CN103105251A

CN103105251A - 一种光纤光栅三维压力传感器

Info

Publication number: CN103105251A
Application number: CN 201310033788
Authority: CN
Inventors: 陈庆根; 王云鹏; 罗宗胜
Original assignee: JPHOTONICS Inc
Current assignee: JPHOTONICS Inc
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅三维压力传感器。光纤光栅三维压力传感器包括感压壳体、储油壳体、油压壳体、密封壳体、固定结构、0型圈、保护装置、密封接口和光纤光栅串。感压壳体、储油壳体、油压壳体、储油壳体、油压壳体、密封壳体、固定结构、保护装置和密封接口依次螺纹连接；感压壳体直接感受轴向压力，储油壳体的平面感受外界压力，通过储油壳体内的液压油将压力传递给与之螺纹连接的油压壳体，最终分别引起光纤光栅的波长漂移；上述螺纹连接处皆加O型圈密封；感压壳体、储油壳体、油压壳体、密封壳体、固定结构、O型圈、保护装置、密封接口和光纤光栅串光纤光栅三维压力传感器。本发明具有体积小、三维压力同时测量的优点。

Description

一种光纤光栅三维压力传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种光纤光栅三维压力传感器。

背景技术

近年来，安全健康监测越来越受到重视。光纤光栅传感器因具有体积小、灵敏度高、电绝缘性能好和抗电磁干扰等优点，逐渐取代电子类传感器。压力传感器通过钻孔植入煤矿、堤坝、桥梁等结构工程内部，可以测量不同深度的压力变化，为后续的工程治理、安全监控及报警提供了重要依据。

中国实用新型专利公告号为CN202033140U提出一种三维应力采集器，它有纵向开口的包庇金属筒、多个黏贴于薄壁金属筒外壁的压力传感器、填充于薄壁金属筒内的膨胀混凝土填芯、防水压膜及信号传输线构成，该专利虽然实现钻孔内不同深度岩土类介质的应力变化过程，但是采集器本身需要黏贴多个传感器，并且传感器粘贴于圆筒外部，对传感器没有效采取有效地的保护措施，植入钻孔时不可避免地对传感器造成损。近年来，光纤光栅压力传感器得到了良好的发展，但是三维压力传感器的研究和应用很少报道。本发明利用弹性膜片和壳体为一体性结构对光纤光栅进行封装，利用油压传导将不同方向的横向压力转化为光纤光栅的波长漂移，既能实现钻孔内压力测量，又能分辨出压力方向，并且体积较小，适用于狭小的空间的压力测量。

发明内容

本发明目的就是为了克服现有技术中压力传感器测量维度少、体积大的问题，提供了一种小体积的光纤光栅三维压力传感器。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

一种光纤光栅三维压力传感器包括感压壳体、两个储油壳体、两个油压壳体、密封壳体、固定结构、O型圈、保护装置、密封接口和光纤光栅串。

感压壳体为中空腔体，一端开口，开口端与一个储油壳体的密封端螺纹连接，另一端以感受轴向压力的弹性膜密封，弹性膜和感压壳体为一体性结构；储油壳体为中空腔体，其侧壁开有注油孔，注油孔两侧有感受外界压力的平面，通过储油壳体内的液压油将压力传递给油压壳体的弹性膜，引起弹性膜中心挠度变化；油压壳体和弹性膜为一体性结构，其一端与储油壳体螺纹连接，另一端与另一个储油壳体的密封端螺纹连接；另一个储油壳体的开口端与另一个油压壳体一端螺纹连接，另一个油压壳体的另一端与密封壳体螺纹连接，密封壳体的另一端与光纤固定结构通过内螺纹螺纹连接，密封壳体的另一端与保护装置通过外螺纹连接，保护装置的另一端与密封接口螺纹连接；感压壳体的弹性膜、储油壳体的密封端和油压壳体的弹性膜中心有穿过光纤光栅的小孔，穿过光纤光栅后用环氧胶或玻璃焊料密封小孔和固定光纤光栅串；因为需要同时测量三维方向上的压力变化，所以两个储油壳体的感压面互相垂直，光纤光栅串需要三个光栅，这三个光栅在上述构件中的位置有两种方案：第一，光栅在感压壳体和两个油压壳体中，由于外界压力使弹性膜偏向光栅，光栅收缩，光栅波长蓝移，所以封装时需要分别对光栅进行预张拉；第二，光栅在感压壳体和两个储油壳体中，当轴向压力增大时，感压壳体的弹性膜偏向光栅，光栅收缩，光栅波长蓝移，所以封装时需要对这个光栅进行预张拉；当径向外界压力增大时，油压壳体的弹性膜中心挠度变化，弹性膜偏离光栅，使储油壳体中的光栅拉伸，光栅波长红移，所以在封装时不需要对光栅预张拉。由理论推导可知，弹性膜中心最大挠度分别与压力、弹性膜半径的四次方成正比，与弹性膜厚度的三次方成反比，所以在弹性膜中心挠度一定的情况下，可以通过改变弹性膜的厚度和半径来调节传感器的压力测量范围。上述螺纹连接处皆加O型圈密封；感压壳体、储油壳体、油压壳体、密封壳体、固定结构、O型圈、保护装置、密封接口和光纤光栅串光纤光栅三维压力传感器。本发明所具有的有益效果为：

1、光纤光栅完全密封于传感器内，不与外界接触，有利于延长传感器的使用寿命。

2、感压壳体中的弹性膜、两个储油壳体的受压面两两互相垂直，该传感器可以同时测量三个方向的压力变化。

3、该传感器体积较小，适用于狭小空间的测量。

4、光栅的固定采用环氧胶水和玻璃焊料，焊接牢固，可使传感器适应恶劣环境。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明的另一种装置结构示意图。

图3为本发明储油结构的俯视图。

图4为本发明储油结构的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例，使本发明的优点变得更加清楚和容易理解。

如图1、图3和图4所示，一种光纤光栅三维压力传感器包括感压壳体1、储油壳体2、储油壳体4、油压壳体3、油压壳体5、密封壳体6、固定结构7、O型圈11、保护装置8、密封接口9和光纤光栅串10。

感压壳体1为中空腔体，一端开口，开口端与一个储油壳体2的密封端螺纹连接，另一端以感受轴向压力的弹性膜密封，弹性膜和感压壳体1为一体性结构；储油壳体2为中空腔体，其侧壁开有注油孔，注油孔两侧有感受外界压力的平面，通过储油壳体2内的液压油将压力传递给油压壳体3的弹性膜，引起弹性膜中心挠度变化；油压壳体3和弹性膜为一体性结构，其一端与储油壳体2螺纹连接，另一端与储油壳体4的密封端螺纹连接；储油壳体4的开口端与油压壳体5一端螺纹连接，油压壳体5的另一端与密封壳体6螺纹连接，密封壳体6的另一端与光纤固定结构7通过内螺纹螺纹连接，密封壳体6的另一端与保护装置7通过外螺纹连接，保护装置8的另一端与密封接口9螺纹连接；感压壳体1的弹性膜、储油壳体2和4的密封端和油压壳体3和5的弹性膜中心有穿过光纤光栅10的小孔，穿过后小孔后使三个光栅分别在感压壳体1和油压壳体3和5中，分别预张拉三个光栅，然后用环氧胶或低温玻璃密封小孔和固定光纤光栅串10；封装时保证储油壳体2和4的感压面互相垂直；当轴向压力增大时，感压壳体1的弹性膜偏向光栅，光栅收缩，光栅波长蓝移，径向压力增大时，压力经液压油将压力传导给油压壳体3和5的弹性膜，弹性膜偏向光纤光栅，光栅波长蓝移，通过不同光纤光栅的波长漂移量即可反求压力变化和压力方向。该传感器能够实现三维压力测量的关键因素为：

1、设计密封圈11、感压壳体1、油压壳体3和5、储油壳体2和4和密封壳体6等装置将光纤光栅完全密封于传感器内，使其免受外界的腐蚀，有利于延长传感器的使用寿命。

2、感压壳体1直接感受轴向压力，引起感压壳体1的弹性膜片挠度变化，因而光纤光栅波长漂移。

3、储油壳体2和4上设计了平面，感受外界压力，通过液压油将压力传递给油压壳体3和5，引起油压壳体弹性膜片挠度变化，从而引起波长漂移。

4、两个储油壳体2和4的感压平面和感压壳体1感压平面两两互相垂直，因而传感器可测量空间三维压力的变化。

5、固定结构上固定光纤的材料为玻璃焊料，焊接牢固，不易脱落，使传感器能适应恶劣的工作环境。

6、用环氧胶水固定光纤光栅和密封感压壳体1、储油壳体2和4、油压壳体3和5中穿过光纤小孔。

图2是该发明的另一种实施方式，与上述实施实例区别是光栅的封装位置，优点是不需要对其中两个光栅进行预张拉，降低实施难度。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应该权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种光纤光栅三维压力传感器包括感压壳体、储油壳体、油压壳体、密封壳体、固定结构、O型圈、保护装置、密封接口和光纤光栅串，其特征在于：

感压壳体为中空腔体，一端开口，开口端与一个储油壳体的密封端螺纹连接，另一端以感受轴向压力的弹性膜密封，弹性膜和感压壳体为一体性结构；储油壳体为中空腔体，其侧壁开有注油孔，注油孔两侧有感受外界压力的平面，通过储油壳体内的液压油将压力传递给油压壳体的弹性膜，引起弹性膜中心挠度变化；油压壳体和弹性膜为一体性结构，其一端与储油壳体螺纹连接，另一端与另一个储油壳体的密封端螺纹连接；另一个储油壳体的开口端与另一个油压壳体一端螺纹连接，另一个油压壳体的另一端与密封壳体螺纹连接，密封壳体的另一端与光纤固定结构通过内螺纹螺纹连接，密封壳体的另一端与保护装置通过外螺纹连接，保护装置的另一端与密封接口螺纹连接；感压壳体的弹性膜、储油壳体的密封端和油压壳体的弹性膜中心有穿过光纤光栅的小孔，穿过光纤光栅后用环氧胶或玻璃焊料密封小孔和固定光纤光栅串；两个储油壳体的感压面互相垂直；光纤光栅串在上述构件中的位置有两种方案：第一，光栅在感压壳体和两个油压壳体中，封装时需要分别对光栅进行预张拉；第二，光栅在感压壳体和两个储油壳体中，封装时预张拉感压壳体中的光栅，不需预张拉储油壳体中的光栅。

2.如权利要求1所述的一种光纤光栅三维压力传感器，其特征是感压壳体直接感受轴向压力，导致感压壳体的弹性膜片挠度变化，因引起光纤光栅波长漂移。

3.如权利要求1所述的一种光纤光栅三维压力传感器，其特征是储油壳体上设计了平面，感受外界压力，通过液压油将压力传递给油压壳体，引起油压壳体弹性膜片挠度变化，从而引起光纤光栅波长漂移。

4.如权利要求1所述的一种光纤光栅三维压力传感器，其特征是两个储油壳体的感压平面和感压壳体感压平面两两互相垂直，因而传感器可测量空间三维压力的变化。

5.如权利要求1所述的一种光纤光栅三维压力传感器，其特征是环氧胶水或玻璃焊料固定光纤光栅和密封感压壳体、储油壳体、油压壳体中穿过光纤小孔。

6.如权利要求1所述的一种光纤光栅三维压力传感器，其特征是光纤光栅可置于感压壳体和两个油压壳体。

7.如权利要求1所述的一种光纤光栅三维压力传感器，其特征是光纤光栅可置于感压壳体和储油壳体。

8.如权利要求1所述的一种光纤光栅三维压力传感器，其特征是测量范围可通过调节弹性膜的厚度和半径实现。