CN103017973A - 耐高温微压光纤光栅传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温微压光纤光栅传感器，其特征在于，包括多孔氧化铝框架、多孔氧化铝陶瓷杆、多孔氧化铝陶瓷挡板和光纤光栅，多孔氧化铝陶瓷杆以多孔氧化铝陶瓷挡板为支点形成杠杆结构，该杠杆结构的受力端处于金属框架的受力孔之下，用于感应高温微压气体；该杠杆结构的活动端与光纤光栅相连，并在未受外界气压力时，使光纤光栅处于拉紧状态，在受力端受到外加压力时，光纤光栅所受到的拉力增大，光纤光栅的反射波长发生变化。采用本发明可实现在高温环境中帕量级压力的探测。

Description

耐高温微压光纤光栅传感器
技术领域
本发明涉及一种耐高温微压光纤光栅传感器。
背景技术
光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点受到广泛欢迎。光纤光栅直径为125微米，主要为二氧化硅材料。多孔氧化铝陶瓷耐温高(1850℃)，热导率低，抗压强度高，具有易加工的优点。
目前在航空航天等领域迫切需要高温微压传感器，而能够工作于一千摄氏度以上，且可探测到帕量级的压力传感器很难获得。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种耐高温微压光纤光栅传感器，可实现对高温环境下帕量级压力的探测。
本发明的技术解决方案是：
本发明所述耐高温微压光纤光栅传感器，包括多孔氧化铝框架、多孔氧化铝陶瓷杆、多孔氧化铝陶瓷挡板和光纤光栅，
多孔氧化铝陶瓷杆以多孔氧化铝陶瓷挡板为支点形成杠杆结构，该杠杆结构的受力端处于金属框架的受力孔之下，用于感应高温微压气体；该杠杆结构的活动端与光纤光栅相连，并在未受外界气压力时，使光纤光栅处于拉紧状态，在受力端受到外加压力时，光纤光栅所受到的拉力增大，光纤光栅的反射波长发生变化。
进一步的，上述氧化铝框架1采用多孔氧化铝材料，并将所述多孔氧化铝陶瓷杆、多孔氧化铝陶瓷挡板和光纤光栅封装于其内部。
进一步的，上述多孔氧化铝陶瓷挡板具有将所述多孔氧化铝陶瓷杆伸出的通孔，且所述多孔氧化铝陶瓷杆具有一个固定于所述通孔上的支点。
进一步的，上述光纤光栅分为测量光栅与补偿光栅，所述测量光栅被所述活动端所牵拉；所述补偿光栅用于在测量光栅反射波长受到力和温度双重影响时，为所述测量光栅提供温度补偿。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明所述压力传感器借助杠杆结构及受压面积与传感光栅截面面积的差，使得探测压力的分辨率可达2pa，借助多孔氧化铝陶瓷材料及密闭的结构设计，使得该传感器能够工作于一千摄氏度以上的高温环境。
附图说明
图1为本发明示意图。
具体实施方式
下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
参考图1，该高温微压传感器包括氧化铝框架1、多孔氧化铝陶瓷2、多孔氧化铝陶瓷挡板3和光纤光栅，该光纤光栅进一步可分为测量光栅4和补偿光栅5。
多孔氧化铝陶瓷杆2为条形并以多孔氧化铝陶瓷挡板3为支点形成杠杆结构，该杠杆结构的受力端处于氧化铝框架1的受力孔之下，用于感应高温微压气体。该杠杆结构的活动端与测量光栅4和补偿光栅5相连，并在受力端受到压力时，增大测量光栅4的轴向拉力。
利用氧化铝陶瓷杆2受压面面积与光纤光栅受力面面积及杠杆力臂长度差，使得光纤光栅对氧化铝陶瓷受压压强极为敏感。而多孔氧化铝陶瓷2本身具有耐温高、热导率低的特点，使得光纤接收到的温度低于900摄氏度，且光纤受热面小，散热面积相对较大，从而使光栅能够正常工作。
当多孔氧化铝陶瓷杆2受力端受到压力时，测量光栅4受到更大的拉力而产生波长漂移，从而可利用波长的漂移检测出受力端的微压力。
进一步参考图1，氧化铝框架1由多孔氧化铝制成，上方留内径为10mm的受力口，打磨光滑。内部设多孔氧化铝陶瓷挡板3将氧化铝框架分为左右两部分，体积约为1：5。多孔氧化铝陶瓷杆2架于挡板3上，形成杠杆结构，力臂比为1：5。多孔氧化铝陶瓷杆2具有受力端和活动端，受力端设置于受力孔下，活动端使的测量光栅4始终处于拉伸状态，补偿光栅5始终处于松弛状态。多孔氧化铝陶瓷杆在不受力时，测量光栅4给杠杆结构欲加了拉力，因此在受力端受到外加压力P时，测量光栅4受到的拉力增大，光栅反射波长发生变化，通过波长变化值监测外加压力P的大小。补偿光栅5的波长变化用于对测量光栅4进行温度补偿。
具体步骤如下(不考虑温度变化引起的波长漂移)：
1）压强P施加于受力面积为A1=78.5mm2的多孔氧化铝陶瓷杆2，总压力为F1=P×A1。
2）杠杆力臂比为1：5，测量光栅4增加的拉力为F2=5×F1。
3）测量光栅4横截面直径为125微米，面积为A2=0.012mm2杨氏模量E=73Gpa，因此何以获得测量光栅4所增加的应变量ε=F2/E/A2。
4）波长监测仪能够坚持到典型的波长漂移值为1.15pm/με,因此获得的波长漂移值λ=1.15×ε。
例如，当压强为10pa时，具体测量和计算过程如下：
1）当压强P=10pa时，F1=785×10-6N。
2）测量光栅4增加的拉力F2=5×F1=3925×10-6N。
3）测量光栅4所增应变值为ε=F2/E/A2=4.48×10-6。
5）波长漂移值λ=1.15×ε=5.152pm。
目前的光谱分析设备可以分辨1pm的波长变化，精度在10pm作用，因此，该高温低压传感器可用于分辨率为2pa，精度为20pa的微压强测量。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种耐高温微压光纤光栅传感器，其特征在于，包括多孔氧化铝框架、多孔氧化铝陶瓷杆、多孔氧化铝陶瓷挡板和光纤光栅，
多孔氧化铝陶瓷杆以多孔氧化铝陶瓷挡板为支点形成杠杆结构，该杠杆结构的受力端处于金属框架的受力孔之下，用于感应高温微压气体；该杠杆结构的活动端与光纤光栅相连，并在未受外界气压力时，使光纤光栅处于拉紧状态，在受力端受到外加压力时，光纤光栅所受到的拉力增大，光纤光栅的反射波长发生变化。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述氧化铝框架1采用多孔氧化铝材料，并将所述多孔氧化铝陶瓷杆、多孔氧化铝陶瓷挡板和光纤光栅封装于其内部。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述多孔氧化铝陶瓷挡板具有将所述多孔氧化铝陶瓷杆伸出的通孔，且所述多孔氧化铝陶瓷杆具有一个固定于所述通孔上的支点。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光纤光栅分为测量光栅与补偿光栅，所述测量光栅被所述活动端所牵拉；所述补偿光栅用于在测量光栅反射波长受到力和温度双重影响时，为所述测量光栅提供温度补偿。
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