CN101782442A - 一种新型的光纤光栅压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种新型的光纤光栅压力传感器，光纤光栅固结在双拱形等厚悬臂梁的上表面，悬臂梁置于一个自由弹性圆筒的内部，并通过接触点与其保持永久的“活性”接触，弹性圆筒由两个端部元件及密封元件将其固定在保护壳体内部的适当位置，这些元件之间分别通过密封垫(端部平面之间)或放置在沟槽中的环形密封圈(圆柱面之间)彼此以一定的预紧力连接。采用光纤光栅反射光谱3dB带宽检测方法，可以避免温度对测量信号的影响问题。具有可实现较高压力的测量，信号传输损耗低，不失真，适合远距离测量，系统的传感器探头部分电绝缘、安全性好等优点。

Description

一种新型的光纤光栅压力传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅压力传感器，属于传感器与检测技术领域。

背景技术

目前，国内外对压力检测的研究和产品有很多，常采用的是传统的电测量方法，这种方法不仅具有抗电磁干扰能力差、灵敏度低等缺点外，还不适合于远距离传感和信号传输。光纤压力检测方法提供了较好的解决方案。

在光纤压力检测技术方面，(Tomasz R.Woli′nski，Aleksandra Jarmolik，and Wojtek J.Bock，Development of Fiber Optic Liquid Crystal Sensor for Pressure Measurement.IEEETRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，48(1)，1999)提出“液晶+高双折射保偏光纤压力传感器”方法，基于压力的变化引起扭转向列液晶单元的变形(液晶厚度变化)，从而导致了输出椭圆偏振光的方向上的旋转——旋光效应，使入射的线偏振光经过被压力作用的液晶单元后，引起在两个垂直接收方向上的光强度的改变，压力测量范围～60MPa。(Wojtek J.Bock，Coherence Multiplexing of Fiber-Optic Pressure and TemperatureSensors Based on Highly Birefringent Fibers，IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATIONAND MEASUREMENT，49(2)，2000)提出的“白光干涉+高双折射保偏光纤压力传感器”方法，是基于压力的变化增大了高双折射保偏光纤各偏振模式之间的传播常数和极化模色散的差别，从而导致白光干涉条纹的横向移动，通过CCD检测条纹的横向移动就可以探测到压力的变化，实现了～20MPa测量范围和0.5％的测量精度。(刘云启，郭转运等，单个光纤光栅压力和温度的同时测量，中国激光，27(11)，2000)提出“聚合物封装+光纤光栅压力传感器”是基于压力的变化引起光纤光栅的轴向应变，从而导致光纤光栅的布拉格中心反射波长的移动，通过检测中心波长的移动量，可以得到被测压力。利用具有不同特性的聚合物分别封装在光纤光栅的两边，可以得到不受外界温度干扰的压力信息，选用不同的聚合物，可以得到不同的测量灵敏度，测量的输出信号与被测压力呈现良好的线性关系，在10MPa范围内实现了0.36MPa的测量分辨力，在20℃～80℃的温度范围内实现了0.3℃地测量分辨力。但这种方法需要结构复杂或昂贵的光谱波长解调设备实现信号的检测。

发明内容

本发明的目的在于不仅为了克服已有技术的不足之处、实现较高压力的检测问题，还具有成本低、信号解调方法简单的优点，同时，也解决了光纤光栅压力和温度交叉敏感的问题。

本发明提出了一种新颖的用于压力检测的传感器，包括基于自由圆筒的压力换能器和基于光纤光栅传感器的应变检测技术。其特征在于，包括以下内容：

1.一种压力传感器，主要包括一个自由弹性圆筒型压力换能器结构，悬臂梁机构，一只刻有光纤光栅的光纤，密封机构、外部保护壳体以及起定位作用的端部元件，其特征在于：所述的压力传感器主要是利用一只光纤光栅实现压力检测，光纤光栅固结在悬臂梁的上表面，悬臂梁置于自由弹性圆筒的内部，并通过接触点与其保持永久的“活性”接触，所述的弹性圆筒由两个端部元件及闭合螺纹元件将其固定在保护壳体内部的适当位置，这些元件之间分别通过密封垫(端部平面之间)或放置在沟槽中的环形密封圈(圆柱面之间)彼此以一定的预紧力连接。

2.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的自由圆筒压力换能器材料为铝合金，内径尺寸为20mm，外径与内径之比为1.1，长度为150mm。

3.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的传感器中的双拱形悬臂梁为等厚结构，材料为有机玻璃，长度为130mm。

4.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的传感器探头中的光纤光栅粘结在双拱形悬臂梁中点至一端的上表面中间部位。

5.按照权利要求1-4所述的传感器，其特征在于：所述的传感器信号检测方法采用光纤光栅反射光谱3dB带宽检测方法，而不是传统的波长检测方法，可以避免温度对测量信号的影响问题。

本发明具有如下特点：

(1)可实现较高压力的测量；

(2)信号传输损耗低，不失真，适合远距离测量；

(3)系统的传感器探头部分电绝缘、安全性好；

(4)采用了光纤光栅反射光谱信号带宽测量技术，避免了光纤光栅传感器测量信号交叉敏感问题；

附图说明

图1为本发明提供的光纤光栅压力传感器的原理结构示意图。

图2为本发明传感单元中的双拱形悬臂梁上表面受力后的应变分布图。

图3为利用本发明实现压力测量时，光纤光栅反射光谱受不同压力的变化情况。

图4为利用本发明加压实验过程中光栅反射光谱图。

具体实施方式

本发明提出的光纤光栅压力传感器结构及其测量原理，结合附图说明如下：

图1为传感器结构示意图。直接感受外界压力的自由弹性圆筒10通过两个相同结构的端部元件15和16以及螺纹闭合元件17和18“活性地”固定在外部保护壳体19的内部，端面元件与弹性圆筒、端面元件与外部壳体之间采用密封垫22和环形密封圈23紧密相连，悬臂梁11置于自由弹性圆筒的内部，并通过接触点14与其保持永久的“活性”接触，刻制在光纤12上的光纤光栅13固结在悬臂梁上表面中心与右侧端之间的位置上，并通过光纤12与外部光源及解调系统等相连接。

当有外界压力P从进压口21引入，作用在自由弹性伸缩的圆筒结构的外表面时，将产生轴向和径向的应变，这里是利用其径向应变ε_c导致圆筒内径D的变化ΔD(如图2所示)，再将这一变化传递给悬臂梁，此时，悬臂梁等效为在外力F的作用下，在中点位置(接触点)处产生位移变化，最终引起粘贴在悬臂梁上的光纤光栅的轴向应变ε_x的变化。

根据自由圆筒型换能器的简单理论可知被测压力与圆筒径向的应变的函数关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_c=-\frac{P}{E}\frac{K^2}{K^2-1}(2-v)---\left(1\right)$

其中，P为被测压力，E为材料的杨氏弹性模量，K为圆筒外径与内径之比，v材料的泊松比。从(1)式可以得出圆筒内径的变化与外界压力的变化关系：

$\frac{\mathrm{\ΔD}}{D}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{E}\frac{K^2}{K^2-1}(2-v)---\left(2\right)$

其中，D为圆筒内径。

根据有限元分析方法，当压力作用在双拱形悬臂梁的中点位置时，悬臂梁上表面的应力分布情况如图3所示。从图3可见，在双拱形悬臂梁的上表面，各处的应变是不同的，在距离中点位置2cm～3cm之间的部位，应变从负值到正值趋于线性变化。这样，当光纤光栅区域的长度小于1cm时，将其对称地粘贴于悬臂梁上具有线性变化的正负应变的这段区域里，在外界压力的变化情况下，光纤光栅一段受到负应变的作用，而另一段受到正应变的作用，而且正负应变是沿光栅长度方向线性变化的，从而光纤光栅将变成线性啁啾的光栅，从而会使光纤光栅的反射谱展宽。

光纤光栅的原始中心波长为1549.338nm。图4即是不同大小的压力施加在传感器上以后，得到的光纤光栅反射光谱的3dB带宽的展宽情况。从图中可见，当压力逐渐增大的过程中，光纤光栅的反射光谱的3dB带宽也随之逐渐变宽，这样，测量出光纤光栅的反射光谱的3dB带宽的数值，就可以得到对应的被测压力值。

Claims (5)

1.一种光纤光栅压力传感器，主要包括一个自由弹性圆筒型压力换能器结构10，悬臂梁机构11，一只刻有光纤光栅13的光纤12，密封机构17和18、外部保护壳体19以及起定位作用的端部元件15和16，其特征在于：所述的压力传感器主要是利用一只光纤光栅实现压力检测，光纤光栅固结在悬臂梁的上表面，悬臂梁置于自由弹性圆筒的内部，并通过接触点14与其保持永久的“活性”接触，所述的弹性圆筒由两个端部元件及闭合螺纹元件17和18将其固定在保护壳体内部的适当位置，这些元件之间分别通过密封垫22(端部平面之间)或放置在沟槽中的环形密封圈23(圆柱面之间)彼此以一定的预紧力连接。

2.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的自由圆筒压力换能器材料为铝合金，内径尺寸为20mm，外径与内径之比为1.1，长度为150mm。

3.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的传感器中的双拱形悬臂梁为等厚结构，材料为有机玻璃，长度为130mm。

4.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的传感器探头中的光纤光栅粘结在双拱形悬臂梁中点至一端的上表面中间部位。

5.按照权利要求1-4所述的传感器，其特征在于：所述的传感器信号检测方法采用光纤光栅反射光谱3dB带宽检测方法，而不是传统的波长检测方法，可以避免温度对测量信号的影响问题。

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