——悬臂梁的长度

      t——悬臂梁的厚度

      l——距离固定端的距离

联立(1)、(2)可以得到

${\mathrm{\ϵ}}_l=\mathrm{\Δp}\·\frac{6(L-l)}{L^3}t\frac{1-{\mathrm{\μ}}^2}{E}\frac{R^3}{\mathrm{bh}}(1-\frac{b^2}{a^2})\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}+x^2}\sqrt{{(\mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ})}^2+{(1-\cos \mathrm{\θ})}^2}---\left(3\right)$

上式表明，光纤光栅在待测压力作用下产生的轴向应变和待测压力呈线性关系。

对于光纤光栅在应变和温度作用下产生中心Bragg波长漂移

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\·{\mathrm{\ϵ}}_l+(\mathrm{\χ}+\mathrm{\ξ})\·\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

其中λ_B——中心Bragg波长

    Δλ_B——应变和温度共同作用下中心Bragg波长的变化量

    P_e——光纤的弹光系数

    χ——光纤光栅的热膨胀系数

    ξ——光纤光栅的热光系数

    ΔT——光纤光栅所处位置的温度变化

对于悬臂梁上下表面的光纤光栅，受到的温度影响是一致的，受到应变的影响是等值反向的，故在解调部分可以得到两个不同的Bragg波长Δλ_B1和Δλ_B2。由(4)可以得出，波长变化量和温度变化的关系为

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{2(\mathrm{\χ}+\mathrm{\ξ}){\mathrm{\λ}}_B}$

波长变化量和应变变化的关系为

${\mathrm{\ϵ}}_l=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{2(1+P_e){\mathrm{\λ}}_B}$

由(3)得出，波长变化量和压力大小的关系为

$\mathrm{\Δp}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{2(1+P_e){\mathrm{\λ}}_B}/\frac{6(L-l)}{L^3}t\frac{1-{\mathrm{\μ}}^2}{E}\frac{R^3}{\mathrm{bh}}(1-\frac{b^2}{a^2})\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}+x^2}\sqrt{{(\mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ})}^2+{(1-\cos \mathrm{\θ})}^2}---\left(5\right)$

从上述过程可以看出，两个光纤光栅组成差动结构，通过对于两个光纤光栅波长的测量，就可以得到待测介质的压力、温度参数，且使得对于压力的灵敏度提高一倍。

图3是等强度悬臂梁结构。光纤光栅悬臂梁可制成等强度悬臂梁结构。

Claims (3)

1.一种压力和温度同时测量的光纤光栅传感器，其特征在于，该光纤光栅传感器包括一个波登管压力换能器、一个光纤光栅悬臂梁、光纤耦合器、传输光纤、封装外壳及各部件的紧固定位器件和密封器件；

其中，波登管压力换能器(3)包括含有导压孔(7)的第一安装基座(16)和封闭的自由端(13)，第一安装基座(16)通过螺钉(6)固定于下底板(1)上，自由端(13)通过焊接或者粘接的方式和光纤光栅悬臂梁(14)连接，导压咀(8)和导压孔(7)相连，将外界压力引导到波登管压力换能器(3)内；

光纤光栅悬臂梁(14)通过紧固螺钉(15)固定于第二安装基座(17)上，两个性能一致且带有传输光纤(9、11)的光纤光栅(4、5)分别粘贴于光纤光栅悬臂梁(14)上下表面相对应的根部；堵头(10)和侧壁(2)密封紧固，传输光纤(9、11)通过堵头(10)和外界相连。

2.根据权利要求1所述的压力和温度同时测量的光纤光栅传感器，其特征在于，波登管压力换能器(3)是一根弯曲成圆弧形的横截面为椭圆形或者平椭圆的空心管子，自由端(13)密封，另一端与第一安装基座(16)焊接一起，并由导压咀(8)将传感器和待测压力空间相连，介质由待测空间通过导压孔(7)进入波登管压力换能器(3)内部。

3.根据权利要求1所述的压力和温度同时测量的光纤光栅传感器，其特征在于，光纤光栅悬臂梁制成等强度悬臂梁结构。

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