CN101545817B - 光纤光栅小量程渗压传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光纤光栅小量程渗压传感器，它包括管状支架和与之水密封的外壳，还有串联在一起的第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅，边缘固定设置于管状支架两端的波纹状膜片和特型膜片，所述波纹状膜片和特型膜片的中心分别固定设置于连杆两端，所述连杆上设置有平台，所述圆波纹状膜片和特型膜片与管状支架结合部水密封，所述管状支架与外壳的结合部水密封，所述管状支架上还设置有一端支承第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅连接部并使第一布拉格光纤光栅处于自由悬空状态的可调整架，所述可调整架的另一端和平台之间预紧地固定设置有第二布拉格光纤光栅，所述第二布拉格光纤光栅与外接光缆连接。本发明主要用于小压力检测。
Description
技术领域
本发明是涉及一种压力传感器，尤其是一种利用布拉格光纤光栅检测渗水线和水位的水压传感器。
背景技术
光纤光栅传感器是通过对光纤光栅的特殊封装使其对待测参量敏感，并且通过光纤光栅波长的变化来测量待测参量的，如温度、压力、来实现多点检测、实时检测。目前，光纤光栅传感器已被广泛应用于各种建筑结构、航空航天、海洋探测等诸多科学研究领域，属于一种非常先进的在线检测技术。
在矿坝的浸润线的测量方面已有的光纤光栅水位传感器均是检测较大量程，对较浅水位均不太准确且反应迟钝。所以在实际应用上一直未有进展。
已经有的一种光纤光栅传感器如图7；包括箱体26、栅格30、支板29、膜片28、和光纤光栅7，箱体底部设有栅格，箱体内部设有支板，支板上设有膜片，膜片上用胶粘有光纤光栅，光纤光栅通过光纤与光信号解调装置连接。使用时把箱体放入测量位置，水经过底部栅格进入箱体内，对支板产生一个压力，压力经膜片传递到光纤光栅上(专利号ZL200720020682.8)。其缺点是：由于采用光栅直接粘在膜上，膜在变形时其中心点形变最大会造成波形信号变形展宽无法检测。沾在膜边又需要更大的压力去使膜片变形更大。
另外还有一种光纤光栅传感器如图8；壳体31由两部份组成，在两部份之间安装有平膜片33，平膜片一侧的壳体上安装有透水石36，平膜片上安装有传力杆34，平膜片另一侧安装有等强度梁32，等强度梁的两侧粘贴有光纤光栅35，壳体上带有光纤引出构件(专利号ZL200620021100.3)。这种结构是：等强度梁的形变本身就需要较大的应力，且又通过传力杆传导，等强度梁与传力杆是靠自身弹性接触这样就会产生一定的机械间隙误差，为了抵消等强度梁、平膜片的弹力需要的压力也较大。以上两种现有的光纤光栅传感器检测较小水位时其分辨率太低不适于使用，并且自身体积较大检测的线性较差，精度低，因此一直不能在实际应用中推广。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种矿坝实用的浸润线的监测光纤压力传感器，并可适用于所有流体压强及温度的在线测量。
本发明所采用的技术方案是：它包括管状支架和与之水密封的外壳，其特征是还有串联在一起的第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅，边缘固定设置于管状支架两端的波纹状膜片和特型膜片，所述波纹状膜片和特型膜片与管状支架结合部水密封，所述管状支架与外壳的结合部水密封，所述管状支架上还设置有一端支承第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅连接部并使第一布拉格光纤光栅处于自由悬空状态的可调整架，所述波纹状膜片和特型膜片的中心分别固定设置于连杆两端，所述连杆上设置有平台，所述可调整架的另一端和平台之间预紧地固定设置有第二布拉格光纤光栅，所述第二布拉格光纤光栅与外接光缆连接。所述外接光缆为铠装光缆。
在所述连杆上设置有微动调整结构。所述微动调整结构是在所述连杆上设置有外螺纹和与之配合的调整螺母，在所述管状支架上设置有套装在连杆上的弹簧支座，在所述弹簧支座和调整螺母之间的连杆上套装有弹簧。微动调整结构可以用来调整波纹膜片的受力情况引导变形方向并抵消特型膜片的弹力，并可以在一定范围内调整波纹膜片的变形量从而使每个探头的检测系数一致，如当两个探头全放在十米深水中时，一个探头送出光的波长变化量是1nm，另一个探头送出的光的波长变化量是2nm时，可以通过调整调整螺母改变调整弹簧的受力状况来改变双联膜片的应力状况，使两个探头的变化全是2nm。
可调整架即用来调整第二布拉格光栅13的初始状态也是进行温度调整的结构。所述可调整架的材料为铝合金。光纤光栅受温度的影响是非常严重的问题，因此必须采用温度补偿，本结构利用材料的热膨胀系数的不同来进行补偿。可调整架是用铝合金制作，其热膨胀系数是不锈钢的2.1倍，可调整架固定在支架上，用来补偿可调整架和连杆上的平台之间的金属材料在受温度影响时的变化量。
在所述外壳前端部设置有探头膜片保护结构。所述探头膜片保护结构包括保护罩以及内置于保护罩中的不锈钢烧结过滤网和定位挡圈，所述保护罩上设置通孔。保护罩前端为锥体，后部为圆柱体，保护罩后部通过螺纹连接到外壳上。
所述外壳后端设置有防水结构。所述防水结构包括设置于外壳后部的后盖，所述后盖和外壳结合部水密封，所述外壳尾端螺纹连接光缆连接头，铠装光缆通过光缆固定套固定在光缆连接头细端上，后盖的尾部装有标准的直通底座，尼龙导气管通过锁紧螺母压紧在直通底座上，铠装光缆从尼龙导气管，直通底座，锁紧螺母中穿出。
通过外壳后端的防水结构形成防水室，防水室其实是一个传感器与大气连通环节中的缓冲空间；检测10米左右水深或0.1Mp的小量程的渗压传感器其传感器内部必须与外部空气接通，否则内部气压的影响会造成无法正确检测。通过这一系列的组合形成一个特定的防水室，潮湿空气在导气管内冷凝成水滴后会被挡在防水室内，不会进入传感器内部造成损坏。
本发明的有益效果是：通过两个膜片与连杆和筒形支架的结构成功的改变了光纤光栅的波长变化方向，既可以使波长由短往长变化。重要的是解决了薄的膜片在用传力杆传导变形量时容易发生径向的位移造成光波长变化无规律的问题，解决了光纤光栅传感器无法检测小压力和低水位、负压力的局限性，本发明不仅从原理上解决了这些问题，而且克服了电子的同类产品的潮湿空气中传感器内部凝结问题大大延长拉传感器的使用年限。并且在国内使光纤光栅传感器在矿坝的浸润线检测上第一次可以大规模推广与应用。
附图说明
图1 传感器整体结构原理图；
图2 传感器三维立体结构分解图；
图3 双联膜片的结构形式；
图4 特型膜片形状图；
图5 微动调整结构的局部放大图；
图6 可调整架形状图；
图7 直接膜片式光纤光栅渗压传感器的示意图；
图8 等臂梁式光纤光栅渗压传感器示意图；
图9 探头膜片保护结构示意图；
在图中：1、保护罩；2、过滤网；3、定位挡圈；4、圆形波纹膜片；5、管状支架；6、密封O型圈；7、第一布拉格光纤光栅；8、可调整架固定螺钉；9、可调整架。10、连杆；11、外壳；12、弹簧支座；13、第二布拉格光纤光栅；14、弹簧；15、垫圈；16、调整螺母；17、密封O型圈；18、特型膜片；19、光纤保护软管；20、光缆连接头；21、后盖；22、光缆固定套；23、直通底座；24、锁紧螺母；25、尼龙导气管；36、外接光缆；N、平台；C、保护罩上透水孔。
26、箱体；27、光纤；28、膜片；29、支板；30、栅格；
31、壳体；32、等强度梁；33、平膜片；34、传力杆；35光纤光栅。
具体实施方式：
如图1所示，一种光纤光栅小量程渗压传感器，它包括管状支架5和与之水密封的外壳11，还有串联在一起的第一布拉格光纤光栅7和第二布拉格光纤光栅13，边缘固定设置于管状支架5两端的圆形波纹状膜片4和特型膜片18，所述圆形波纹状膜片4和特型膜片18的中心分别固定设置于连杆10两端，所述连杆10上设置有平台N，所述圆形波纹状膜片4和特型膜片18与管状支架5结合部水密封，所述管状支架5与外壳11的结合部水密封，所述管状支架5上还设置有一端支承第一布拉格光纤光栅7和第二布拉格光纤光栅13连接部并使第一布拉格光纤光栅7处于自由悬空状态的可调整架9，所述可调整架9的另一端和平台N之间预紧地固定设置有第二布拉格光纤光栅13，所述第二布拉格光纤光栅13与外接光缆连接。双联布拉格光纤光栅是一对串联在一起的布拉格光纤光栅，即第一布拉格光纤光栅7和第二布拉格光纤光栅13，其中第一布拉格光纤光栅7用来检测传感器内的温度变化，第二布拉格光纤光栅13检测双联膜片通过连杆10上平台N传导的外界水的变化状况。
将第二布拉格光栅13用353ND环氧树脂固定在可调整架9的B端和连杆10上的平台N之间，并通过将可调整架9向管状支架5的大径一端适当移动来对第二布拉格光纤光栅13施加一定的预紧。把第一布拉格光纤光栅7与第二布拉格光纤光栅13连接部分固定在可调整架9的另一端A端，使第一布拉格光纤光栅7悬空处于自由状态。双联布拉格光纤光栅在粘接在连杆10上平台N一端预留有引出的光纤，光纤通过光纤保护管19、铠装光缆36引出到传感器外。
所述外壳11后端设置有防水结构。如图1机械结构件组成的防水室。检测10米左右水深或0.1Mp的小量程的渗压传感器其传感器内部必须与外部空气接通，否则内部气压的影响会造成无法正确检测。防水室其实是一个传感器与大气连通环节中的缓冲空间；既是将后盖21通过丝扣与外壳11组合在一起，丝扣间压有一个密封O型圈17，在外壳11的尾端通过丝扣固定了一个光缆连接头20、用光缆固定套22将保护光纤的铠装光缆36固定在光缆连接头20细端上，后盖21尾部装有标准的直通底座23，尼龙导气管25通过锁紧螺母24压紧在直通23上，铠装光缆从尼龙导气管25，直通底座23，锁紧螺母24中的孔穿出。所述防水结构包括设置于外壳11后部的后盖21，所述后盖21和外壳11结合部水密封，所述外壳11尾端螺纹连接光缆连接头20，外接光缆36通过光缆固定套22固定在光缆连接头20细端上，后盖21的尾部装有标准的直通底座23，尼龙导气管25通过锁紧螺母24压紧在直通底座23上，外接光缆36从尼龙导气管25，直通底座23，锁紧螺母24中穿出。
如图3所示，双联膜片结构包括一个圆形波纹膜片4，一个薄的特型膜片18(如图4)，一个将圆形波纹膜片4和特型膜片18连接在一起的连杆10，在这个连杆10上还有一个专用的平台N，平台用来粘贴光纤光栅。波纹膜片4用激光焊接在支架5的直径较大端的内孔中；特型膜片18焊接在支架5的小端；连杆10的两端焊接在圆形波纹膜片4、特型膜片18的中心，平台N靠近特型膜片18的位置。这个双联膜片成功的改变了光纤光栅的波长变化方向，既可以使波长由短往长变化，重要的是解决了薄的膜片在用传力杆传导变形量时容易发生径向的位移的问题。所述外接光缆为铠装光缆36.
如图5所示的在所述连杆10上设置有微动调整结构。所述微动调整结构是在所述连杆10上设置有外螺纹和与之配合的调整螺母16，在所述管状支架5上设置有套装在连杆10上的弹簧支座12，在所述弹簧支座12和调整螺母36之间的连杆10上套装有弹簧14。专用微动调整结构主要有调整弹簧14、调整螺母16、垫圈15、另外还有一个在支架5上的弹簧支座12。
调整弹簧14套在连杆10上顶在弹簧支座12上朝向支架5小端的一边；调整螺母16、垫圈15、同时套在连杆10上压住调整弹簧14，并将调整螺母16旋在连杆10上的外螺纹上，通过调整螺母16的位置的改变、来改变调整弹簧14的受力情况。
微动调整结构可以用来调整圆形波纹膜片4的受力情况引导变形方向并抵消特型膜片18的弹力，并可以在一定范围内调整圆形波纹膜片4的变形量从而使每个探头的检测系数一致，如当两个探头全放在十米深水中时，一个探头光的波长变化是一个纳米，另一个是二个纳米时，可以通过调整调整螺母16改变调整弹簧14的受力状况来改变双联膜片的应力状况，使两个探头的变化全是两个纳米。所述可调整架9的材料为铝合金。温度补偿结构；光纤光栅受温度的影响是非常严重的问题，因此必须采用温度补偿，本结构利用材料的热膨胀系数的不同来进行补偿。
如图6所示，可调整架9是用铝合金制作，其热膨胀系数是不锈钢的2.1倍，可调整架9固定在支架5上，用来补偿可调整架9和连杆10上的平台N之间这段距离的材料因受温度影响时的变化。
如图9所示，在所述外壳11前端部设置有探头膜片保护结构。所述探头膜片保护结构包括设置于外壳11上的保护罩1以及内置于保护罩1中的过滤网2和定位挡圈3，所述保护罩1上设置通孔C。所述过滤网2为烧结的50目不锈钢过滤网。保护罩1前端为锥体，后部为圆柱体，保护罩1后部通过螺纹连接到外壳11上。其中将不锈钢烧结过滤网2放入保护罩1的内孔，用挡圈3压紧后将挡圈3保护罩1用激光焊接在一起。在保护罩1顶端有四个通孔C用来和检测的液体接通。
在实际使用中水从保护罩1的小孔C进入传感器经过不锈钢烧结过滤网2的过滤后在圆形波纹膜片4上产生一个压力，由于是双联膜片结构因此只产生一个轴向的位移。位移通过连杆10上专用平台N传递给第二布拉格光栅13。
其中两个光栅具有各自的温度系数，需要预先进行标定。
一束宽光谱的光通过第一布拉格光纤光栅7和第二布拉格光纤光栅13时，它反射回一束一定波长的单色光，此波长随温度和应变的变化而变化，第一布拉格光纤光栅7用来专门检测传感器的温度变化，通过光波长解调仪可以检测到波长的变化.用以下公式可以计算出实时的温度：
T＝λ1K1
式中，T是传感器的实时温度，λ1为光栅1的反射波长，K1为光栅1的温度常数。
通过对第一布拉格光纤光栅7的解调可以得到传感器的温度可以得到第二布拉格光纤光栅13的温度影响：
Δλ2＝TKT
Δλ2是第二布拉格光纤光栅13受温度影响的波长变化量。KT为光栅2的受温度变化时的温度系数，其值是一个常数
在得到温度对第二布拉格光纤光栅13的波长影响的变化，将其去除既是水压对传感器影响产生的变化通过以下的公式可以的到当前水位：
H＝(λ2-Δλ2)K2
H当前水位，λ2光栅2实时波长值，K2光栅2的压力系数，
要注意：K1、KT、K2是在传感器制作时精心标定的一个常数值。
传感器在装好光栅后按照图1的结构示意将保护罩1，外壳11，后盖21装好并将O型圈压紧以防漏水。并将外装光缆36固定在光缆接头19上从尼龙导气管25内穿过，尼龙导气管25与空气接通。使用时尼龙导气管25尾端要始终在水面以上，以免进水。外界的水从保护罩1尖端的小孔C进入通过过滤网2在圆形波纹膜片4上产生压力。
Claims (10)
1.一种光纤光栅小量程渗压传感器，它包括管状支架和与之水密封的外壳，其特征是还有串联在一起的第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅，边缘固定设置于管状支架两端的波纹状膜片和特型膜片，所述波纹状膜片和特型膜片的中心分别固定设置于连杆两端，所述连杆上设置有平台，所述圆波纹状膜片和特型膜片与管状支架结合部水密封，所述管状支架与外壳的结合部水密封，所述管状支架上还设置有一端支承第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅连接部并使第一布拉格光纤光栅处于自由悬空状态的可调整架，所述可调整架的另一端和平台之间预紧地固定设置有第二布拉格光纤光栅，所述第二布拉格光纤光栅与外接光缆连接。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅小量程渗压传感器，其特征是在所述连杆上设置有微动调整结构。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅小量程渗压传感器，其特征是所述微动调整结构是在所述连杆上设置有外螺纹和与之配合的调整螺母，在所述管状支架上设置有套装在连杆上的弹簧支座，在所述弹簧支座和调整螺母之间的连杆上套装有弹簧。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅小量程渗压传感器，其特征是所述可调整架的材料为铝合金。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅小量程渗压传感器，其特征是在所述外壳前端部设置有探头膜片保护结构。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅小量程渗压传感器，其特征是所述探头膜片保护结构包括设置于外壳上的保护罩以及内置于保护罩中的过滤网和定位挡圈，所述保护罩上设置通孔。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅小量程渗压传感器，其特征是所述过滤网为烧结的50目不锈钢过滤网。
8.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征是保护罩前端为锥体，后部为圆柱体，保护罩后部通过螺纹连接到外壳上。
9.根据权利要求1所述的光纤光栅小量程渗压传感器，其特征是所述外壳后端设置有防水结构。
10.根据权利要求9所述的光纤光栅小量程渗压传感器，其特征是所述防水结构包括设置于外壳后部的后盖，所述后盖和外壳结合部水密封，所述外壳尾端螺纹连接光缆连接头，外接光缆通过光缆固定套固定在光缆连接头细端上，后盖的尾部装有标准的直通底座，尼龙导气管通过锁紧螺母压紧在直通底座上，外接光缆从尼龙导气管，直通底座，锁紧螺母中穿出。
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