CN103411725B - 一种温度同步响应双光栅压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度同步响应双光栅压力传感器，金属增敏膜片和低膨胀合金骨架激光焊接连接，测压光栅一端固定在光栅固定杆上，另一端固定在靠近膜片的光栅点胶平台上。温度补偿光栅两端分别固定在其他两个光栅点胶平台上。从金属增敏膜片一侧算起，第一和第二个点胶平台之间为测压光栅和温度补偿光栅的张力缓冲区，防止两个光栅张力的交叉影响。光栅固定杆的朝向和增敏膜片的受压方向相反，有效克服了其结构补偿效应对测压光栅的不利影响。传感器径向厚度的一致性以保证了该方向上热传导效应的一致性，保证了测压光栅和温度补偿光栅温度响应速度的一致性，有效消除了温度变化对测压光栅附加波长漂移的影响，能够实现压力快速精确的测量。

Description

一种温度同步响应双光栅压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及温度分布测量技术领域，具体涉及一种用于光纤温度剖面仪的双光栅压力传感器。

背景技术

目前，光纤光栅传感器在液位检测、坝体渗水压监测、油井和管道压力监测方面已经得到了广泛的应用。和传统电子式压力传感器相比，光纤光栅传感器具有可靠性好、测量精度高、抗电磁干扰、抗雷击等特点，并且其光信号允许长达35km的传输距离。

对单光栅压力传感器，其波长变化受压力和温度的双重影响，要剔除温度波动对波长变化的影响，需要进行温度补偿，将温度变化导致的波长漂移进行剥离。传统方式是串接一光栅温度传感器，两个传感器处于同一温场中，当温度达到平衡后，利用温度传感器测得的温度值对压力传感器进行补偿。一般来说，压力传感器从温度开始波动到最终达到平衡状态，需要数分钟甚至十几分钟的时间，只要时间足够长，两种传感器达到温度平衡，就可以进行温度补偿计算，剔除温度变化产生的附加波长漂移。

对某些特殊应用领域，当压力测量的响应时间小于100毫秒时，数分钟甚至更长的温度平衡时间显然不能满足这一要求。采用串接温度传感器进行补偿的方案不能满足压力响应时间要求时，就需要采用新的温度补偿方案，使温度补偿传感器和测压传感器达到较短的温度平衡时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种压力测量部分和温度补偿部分具有相同温度响应速度的双光栅压力传感器。

本发明通过如下技术方案实现：

一种温度同步响应双光栅压力传感器，包括金属增敏膜片、点胶槽、光栅固定杆、低膨胀合金固定骨架、点胶平台、尾纤出口、增敏膜片出纤保护套、测压光栅、低膨胀合金密封块、温度补偿光栅、尾部出纤保护套，金属增敏膜片和低膨胀合金固定骨架用激光焊接连接，低膨胀合金固定骨架和金属增敏膜径向厚度值保持一致，测压光栅的一端粘接固定在金属增敏膜片的光栅固定杆上，低膨胀合金固定骨架为测压光栅和温度补偿光栅提供支撑，测压光栅的另一端和温度补偿光栅的两端均粘接固定在低膨胀合金固定骨架的三个点胶平台上，点胶平台之间部分作为测压光栅和温度补偿光栅的张力缓冲区，低膨胀合金密封块与低膨胀合金固定骨架、增敏膜片出纤保护套、尾部出纤保护套用环氧胶粘接后整体密封，所述金属增敏膜片及上面的光栅固定杆属于一体化结构，固定杆的朝向和膜片的受压方向相反。

作为优选，用于金属增敏膜片和低膨胀合金固定骨架之间激光焊接连接的光栅固定杆轴心和点胶平台位于同一平面内。

作为优选，在长度方向及尾纤出口方向，在满足激光焊接连接的基础上，金属增敏膜片从其内表面到其末端控制在最小长度。

如上所述的温度同步响应双光栅压力传感器的制备方法，主要包括如下步骤：

一、增敏膜片和低膨胀合金固定骨架之间采用激光焊接连接：焊接前将两个结构的接触面紧密贴合，以60度间隔进行点焊固定，然后再将两个结构的其余结合部位进行360度连续焊接，焊接完成后进行去应力退火处理；

二、测压光栅和温度补偿光栅固定：双光栅一共有4个固定点，分别是增敏膜片的光栅固定杆以及低膨胀合金固定骨架上的三个点胶平台，将传感器置于电加热平台上，加热到100℃，测压光栅一端首先用353ND胶在光栅固定杆上进行粘接，固化温度100℃，固化时间8分钟，然后给光栅施加1.8nm的预拉力，待光栅波长稳定后，在点胶平台的光栅固定槽内点稍许353ND胶，加热8分钟后撤掉预拉力，将温度补偿光栅靠近测压光栅的一端在点胶平台上采用同样的方式进行粘接，此时不对光栅施加预拉力，保持测压光栅和温度补偿光栅之间部分为拉力缓冲区，避免拉力交叉影响，给温度补偿光栅施加1.8nm的预拉力，在点胶平台的光栅固定槽内点稍许353ND胶，加热8分钟后撤掉预拉力，粘接完毕后，停止加热，自然冷却至室温；

三、传感器密封：增敏膜片和低膨胀合金固定骨架之间采取激光焊接密封，为充分保证水密要求，两结构焊缝外侧凹槽内填充环氧胶，低膨胀合金固定骨架和低膨胀合金密封块之间、尾纤出口均采用环氧胶填充密封，密封后胶保持24小时，让胶充分固化，其中低膨胀合金固定骨架和低膨胀合金密封块之间密封时，所用环氧胶掺有金属钠米粉，以增加胶的导热性能及提高胶的强度。

本发明的有益效果为：金属增敏膜片的受压方向和其上的光栅固定杆朝向相反，有效克服了光栅固定杆的结构补偿作用对测压光栅温度响应的不利影响，使其温度响应曲线光滑流畅；测压光栅和温度补偿光栅在同一材料的结构上固定，且传感器径向厚度的一致性保证了该方向上热传导效应的一致性，从结构设计上为测压光栅和温度补偿光栅具有相同的温度响应速度提供了保证，适用于压力的快速精确测试。

附图说明：

图1增敏膜片结构示意图；

图2低膨胀合金固定骨架结构示意图；

图3温度同步响应双光栅压力传感器结构示意图；

附图标记说明：金属增敏膜片(1)、点胶槽(2)、光栅固定杆(3)、低膨胀合金固定骨架(4)、点胶平台(5)～(7)、尾纤出口(8)、增敏膜片出纤保护套(9)、测压光栅(10)、低膨胀合金密封块(11)、温度补偿光栅(12)、尾部出纤保护套(13)。

具体实施方式

下面结合具体实施例子和附图对本发明做进一步的描述：

本发明的工作原理为：环境水压及温度同时变化时，测压光栅(10)和温度补偿光栅(12)分别对该变化作出响应，产生相应的波长变化。由于两者具有相同的温度响应速度，所以根据测压光栅(10)和温度补偿光栅(12)各自的压力及温度系数，得到各自的压力-温度表达式，通过解算二元一次方程，消除所含的温度项，得到温度补偿后的压力表达式如下：

$P=\frac{({\mathrm{\λ}}_3-{\mathrm{\λ}}_{30})K_{T1}-({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_{10})K_{T3}}{K_{P3}{K}_{T1}-K_{P1}{K}_{T3}}$

其中，λ30为测压光栅初始波长，λ10为温补光栅波长；λ3为测压光栅当前波长，λ1为温补光栅当前波长，K为增敏膜片灵敏度。

对照图1所给的增敏结构，下面给出了基于该结构的增敏膜片灵敏度计算公式，单位是nm/Mpa：

其中λ是光栅波长，P为单位压强，μ为纤芯的泊松比，L是光栅的长度，E是光栅的杨氏模量，a是弹性片的半径，h是弹性片的厚度，pe是光栅的有效弹光系数，K值由这些参数共同确定。

温度同步响应双光栅压力传感器的制备包括增敏膜片(1)和低膨胀合金骨架(4)的焊接连接、测压光栅(10)和温度补偿光栅(12)的固定以及传感器的密封等几个步骤：

1、增敏膜片(1)和低膨胀合金骨架(4)的焊接固定

增敏膜片(1)和低膨胀合金骨架(4)之间采用激光焊接连接。焊接前将两部分用专用夹具夹持，使两个结构的接触面紧密贴合，首先60度间隔进行点焊固定，然后再将两个结构的其余结合部位进行360度连续焊接。焊接完成后，将结构件用专用设备进行去应力退火处理。

2、测压光栅(10)和温度补偿光栅(12)固定

双光栅一共有4个固定点，分别是增敏膜片(1)的光栅固定杆(3)以及低膨胀合金骨架(4)上的点胶平台(5)、(6)、(7)。将传感器置于电加热平台上，加热到100℃。测压光栅(10)一端首先用353ND胶在光栅固定杆(3)上进行粘接，固化温度100℃，固化时间8分钟。然后用手动平移台给光栅施加1.8nm的预拉力，待光栅波长稳定后，在点胶平台(5)的光栅固定槽内点稍许353ND胶，加热8分钟后撤掉预拉力。

将温度补偿光栅(12)靠近测压光栅(10)的一端在点胶平台(6)上采用同样的方式进行粘接，此时不对光栅施加预拉力，保持测压光栅(10)和温度补偿光栅(12)之间部分为拉力缓冲区，避免拉力交叉影响。给温度补偿光栅(12)施加1.8nm的预拉力，在点胶平台(7)的光栅固定槽内点稍许353ND胶，加热8分钟后撤掉预拉力。测压光栅(10)和温度补偿光栅(12)粘接完毕后，停止加热，自然冷却至室温。

3、传感器的密封

传感器的密封包括三个部分：增敏膜片(1)和低膨胀合金骨架(4)之间的密封，两者之间激光焊接密封，为充分保证水密要求，焊缝外侧凹槽内填充环氧；低膨胀合金骨架(4)和低膨胀合金密封块(11)之间的密封，两者接缝处填充环氧；尾纤出口(8)的密封，采用环氧填充密封。

密封所用环氧均采用针对不同结构的专用密封环氧胶，密封后胶保持24小时，让胶充分固化。其中低膨胀合金骨架(4)和低膨胀合金密封块(11)之间密封时，所用环氧掺有金属钠米粉，以增加胶的导热性能及提高胶的强度。

本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种温度同步响应双光栅压力传感器，包括金属增敏膜片、点胶槽、光栅固定杆、低膨胀合金固定骨架、点胶平台、尾纤出口、增敏膜片出纤保护套、测压光栅、低膨胀合金密封块、温度补偿光栅、尾部出纤保护套，金属增敏膜片和低膨胀合金固定骨架用激光焊接连接，低膨胀合金固定骨架和金属增敏膜径向厚度值保持一致，测压光栅的一端粘接固定在金属增敏膜片的光栅固定杆上，低膨胀合金固定骨架为测压光栅和温度补偿光栅提供支撑，测压光栅的另一端和温度补偿光栅的两端均粘接固定在低膨胀合金固定骨架的三个点胶平台上，点胶平台之间部分作为测压光栅和温度补偿光栅的张力缓冲区，低膨胀合金密封块与低膨胀合金固定骨架、增敏膜片出纤保护套、尾部出纤保护套用环氧胶粘接后整体密封，其特征在于：所述金属增敏膜片及所述的光栅固定杆属于一体化结构，固定杆的朝向和膜片的受压方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种温度同步响应双光栅压力传感器，其特征在于：连接金属增敏膜片和低膨胀合金固定骨架的光栅固定杆轴心和点胶平台位于同一平面内。

3.根据权利要求1所述的一种温度同步响应双光栅压力传感器，其特征在于：在长度方向及尾纤出口方向，在满足激光焊接连接的基础上，金属增敏膜片从其内表面到其末端控制在最小长度。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种温度同步响应双光栅压力传感器的制备方法，其特征在于：

主要包括如下步骤：

一、增敏膜片和低膨胀合金固定骨架之间采用激光焊接连接：焊接前将两个结构的接触面紧密贴合，以60度间隔进行点焊固定，然后再将两个结构的其余结合部位进行360度连续焊接，焊接完成后进行去应力退火处理；

二、测压光栅和温度补偿光栅固定：双光栅一共有4个固定点，分别是增敏膜片的光栅固定杆以及低膨胀合金固定骨架上的三个点胶平台，将传感器置于电加热平台上，加热到100℃，测压光栅一端首先用353ND胶在光栅固定杆上进行粘接，固化温度100℃，固化时间8分钟，然后给光栅施加1.8nm的预拉力，待光栅波长稳定后，在点胶平台的光栅固定槽内点稍许353ND胶，加热8分钟后撤掉预拉力，将温度补偿光栅靠近测压光栅的一端在点胶平台上采用同样的方式进行粘接，此时不对光栅施加预拉力，保持测压光栅和温度补偿光栅之间部分为拉力缓冲区，避免拉力交叉影响，给温度补偿光栅施加1.8nm的预拉力，在点胶平台的光栅固定槽内点稍许353ND胶，加热8分钟后撤掉预拉力，粘接完毕后，停止加热，自然冷却至室温；

三、传感器密封：增敏膜片和低膨胀合金固定骨架之间采取激光焊接密封，为充分保证水密要求，两结构焊缝外侧凹槽内填充环氧胶，低膨胀合金固定骨架和低膨胀合金密封块之间、尾纤出口均采用环氧胶填充密封，密封后胶保持24小时，让胶充分固化，其中低膨胀合金固定骨架和低膨胀合金密封块之间密封时，所用环氧胶掺有金属钠米粉，以增加胶的导热性能及提高胶的强度。