CN101900616B - 一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法，该传感器包括壳体、弹性膜片、L形等强度梁和光纤布拉格光栅，壳体的顶端设置有开口，开口与壳体的内部空间构成腔体，弹性膜片覆盖开口，等强度梁设置于腔体内，等强度梁的梁臂的自由端设置有受压块，弹性膜片的下表面设置有与受压块紧密连接的硬凸台，光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通过光纤串联连接构成，两个布拉格光栅分别连接于梁臂的上下表面上，优点在于在设计时弹性膜片与梁臂刚性连接，不仅可提高测量精度，而且可降低工艺难度；由于光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度相同的布拉格光栅构成，这样在测量时可解决温度交叉敏感问题。

Description

一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器技术，尤其是涉及一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法。

背景技术

光纤传感器与常规的传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在建筑、石油、军事应用领域显得尤为突出。

在光纤传感器测量中，为了提高测量的精度及稳定性，要求选择恰当的敏感元件并对其进行合理的封装，其中，在光纤光栅中光纤布拉格(Bragg)光栅是应变、温度、位移等物理量的良好敏感元件，其越来越受到人们的关注，在建筑监测、石油勘探等领域都具有重要的应用价值。光纤布拉格光栅传感器与常规的传感器相比，其对应变、温度、位移等物理量具有更高的灵敏度，同时又具有体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。然而，光纤布拉格光栅传感器在实际工程测试中，由于光纤布拉格光栅的反射中心波长会随着所处环境温度的起伏发生漂移，从而给准确测量压力带来了很大的困难，因此，在设计光纤布拉格光栅传感器时，必须克服温度交叉敏感的问题。

此外，在传感器实用化进程中，如何降低加工难度，提高传感器测量精度，同时解决温度补偿问题，一直都是科研人员重点关注的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单紧凑、加工难度低、测量精确度高，且能够有效克服温度交叉敏感问题的光纤布拉格光栅压力传感器，同时提供了一种利用该光纤布拉格光栅压力传感器实现温度和压力分离测量的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种光纤布拉格光栅压力传感器，包括筒状的壳体、呈圆形的弹性膜片、L形等强度梁和光纤布拉格光栅，所述的壳体的顶端设置有一个开口，所述的开口与所述的壳体的内部空间相连通构成一个具有开口的腔体，所述的弹性膜片与所述的壳体的顶端相连接，所述的弹性膜片覆盖所述的开口，所述的L形等强度梁设置于所述的腔体内，所述的L形等强度梁的固定板与所述的腔体的腔壁相连接，所述的L形等强度梁的梁臂的自由端设置有受压块，所述的弹性膜片的下表面上设置有一个位置与所述的受压块的位置相对应的硬凸台，所述的受压块的上表面与所述的硬凸台的下表面紧密接触连接，所述的光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通过一个光纤串联连接构成，两个所述的布拉格光栅分别连接于所述的L形等强度梁的梁臂的上表面和下表面上，所述的光纤的一端通过设置于所述的壳体的一侧壁上且贯穿该侧壁的通孔引出所述的壳体外。

所述的弹性膜片的边缘与所述的壳体的顶端的边缘之间通过紧固件相连接，所述的弹性膜片与所述的壳体的连接处涂有高强度密封胶，所述的弹性膜片与所述的腔体构成一个密闭空气腔。

所述的L形等强度梁的梁臂的轴向截面的形状为三角形。

所述的受压块的上表面和所述的硬凸台的下表面的形状均为矩形，所述的受压块的上表面的面积与所述的硬凸台的下表面的面积相等。

两个所述的布拉格光栅通过粘贴的方式对称粘贴于所述的L形等强度梁的梁臂的上表面和下表面上。

所述的布拉格光栅的取向平行于所述的L形等强度梁的梁臂的轴向。

所述的通孔内设置有中空的连接接头，所述的光纤的一端通过所述的连接接头引出并固定。

所述的壳体采用的材料为刚度强、防腐性能良好的材料。

一种上述的光纤布拉格光栅压力传感器相应的测量方法，包括以下步骤：

①根据圆形薄片力学计算模型，计算弹性膜片的中心挠度，记为ω，

其中，P表示弹性膜片的上表面所受的均布压力，μ表示弹性膜片所采用的材料的泊松比，R表示弹性膜片的半径，E表示弹性膜片所采用的材料的弹性模量，d表示弹性膜片的厚度；

②计算当弹性膜片的上表面所受的均布压力P通过硬凸台转化为集中应力F作用于设置于L形等强度梁的梁臂的自由端的受压块时，受压块的惯性矩和挠度，分别记为I和ω′，

其中，B表示L形等强度梁的梁臂与L形等强度梁的固定板相连接的一端的宽度，h表示L形等强度梁的梁臂的厚度，L表示L形等强度梁的梁臂的轴向长度，E′表示L形等强度梁所采用的材料的弹性模量；

③根据弹性膜片与L形等强度梁的刚性连接特性，确定ω′＝ω，结合

和

得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P与集中应力F之间的关系表达式，

④在集中应力F的作用下，L形等强度梁的梁臂产生变形，L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生正应变，粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长变大，L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生负应变，粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长变小，令L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变为ε_上，

令L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生的负应变为ε_下，

⑤根据两个布拉格光栅反射的中心波长分别对应计算两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长的变化量为Δλ_B上，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长的变化量为Δλ_B下，Δλ_B上＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B上，-Δλ_B下＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B下，其中，t表示光纤的弹光系数，ε表示光纤的轴向应变，α表示光纤的热光系数，β表示光纤的热膨胀系数，ΔT表示温度变化量，λ_B上表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长，λ_B下表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长；

⑥根据光纤粘贴在L形等强度梁的梁臂的上下表面时光纤的轴向应变ε与L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变ε_上及下表面受压产生的负应变ε_下相等的特性，结合和Δλ_B上＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B上，得到

结合

和-Δλ_B下＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B下，得到

⑦将和

相减，并根据两个温度梯度完全相同的布拉格光栅，确定两个布拉格光栅反射的中心波长相等，根据等强度梁的应变特性，确定两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值相等，得到

其中，Δλ_B表示两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值，λ_B表示两个布拉格光栅反射的中心波长；

⑧从与引出的光纤相连接的光栅解调仪中获取布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值Δλ_B，结合布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值Δλ_B和

计算得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P；

⑨根据弹性膜片的上表面所受的均布压力P，计算温度变化量ΔT。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)、在设计时，通过设置于弹性膜片的下表面上的硬凸台使弹性膜片与L形等强度梁的梁臂刚性连接，从而使在设计时L形等强度梁已发生一微小应变，不仅可提高测量精度，而且可有效降低工艺难度。

2)、本发明采用的光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通过一个光纤串联连接构成，设计时将两个布拉格光栅分别粘贴于L形等强度梁的梁臂的上下表面上，这样不仅可提高测量精度，而且还成功解决了温度交叉敏感的问题。

3)、此外，本发明的光纤布拉格光栅压力传感器的结构简单、紧凑，易于操作。

4)、本发明的光纤布拉格光栅压力传感器对应的测量方法根据两个布拉格光栅对压力和温度的敏感差异，利用温度补偿实现对压力的精确测量，同时，结合布拉格光栅反射的中心波长与应变和温度的关系，可实现对温度的分离检测。

附图说明

图1为本发明的光纤布拉格光栅压力传感器的基本结构示意图；

图2为L形等强度梁的平面示意图；

图3为本发明具体实施方式的均布压力响应示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种光纤布拉格光栅压力传感器，如图1和图2所示，其包括呈筒状的壳体1、呈圆形的弹性膜片2、L形等强度梁3和光纤布拉格光栅4，壳体1的顶端设置有一个开口11，开口11与壳体1的内部空间相连通构成一个具有开口的腔体12，弹性膜片2与壳体1的顶端相连接，弹性膜片2覆盖开口11，L形等强度梁3设置于腔体12内，L形等强度梁3的固定板31可通过紧固件如螺钉等与腔体12的腔壁固定连接，L形等强度梁3的梁臂32的自由端设置有受压块33，弹性膜片2的下表面上设置有一个位置与受压块33的位置相对应的硬凸台21，硬凸台21主要用于将弹性膜片2的上表面所受的均布压力转化为集中应力，受压块33的上表面与硬凸台21的下表面紧密接触连接，使弹性膜片2与L形等强度梁3刚性连接，同时使在设计时L形等强度梁3已发生一微小应变，可有效降低工艺难度，同时克服L形等强度梁3和硬凸台21之间的间隙带来的测量误差，光纤布拉格光栅4主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅41、42通过一个光纤43串联连接构成，两个布拉格光栅41、42分别连接于L形等强度梁3的梁臂32的上表面和下表面上，光纤43的一端通过设置于壳体1的一侧壁上且贯穿该侧壁的通孔13引出壳体1外。在此，采用两个温度梯度完全相同的布拉格光栅41、42，可成功解决温度交叉敏感的问题。

在此具体实施例中，弹性膜片2的边缘与壳体1的顶端的边缘之间通过紧固件如螺栓、螺钉等相连接，弹性膜片2与壳体1的连接处涂有高强度密封胶(图中未示出)，使弹性膜片2的下表面与腔体12的腔壁之间的空间构成一个密闭空气腔5，密闭空气腔5使其内温度更稳定，从而可有效维持光纤布拉格光栅4所处的环境更为稳定。

在此具体实施例中，如图2所示，L形等强度梁3的梁臂32的轴向截面的形状呈三角形，梁臂32与固定板31相连接的一端为宽端，梁臂32的自由端为窄端，L形等强度梁3的梁臂32的厚薄均匀。

在此具体实施例中，受压块33的上表面和硬凸台21的下表面的形状均为矩形，受压块33的上表面的面积与硬凸台21的下表面的面积相等，这样受压块33的上表面和硬凸台21的下表面的接触更为密切，从而在测量时可使硬凸台21上的集中应力完全作用于受压块33。在此，硬凸台21和受压块33的大小没有严格限制，在本实施例中，硬凸台21的表面可为边长为2mm的正方形，受压块33的表面可为边长为2mm的正方形。

在此具体实施例中，两个布拉格光栅41、42通过粘贴的方式对称粘贴于L形等强度梁3的梁臂32的上表面和下表面上，至于具体粘贴在L形等强度梁3的梁臂32的上表面和下表面的哪个位置没有特殊的要求，但布拉格光栅的取向必须平行于L形等强度梁3的梁臂32的轴向，如图2所示。

在此具体实施例中，可在通孔13内设置中空的连接接头6，光纤43的一端通过连接接头6引出并固定。

在此具体实施例中，壳体1可采用刚度比较强、防腐性能良好的材料制成，如不锈钢等，这样在外界压力作用下，壳体1也不会发生应变；弹性膜片2可采用不锈钢材料制成，如2Cr13型不锈钢；L形等强度梁3和受压块33可采用铍青铜等材料制成；硬凸台21可采用刚度比较强、防腐性能良好的材料制成，如不锈钢等。

本发明的光纤布拉格光栅压力传感器工作时，当外界压力作用于弹性膜片2上时，弹性膜片2发生形变，通过硬凸台21将弹性膜片的中心挠度传递给位于L形等强度梁3的自由端的受压块33上，使L形等强度梁3的表面发生应变，导致粘贴于L形等强度梁3的梁臂32的上下表面的光纤布拉格光栅发生拉压应变，从而引起光纤布拉格光栅的反射中心波长的变化。对于光纤布拉格光栅，其反射中心波长的变化与应变成正比，故可通过中心波长的变化量推知外界压力的大小。同时，根据中心波长与应变和温度的关系，还可计算出外界温度的大小，从而实现了压力和温度的分离检测。

应用本发明的光纤布拉格光栅压力传感器进行测量的方法的具体过程如下：

①根据现有的圆形薄片力学计算模型，计算弹性膜片的中心挠度，记为ω，其中，P表示弹性膜片的上表面所受的均布压力，μ表示弹性膜片所采用的材料的泊松比，R表示弹性膜片的半径，E表示弹性膜片所采用的材料的弹性模量，d表示弹性膜片的厚度；

②计算当弹性膜片的上表面所受的均布压力P通过硬凸台转化为集中应力F作用于设置于L形等强度梁的梁臂的自由端的受压块时，受压块的惯性矩和挠度，分别记为I和ω′，

其中，B表示L形等强度梁的梁臂与L形等强度梁的固定板相连接的一端的宽度，h表示L形等强度梁的梁臂的厚度，L表示L形等强度梁的梁臂的轴向长度，E′表示L形等强度梁所采用的材料的弹性模量；

③由于硬凸台将弹性膜片与L形等强度梁的刚性连接，因此，可确定受压块的挠度ω′等于弹性膜片的中心挠度ω，结合

和得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P与集中应力F之间的关系表达式，

④在集中应力F的作用下，L形等强度梁的梁臂产生变形，L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生正应变，则粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长变大，L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生负应变，则粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长变小，令L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变为ε_上，

令L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生的负应变为ε_下，

⑤对于布拉格光栅，其对温度和应变都比较敏感，当两者同时作用时可根据布拉格光栅反射的中心波长计算布拉格光栅反射的中心波长的变化量，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长的变化量为Δλ_B上，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长的变化量为Δλ_B下，Δλ_B上＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B上，-Δλ_B下＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B下，其中，t表示光纤的弹光系数，ε表示光纤的轴向应变，α表示光纤的热光系数，β表示光纤的热膨胀系数，ΔT表示温度变化量，λ_B上表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长，λ_B下表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长。如单模石英光纤，其弹光系数t＝0.22，其热光系数α＝6.17×10^-6/℃，其热膨胀系数β＝5×10^-7/℃。

⑥根据光纤粘贴在L形等强度梁的梁臂的上下表面时光纤的轴向应变ε与L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变ε_上及下表面受压产生的负应变ε_下相等的特性，结合

和Δλ_B上＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B上，得到

结合

和-Δλ_B下＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B下，得到

⑦将

和

相减，同时由于两个布拉格光栅的温度梯度完全相同，因此可以确定两个布拉格光栅反射的中心波长相等，根据等强度梁的应变特性，可确定温度因素带来的两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值也完全相同，这样可得到

其中，Δλ_B表示两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值，λ_B表示两个布拉格光栅反射的中心波长。

⑧从

可以看出，布拉格光栅反射的中心波长的漂移量能线性的反馈外界压力的变化，因此实际测试时，只需通过与引出的光纤相连接的现有的光栅解调仪读取波峰，获取布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值Δλ_B，结合布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值Δλ_B和

就可计算得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P即外界压力。

⑨将计算得到的弹性膜片的上表面所受的均布压力P代入

或

中，可计算出温度变化量ΔT，从而实现压力和温度的分离检测。

下面，以不锈钢为弹性膜片的材料，以铍青铜为L形等强度梁的材料为例：

1、弹性膜片的材料选择2Cr13型不锈钢，其半径R＝55mm，厚度d＝6mm，泊松比μ＝0.3，弹性模量E＝2.1×10⁵MPa，设置于弹性膜片的下表面且呈正方体的硬凸台的边长为2mm。

2、L形等强度梁的材料选择铍青铜，其弹性模量E′＝1.28×10⁵MPa，根据L形等强度梁设计原则，结合材料最大弯曲应力和测量所受压力关系，设计L形等强度梁结构参数：B＝26mm，b＝2mm，L＝50mm，h＝1.5mm，b表示受压块的表面的边长。

结合上面数据，对本发明的光纤布拉格光栅对应的测量方法进行理论计算，其均布压力响应如图3所示，图3中的横坐标表示均布压力(Pressure)，单位为MPa，纵坐标表示布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值(Δλ，即上述的Δλ_B)，单位为nm，分析图3中可以看出，本发明的光纤布拉格光栅压力传感器具有良好的线性度和高测量分辨率，压感系数为0.02nm/MPa。

Claims (1)

1.一种光纤布拉格光栅压力传感器相应的测量方法，光纤布拉格光栅压力传感器包括筒状的壳体、呈圆形的弹性膜片、L形等强度梁和光纤布拉格光栅，所述的壳体的顶端设置有一个开口，所述的开口与所述的壳体的内部空间相连通构成一个具有开口的腔体，所述的弹性膜片与所述的壳体的顶端相连接，所述的弹性膜片覆盖所述的开口，所述的L形等强度梁设置于所述的腔体内，所述的L形等强度梁的固定板与所述的腔体的腔壁相连接，所述的L形等强度梁的梁臂的自由端设置有受压块，所述的弹性膜片的下表面上设置有一个位置与所述的受压块的位置相对应的硬凸台，所述的受压块的上表面与所述的硬凸台的下表面紧密接触连接，所述的光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通过一个光纤串联连接构成，两个所述的布拉格光栅分别连接于所述的L形等强度梁的梁臂的上表面和下表面上，所述的光纤的一端通过设置于所述的壳体的一侧壁上且贯穿该侧壁的通孔引出所述的壳体外，其特征在于该测量方法包括以下步骤：

①根据圆形薄片力学计算模型，计算弹性膜片的中心挠度，记为ω，

其中，P表示弹性膜片的上表面所受的均布压力，μ表示弹性膜片所采用的材料的泊松比，R表示弹性膜片的半径，E表示弹性膜片所采用的材料的弹性模量，d表示弹性膜片的厚度；

②计算当弹性膜片的上表面所受的均布压力P通过硬凸台转化为集中应力F作用于设置于L形等强度梁的梁臂的自由端的受压块时，受压块的惯性矩和挠度，分别记为I和ω′，

其中，B表示L形等强度梁的梁臂与L形等强度梁的固定板相连接的一端的宽度，h表示L形等强度梁的梁臂的厚度，L表示L形等强度梁的梁臂的轴向长度，E′表示L形等强度梁所采用的材料的弹性模量；

③根据弹性膜片与L形等强度梁的刚性连接特性，确定ω′＝ω，结合

和

得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P与集中应力F之间的关系表达式，

④在集中应力F的作用下，L形等强度梁的梁臂产生变形，L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生正应变，粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长变大，L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生负应变，粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长变小，令L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变为ε_上，

令L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生的负应变为ε_下，

⑤根据两个布拉格光栅反射的中心波长分别对应计算两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长的变化量为Δλ_B上，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长的变化量为Δλ_B下，Δλ_B上＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B上，-Δλ_B下＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B下，其中，t表示光纤的弹光系数，ε表示光纤的轴向应变，α表示光纤的热光系数，β表示光纤的热膨胀系数，ΔT表示温度变化量，λ_B上表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长，λ_B下表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长；

⑥根据光纤粘贴在L形等强度梁的梁臂的上下表面时光纤的轴向应变ε与L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变ε_上及下表面受压产生的负应变ε_下相等的特性，结合

和Δλ_B上＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B上，得到

结合

和-Δλ_B下＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B下，得到

⑦将

和

相减，并根据两个温度梯度完全相同的布拉格光栅，确定两个布拉格光栅反射的中心波长相等，根据等强度梁的应变特性，确定两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值相等，得到

其中，Δλ_B表示两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值，λ_B表示两个布拉格光栅反射的中心波长；

⑧从与引出的光纤相连接的光栅解调仪中获取布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值Δλ_B，结合布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值Δλ_B和

计算得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P；

⑨根据弹性膜片的上表面所受的均布压力P，计算温度变化量ΔT。

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