CN101266179A - 内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，属于传感器技术领域，涉及一种投入式的压力测量的光纤Bragg光栅压力传感器。其特征是金属薄壁内筒的内侧顶端是弧形结构；压力测量光纤Bragg光栅和温度补偿光纤Bragg光栅均采用金属化封装，压力测量光纤Bragg光栅用金属沿轴向焊接在金属薄壁内筒的外壁侧面，温度补偿光纤Bragg光栅用金属焊接在金属薄壁内筒的顶端外侧，压力测量光纤Bragg光栅和温度补偿光纤Bragg光栅呈相互垂直方向；两条信号引出单模光纤在通过光纤出孔时也采用局部金属化封装，用金属焊接于光纤出孔处，并将光纤出孔封闭。本发明的效果和益处是可提高了压力传感器的压力测量范围，解决两条Bragg光栅交叉敏感问题，提高传感器的工作温度范围。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种新型的投入式的用于液体和气体压力测量的光纤Bragg(布拉格)光栅压力传感器，其采用双层金属筒式结构，两个金属化封装的光纤Bragg光栅呈相互垂直方向分别焊接在该结构金属薄壁内筒外壁的侧面(沿周向)和顶端，可解决压力/温度交叉敏感问题，并实现在高温条件下的压力测量。
背景技术
光纤Bragg光栅是光纤纤芯内折射率发生永久性、周期性调制的一种特殊光纤，它作为一种新型的无源光电子器件，具有可靠性好、抗电磁干扰、体积小、重量轻、寿命长、便于复用/解复用、可远距离传输、耐腐蚀、能在复杂恶劣的环境下工作等优点，在传感器领域成为研究人员关注的焦点。
目前典型的与本发明最接近的光纤Bragg光栅压力传感器为基于薄壁应变筒的光纤Bragg光栅压力传感器(如图1所示，见文献：“基于薄壁应变筒的光纤布拉格光栅压力传感器”，胡志新，张桂莲，张陵等，南京理工大学学报，Vol.28 No.3，2004，277-280)。这种传感器由金属薄壁内筒1、带有光纤出孔2的金属外筒3、压力测量光纤Bragg光栅4、温度补偿光纤Bragg光栅5等部件构成，使用合适的耦连胶将压力测量光纤Bragg光栅4和温度补偿光纤Bragg光栅5平行粘贴于金属薄壁内筒1的外壁上。
由于这种光纤Bragg光栅压力传感器内层筒的内侧顶端为平顶结构，顶端拐角处容易出现局部压力过大而损坏的缺陷，从而导致该传感器测量范围较小，无法满足人们对于较大压力测量范围的需求。又由于用于将光纤Bragg光栅粘贴到薄壁内筒的耦连胶通常为聚合物类胶，一旦测量环境温度超过100℃，这类耦连胶就失效了，使得传感器无法再准确测量。另外，这种平行粘贴的两条光纤Bragg光栅容易相互干扰，温度补偿效果不理想。
发明内容
本发明的目的是要解决上述技术问题，设计提出的一种简单实用、效果良好的投入式光纤Bragg光栅压力传感器，这种传感器能够在较高温度环境下工作，能够测量较大的液体和气体压力。
本发明的技术方案是：
本发明所述的内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，如附图2和附图3，由金属薄壁内筒1、带有光纤出孔2的金属厚壁外筒3、压力测量光纤Bragg光栅4、温度补偿光纤Bragg光栅5、两条信号引出单模光纤6和密封垫7等部件构成，其特征是金属薄壁内筒1的内侧顶端是弧形结构；压力测量光纤Bragg光栅4和温度补偿光纤Bragg光栅5均采用金属化封装，压力测量光纤Bragg光栅4用金属沿轴向焊接在金属薄壁内筒1的外壁侧面，温度补偿光纤Bragg光栅5用金属焊接在金属薄壁内筒1的顶端外侧，且压力测量光纤Bragg光栅4和温度补偿光纤Bragg光栅5呈相互垂直方向；两条信号引出单模光纤6在通过光纤出孔2时也采用局部金属化封装，用金属焊接于光纤出孔2处，并将光纤出孔2封闭。
本发明的效果和益处：
本发明采用的金属薄壁内筒1的内侧顶端是弧形结构，使得该传感器的金属薄壁内筒1顶端受力均匀，弥补了顶端拐角处局部压力过大易损坏的缺陷，提高了压力传感器的测量范围；金属薄壁内筒1的顶端壁厚远大于其侧壁厚，减小了压力对于温度补偿光纤Bragg光栅5的影响，温度补偿效果好；压力测量光纤Bragg光栅4、温度补偿光纤Bragg光栅5和在光纤出孔2处的两条单模信号引出光纤6的局部都采用金属化封装，并用金属焊接在相应位置，既提高了传感器可稳定工作的环境温度，又保证了传感器的密闭性，更好的保护了光纤Bragg光栅；压力测量光纤Bragg光栅4和温度补偿光纤Bragg光栅5呈相互垂直方向焊接，进一步减少了压力测量光纤Bragg光栅4和温度补偿光纤Bragg光栅5之间的相互干扰，使温度补偿效果更好。本发明所设计的光纤Bragg光栅压力传感器可直接投入到被测液体或气体中，实现压力的测量，其理论压力测量的最高值可达63MPa。
附图说明
图1是基于薄壁应变筒的光纤Bragg光栅压力传感器结构示意图。
图2是内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器结构示意图。
图3是内外弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器结构示意图。
图中：1金属薄壁内筒；2光纤出孔；3金属厚壁外筒；4压力测量光纤Bragg光栅；5温度补偿光纤Bragg光栅；6两条信号引出单模光纤；7密封垫。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1.
内弧形顶外平顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器。内弧形顶外平顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器如图2所示，这种传感器由金属薄壁内筒1、带有光纤出孔2的金属厚壁外筒3、压力测量光纤Bragg光栅4、温度补偿光纤Bragg光栅5、两条信号引出单模光纤6和密封垫7等部件构成，其特征是金属薄壁内筒1的内侧顶端是弧形结构，外侧顶端是平顶结构；金属薄壁内筒1和带有光纤出孔2的金属厚壁外筒3均用不锈钢材料加工制成；压力测量光纤Bragg光栅4和温度补偿光纤Bragg光栅5均采用金属化封装，压力测量光纤Bragg光栅4用金属沿轴向焊接在金属薄壁内筒1的外壁侧面，温度补偿光纤Bragg光栅5用金属焊接在金属薄壁内筒1的顶端外侧，且压力测量光纤Bragg光栅4和温度补偿光纤Bragg光栅5呈相互垂直方向；金属薄壁内筒1和金属厚壁外筒3采用螺纹结构连接成一体，用密封垫7密封；两条信号引出单模光纤6在通过光纤出孔2时也采用局部金属化封装，用金属焊接于光纤出孔2处，并将光纤出孔2封闭。
实施例2.
内外弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器。内外弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器如图3所示，这种传感器和实施例1的内弧形顶外平顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器相比较，其特征是金属薄壁内筒1的外侧顶端也是弧形结构，其余部分都相同。这种传感器的优点是使得金属薄壁内筒1的顶端内部受力更加均匀，进一步弥补了顶端拐角处局部压力过大易损坏的缺陷，提高了压力测量范围。
实施例3.
铝质内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，这种传感器可以是实施例1所示的内弧形顶外平顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，也可以是实施例2所示的内外弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，其特征是金属薄壁内筒1采用铝质材料制成；由于铝质材料具有很好的延展性，受压力的应变比较敏感，因此该类传感器具有较高的压力响应度；又由于铝质材料抗拉强度较低，所以铝质结构的传感器适用于较低压力范围内的压力测量。
实施例4.
铜质内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，这种传感器可以是实施例1所示的内弧形顶外平顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，也可以是实施例2所示的内外弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，其特征是金属薄壁内筒1采用铜质材料制成；并且铜质材料同样具有很好的延展性，因此该类传感器也具有较高的压力响应度；但是铜质材料较铝质材料还具有抗拉强度高的特点，所以铜质结构的传感器更适用于较高压力范围内的压力测量；还有，铜质材料更适合金属焊接，有利用光纤的金属化焊接。
实施例5.
金属薄壁内筒的壁厚和半径之比为一定值的内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器。考虑到传感器的小型化和光纤光栅的实际大小，金属薄壁内筒1的壁厚和内径之比可根据压力测量范围和压力响应度的需求设定不同的制作比例。这种传感器可以是实施例1所示的内弧形顶外平顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，可以是实施例2所示的内外弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，可以是实施例3铝质内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，也可以是实施例4铜质内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，其特征是金属薄壁内筒1的壁厚与内径的比例为1∶6～1∶20，金属薄壁内筒1的内径为10～30mm，经过理论分析计算和相应的比较实验得出，这样尺寸范围的的传感器压力响应度及压力测量范围综合性能最好。如我们制造的不锈钢、铜、铝金属薄壁内筒的内径为10、15、20，壁厚和内径之比为1∶10，1∶15的传感器，理论压力测量的最高值可达63MPa，目前我们因为条件的限制实际测量已达到42MPa，测量环境温度可高达230℃。
Claims (6)
1、一种内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，是由金属薄壁内筒(1)、带有光纤出孔(2)的金属厚壁外筒(3)、压力测量光纤Bragg光栅(4)、温度补偿光纤Bragg光栅(5)、两条信号引出单模光纤(6)和密封垫(7)部件构成，其特征是金属薄壁内筒(1)的内侧顶端是弧形结构；压力测量光纤Bragg光栅(4)和温度补偿光纤Bragg光栅(5)采用金属化封装，压力测量光纤Bragg光栅(4)用金属沿轴向焊接在金属薄壁内筒(1)的外壁侧面，温度补偿光纤Bragg光栅(5)用金属焊接在金属薄壁内筒(1)的顶端外侧，压力测量光纤Bragg光栅(4)和温度补偿光纤Bragg光栅(5)呈相互垂直方向；金属薄壁内筒(1)和金属厚壁外筒(2)采用螺纹结构连接成一体，用密封垫(7)密封；两条信号引出单模光纤(6)在通过光纤出孔(2)时也采用局部金属化封装，用金属焊接于光纤出孔(2)处，并将光纤出孔(2)封闭。
2、根据权利要求1所述一种内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，其特征是金属薄壁内筒(1)的内侧顶端是弧形结构，外侧顶端是平顶结构；金属薄壁内筒(1)和带有光纤出孔(2)的金属厚壁外筒(3)均用不锈钢材料加工制成；压力测量光纤Bragg光栅(4)和温度补偿光纤Bragg光栅(5)采用金属化封装，压力测量光纤Bragg光栅(4)用金属沿轴向焊接在金属薄壁内筒(1)的外壁侧面，温度补偿光纤Bragg光栅(5)用金属焊接在金属薄壁内筒(1)的顶端外侧，压力测量光纤Bragg光栅(4)和温度补偿光纤Bragg光栅(5)呈相互垂直方向；金属薄壁内筒(1)和金属厚壁外筒(2)采用螺纹结构连接成一体，用密封垫(7)密封；两条信号引出单模光纤(6)在通过光纤出孔(2)时也采用局部金属化封装，用金属焊接于光纤出孔(2)处，并将光纤出孔(2)封闭。
3、根据权利要求1所述的一种内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，其特征是金属薄壁内筒(1)的内外侧顶端是弧形结构。
4、根据权利要求1所述的一种内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，其特征是金属薄壁内筒(1)采用铝质材料制成。
5、根据权利要求1所述的一种内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，其特征是金属薄壁内筒(1)采用铜质材料制成。
6、根据权利要求1所述的一种内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，其特征是金属薄壁内筒(1)的壁厚与内径的比例为1∶6～1∶20，金属薄壁内筒(1)的内径为10～30mm。
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