CN102116692A - 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，本传感器包括壳体、弹性膜片、第一光纤布拉格光栅及第二光纤布拉格光栅，壳体的内部空腔的底部设置有两个用于连接第一光纤布拉格光栅的硬支柱，弹性膜片与壳体的顶端连接，弹性膜片的下表面上设置有两个用于连接第二光纤布拉格光栅的凸台，优点在于通过将第二光纤布拉格光栅连接于两个凸台之间，这样在弹性膜片受到均布压力时，可使第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅发生均匀应变，可有效提高测量精度及测量灵敏度；在设计时使仅用于测量温度的第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅与用于测量温度和压力的第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅处于同一竖直位置上，可成功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，尤其是涉及一种高灵敏度的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，提高传感器灵敏度，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、易加工制作、压敏系数和测量精确度高，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，其特征在于包括筒状的壳体、呈圆形的弹性膜片、仅具有测量温度功能的第一光纤布拉格光栅及具有测量压力和温度功能的第二光纤布拉格光栅，所述的壳体的顶端具有一个与所述的壳体的内部空腔相连通的开口，所述的壳体的内部空腔的底部设置有两个硬支柱，所述的第一光纤布拉格光栅连接于两个所述的硬支柱之间，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，所述的弹性膜片的下表面上以圆心对称设置有两个凸台，所述的第二光纤布拉格光栅连接于两个所述的凸台之间，所述的第二光纤布拉格光栅与所述的第一光纤布拉格光栅处于同一竖直位置上，所述的第一光纤布拉格光栅的光纤的一端与所述的第二光纤布拉格光栅的光纤的一端相连接，所述的第二光纤布拉格光栅的光纤的另一端引出于所述的壳体外。

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壳体的内部空腔构成一个密闭空气腔。

两个所述的凸台一体设置于所述的弹性膜片的下表面上，两个所述的凸台的下表面上均刻设有细槽，所述的第二光纤布拉格光栅绷紧连接于两个所述的细槽之间。

所述的第一光纤布拉格光栅绷紧连接于两个所述的硬支柱之间，所述的第一光纤布拉格光栅的光纤通过粘贴方式粘贴于所述的硬支柱的上表面上。

所述的第一光纤布拉格光栅与所述的第二光纤布拉光栅在竖直位置上之间的间距小于4mm。

所述的壳体的侧壁上贯穿设置有通孔，所述的通孔内设置有中空的连接接头，所述的第二光纤布拉格光栅的光纤的另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，其特征在于包括以下步骤：

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表示受均布压力的部分弹性膜片的半径，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根据弹性膜片的中心挠度ω和设置于弹性膜片的下表面上的凸台的高度，计算在均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变，记为ε，

其中，x表示弹性膜片的上表面受到均布压力P后第二光纤布拉格光栅发生应变而拉伸的拉伸长度的一半，a表示凸台的中心与弹性膜片的下表面的圆心之间的垂直距离，h表示凸台的高度；

③根据第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长计算其反射的中心波长的变化量，记为Δλ₂，Δλ₂/λ₂＝(1-t)ε′+(α+β)ΔT，根据第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长计算其反射的中心波长的变化量，记为Δλ₁，Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT，其中，λ₂表示第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长，λ₁表示第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长，t表示第二光纤布拉格光栅的光纤的弹光系数，ε′表示第二光纤布拉格光栅的光纤的轴向应变，α表示第二光纤布拉格光栅的光纤和第一光纤布拉格光栅的光纤的热光系数，β表示第二光纤布拉格光栅的光纤和第一光纤布拉格光栅的光纤的热膨胀系数，ΔT表示第二光纤布拉格光栅和第一光纤布拉格光栅的温度变化量；

④根据在均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变ε与第二光纤布拉格光栅的光纤的轴向应变ε′相等的特性，结合Δλ₂/λ₂＝(1-t)ε′+(α+β)ΔT和

得到

⑤结合Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT和得到

⑥从与引出壳体外的光纤相连接的光栅解调仪中获取第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₁及第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₂，结合

计算得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P；

⑦根据第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₁，结合Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT，计算得到温度变化量ΔT；或根据第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₂，结合

计算得到温度变化重ΔT。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)、本发明通过将第二光纤布拉格光栅连接于设置于弹性膜片的下表面的两个凸台之间，这样在弹性膜片受到均布压力时，可使第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅发生均匀应变，避免了第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射谱的展宽和啁啾，从而可有效降低传感器的信号噪声，同时提高测量精度与稳定性。

2)、本发明通过将第二光纤布拉格光栅连接于设置于弹性膜片的下表面的两个凸台之间，这样当弹性膜片受到压力载荷作用变形时，其通过凸台带动第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅发生均匀应变，这种方式可有效提高传感器的测量灵敏度。

3)、本发明采用第一光纤布拉格光栅仅用于测量温度，采用第二光纤布拉格光栅用于测量温度和压力，且在设计时使第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅的位置和第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅的位置处于同一竖直位置上，这样可成功解决温度交叉敏感的问题。

4)、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。

5)、本发明的光纤布拉格光栅压力传感器相应的测量方法根据第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅对压力和温度的敏感差异及第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅对温度的敏感差异，利用温度补偿实现对压力的精确测量，同时，结合第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长与应变和温度的关系及第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长与温度的关系，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为弹性膜片的结构示意图；

图3为凸台的下表面的平面示意图；

图4为弹性膜片受均布压力前后的简化示意图；

图5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。

实施例一：

本发明提出的一种光纤布拉格光栅压力传感器，如图1所示，其包括筒状的壳体1、呈圆形的弹性膜片2、仅具有测量温度功能的第一光纤布拉格光栅3及具有测量压力和温度功能的第二光纤布拉格光栅4，壳体1的顶端设置有一个开口，开口与壳体1的内部空腔相连通构成一个具有开口的腔体12，腔体12的底部设置有两个硬支柱5，第一光纤布拉格光栅3连接于两个硬支柱5之间，弹性膜片2与壳体1的顶端相连接，弹性膜片2覆盖开口，弹性膜片2的下表面上以圆心对称设置有两个凸台21，第二光纤布拉格光栅4连接于两个凸台21之间，第二光纤布拉格光栅4与第一光纤布拉格光栅3处于同一竖直位置上，第一光纤布拉格光栅3的光纤的一端与第二光纤布拉格光栅4的光纤的一端相连接，第二光纤布拉格光栅4的光纤的另一端通过设置于壳体1的侧壁上且贯穿该侧壁的通孔13引出壳体1外。在此，第一光纤布拉格光栅3和第二光纤布拉格光栅4均采有现有技术。

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6等相连接，如图2所示，弹性膜片2的边缘设置有8个螺栓孔22用于固定螺栓，在实际操作时，螺栓孔22的个数可根据需求增减；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构成一个密闭空气腔7，密闭空气腔7的设置使其内的温度更为稳定，从而可有效维持第一光纤布拉格光栅3和第二光纤布拉格光栅4所处的环境更为稳定。

在此具体实施例中，两个凸台21一体设置于弹性膜片2的下表面上，两个凸台21的下表面上均刻设有细槽23，如图3所示，第二光纤布拉格光栅4绷紧连接于两个细槽23之间，即第二光纤布拉格光栅4的光纤内嵌于细槽中，同时涂覆上强粘性胶用以固定第二光纤布拉格光栅4的光纤，使第二光纤布拉格光栅4绷紧。在此，对于凸台21的形状没有任何限制，为方便加工，一般可设计长方体的凸台。

在此具体实施例中，第一光纤布拉格光栅3绷紧连接于两个硬支柱5之间，第一光纤布拉格光栅3的光纤通过现有的粘贴方式粘贴于硬支柱5的上表面上。在此，对于硬支柱5的形状没有任何限制，为方便加工，一般可设计长方体的硬支柱，硬支柱5可采用与壳体1相同的材料制成。

在此具体实施例中，设计时需使第一光纤布拉格光栅3与第二光纤布拉光栅4在竖直位置上之间的间距小于4mm，以保证第一光纤布拉格光栅3的布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅4的布拉格光栅的温度梯度达到基本相同，但两者又不能靠在一起，如若两者很靠近甚至靠在一起，两者会相互影响，从而影响测量结果，同时两者在竖直位置上之间的间距也不能相差太远，如果两者间距相差太远，则会导致第一光纤布拉格光栅3的布拉格光栅的温度梯度与第二光纤布拉格光栅4的布拉格光栅的温度梯度不同。在此，竖直位置是指与筒状的壳体的轴线相平行的位置。

在此具体实施例中，可在通孔13内设置中空的连接接头8，第二光纤布拉格光栅4的光纤的另一端通过连接接头8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，如采用2Cr13型不锈钢。

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时，弹性膜片2发生形变，设置于弹性膜片2的下表面上的两个凸台21之间的横向间距发生微小改变，带动第二光纤布拉格光栅4发生应变，从而引起第二光纤布拉格光栅4的布拉格光栅的反射中心波长发生变化；同时，处于同一温度场中的第一光纤布拉格光栅3的布拉格光栅可以检测温度变化而引起的中心波长偏移量。因此，可以根据第二光纤布拉格光栅4的布拉格光栅反射的中心波长与应变和温度的关系，及第一光纤布拉格光栅3的布拉格光栅反射的中心波长与温度的关系，可计算出外界温度和均布压力的大小，从而实现了压力和温度的分离检测。

实施例二：

一种应用上述的光纤布拉格光栅压力传感器进行测量的方法，其具体包括以下步骤：

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表示受均布压力的部分弹性膜片的半径，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弹性膜片受均布压力前后的简化模型示意图如图4所示，由于弹性膜片的中心挠度一般较小，因此可作近似处理，得到弹性膜片的上表面受到均布压力P后第二光纤布拉格光栅发生应变而拉伸的拉伸长度的一半与弹性膜片的中心挠度的比值，同凸台的高度与受均布压力的部分弹性膜片的半径的比值相同。因此根据弹性膜片的中心挠度ω和设置于弹性膜片的下表面上的凸台的高度，可计算在均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变，记为ε，其中，x表示弹性膜片的上表面受到均布压力P后第二光纤布拉格光栅发生应变而拉伸的拉伸长度的一半，图4中表示为弹性膜片受压前后凸台位移的距离，a表示凸台的中心与弹性膜片的下表面的圆心之间的垂直距离，即凸台的中心与弹性膜片的轴线之间的垂直距离，h表示凸台的高度即凸台的上表面的中心与其下表面的中心之间的垂直距离。

③根据第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长计算其反射的中心波长的变化量，记为Δλ₂，Δλ₂/λ₂＝(1-t)ε′+(α+β)ΔT，根据第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长计算其反射的中心波长的变化量，记为Δλ₁，Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT，其中，λ₂表示第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长，λ₁表示第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长，t表示第二光纤布拉格光栅的光纤的弹光系数，ε′表示第二光纤布拉格光栅的光纤的轴向应变，α表示第二光纤布拉格光栅的光纤和第一光纤布拉格光栅的光纤的热光系数，β表示第二光纤布拉格光栅的光纤和第一光纤布拉格光栅的光纤的热膨胀系数，ΔT表示第二光纤布拉格光栅和第一光纤布拉格光栅的温度变化量。如单模石英光纤，其弹光系数t＝022，其热光系数α＝6.17×10^-6/℃，其热膨胀系数β＝5×10^-7/℃。

④根据在均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变ε与第二光纤布拉格光栅的光纤的轴向应变ε′相等的特性，结合Δλ₂/λ₂＝(1-t)ε′+(α+β)ΔT和

得到

⑤结合Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT和

得到

⑥从

可以看出，第二光纤布拉格光栅的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，因此在实际测试时，只需通过与引出壳体外的光纤相连接的现有的光栅解调仪中读取波峰，获取第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₁及第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₂，结合

就可计算得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P。

⑦根据第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₁，结合Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT，计算得到温度变化量ΔT；或根据第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₂，结合

计算得到温度变化量ΔT。

下面，以2Cr13型不锈钢为弹性膜片的材料为例：

1、弹性膜片的材料选择2Cr13型不锈钢，其弹性模量E＝2.1×10⁵MPa，泊松比μ＝0.3，弹性膜片呈圆盘状，上表面和下表面呈圆形，直径2R均为150mm，其中受均布压力的部分弹性膜片的直径2r为100mm，厚度为5mm，两个凸台之间的横向间距为55mm即两个凸点的中心之间的连线距离为55mm。

2、凸台呈长方体，其上表面和下表面均呈正方形，正方形边长为5mm，凸台的高为6mm。

结合上面数据，对本发明的光纤布拉格光栅压力传感器相应的测量方法进行理论计算，其均布压力响应如图5所示，图5中的横坐标表示均布压力(Pressure)，单位为MPa，纵坐标表示第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量与反射的中心波长的商与第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量与反射的中心波长的商的差值，单位为nm，分析图5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，且压感系数为0.02nm/MPa，具有较高的灵敏度。

Claims (8)

1.一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于包括筒状的壳体、呈圆形的弹性膜片、仅具有测量温度功能的第一光纤布拉格光栅及具有测量压力和温度功能的第二光纤布拉格光栅，所述的壳体的顶端具有一个与所述的壳体的内部空腔相连通的开口，所述的壳体的内部空腔的底部设置有两个硬支柱，所述的第一光纤布拉格光栅连接于两个所述的硬支柱之间，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，所述的弹性膜片的下表面上以圆心对称设置有两个凸台，所述的第二光纤布拉格光栅连接于两个所述的凸台之间，所述的第二光纤布拉格光栅与所述的第一光纤布拉格光栅处于同一竖直位置上，所述的第一光纤布拉格光栅的光纤的一端与所述的第二光纤布拉格光栅的光纤的一端相连接，所述的第二光纤布拉格光栅的光纤的另一端引出于所述的壳体外。

2.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于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壳体的内部空腔构成一个密闭空气腔。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于两个所述的凸台一体设置于所述的弹性膜片的下表面上，两个所述的凸台的下表面上均刻设有细槽，所述的第二光纤布拉格光栅绷紧连接于两个所述的细槽之间。

4.根据权利要求3所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的第一光纤布拉格光栅绷紧连接于两个所述的硬支柱之间，所述的第一光纤布拉格光栅的光纤通过粘贴方式粘贴于所述的硬支柱的上表面上。

5.根据权利要求4所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的第一光纤布拉格光栅与所述的第二光纤布拉光栅在竖直位置上之间的间距小于4mm。

6.根据权利要求5所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的壳体的侧壁上贯穿设置有通孔，所述的通孔内设置有中空的连接接头，所述的第二光纤布拉格光栅的光纤的另一端通过所述的连接接头引出并固定。

7.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的壳体采用的材料为刚度强、防腐性能良好的材料。

8.一种权利要求1所述的光纤布拉格光栅压力传感器相应的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

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表示受均布压力的部分弹性膜片的半径，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根据弹性膜片的中心挠度ω和设置于弹性膜片的下表面上的凸台的高度，计算在均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变，记为ε，

其中，x表示弹性膜片的上表面受到均布压力P后第二光纤布拉格光栅发生应变而拉伸的拉伸长度的一半，a表示凸台的中心与弹性膜片的下表面的圆心之间的垂直距离，h表示凸台的高度；

③根据第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长计算其反射的中心波长的变化量，记为Δλ₂，Δλ₂/λ₂＝(1-t)ε′+(α+β)ΔT，根据第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长计算其反射的中心波长的变化量，记为Δλ₁，Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT，其中，λ₂表示第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长，λ₁表示第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长，t表示第二光纤布拉格光栅的光纤的弹光系数，ε′表示第二光纤布拉格光栅的光纤的轴向应变，α表示第二光纤布拉格光栅的光纤和第一光纤布拉格光栅的光纤的热光系数，β表示第二光纤布拉格光栅的光纤和第一光纤布拉格光栅的光纤的热膨胀系数，ΔT表示第二光纤布拉格光栅和第一光纤布拉格光栅的温度变化量；

④根据在均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变ε与第二光纤布拉格光栅的光纤的轴向应变ε′相等的特性，结合Δλ₂/λ₂＝(1-t)ε′+(α+β)ΔT和

得到

⑤结合Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT和

得到

⑥从与引出壳体外的光纤相连接的光栅解调仪中获取第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₁及第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₂，结合

计算得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P；

⑦根据第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₁，结合Δλ₁/λ₁＝(α+β)ΔT，计算得到温度变化量ΔT；或根据第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长的变化量Δλ₂，结合

计算得到温度变化量ΔT。

Images