CN103712730A

CN103712730A - 一种光纤光栅动高压传感器

Info

Publication number: CN103712730A
Application number: CN201410009949.8A
Authority: CN
Inventors: 余尚江; 郭士旭; 陈晋央; 周会娟; 杨吉祥; 贾超; 黄刘宏
Original assignee: Engineering Troops No 3 Institute Headquarters of General Staff of PLA
Current assignee: Engineering Troops No 3 Institute Headquarters of General Staff of PLA
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2034-01-09
Also published as: CN103712730B

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅动高压传感器，包括膜片体、支撑柱、含光栅的光纤、安装壳体、光纤护套和固定接头，膜片体固定在安装壳体前端后形成传感器的感压面，光栅沿轴向平行黏贴于支撑柱的内孔表面并在孔内充满填充胶，支撑柱的上端面与膜片体紧密接触，支撑柱的下端面与安装壳体之间采用圆锥式接触面，套入光纤护套的光纤通过固定接头固定于安装壳体下端。其核心思想是利用支撑圆柱的受压变形，将外界压力转化为光栅（FBG）的应变变化，通过对应变的测量实现对压力的感知。本发明的传感器结构坚固，耐高温，耐强冲击振动，不受电磁干扰，特别适合于爆炸等恶劣环境下使用，同时传感器制作方便快捷，成本低。

Description

一种光纤光栅动高压传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种大量程的基于光纤光栅的高压力高频响传感器。

背景技术

在国民经济和国防建设领域，特别是军工生产和战略战术武器研制的爆炸试验方面，经常需要对高压力进行测量，高压力尤其是动态高压的测试是武器弹药研制、航空航天器发射、材料抗爆及工程防护试验、爆破施工、新型材料的高压合成、材料本构关系等相关领域的重要内容之一，因此倍受世界各国科研工作者的关注，长期以来一直是研究热点之一。

目前，高压力测量常用的方法有铜柱测压法、压电式传感器测压法、压阻式传感器测压法。铜柱测压器是一种机械传感器，它利用材料受压后的塑性变形来测压，优点是使用方便，操作简单，抗电磁干扰能力强；缺点是精度低，响应慢，不适用于爆炸冲击波的测试；压电式压力传感器的基本原理是基于传感元件的压电效应，最大优点是压电敏感元件是一种无源器件，不需要外能源，有利于传感元件的屏蔽设计和提高传感器的抗干扰能力。尽管如此，在一些存在强电磁干扰的测量场合，如爆炸近区大压力测量时，压电传感器抗干扰能力差，信噪比不高，测量精度低。压阻式传感器是利用压阻敏感元件在压应力的作用下电阻值的变化来确定被测压力。可用作压阻元件的材料主要有硅、锰铜、钙、锂、铋、碳、镱等。硅是最常用的压阻材料，由其制造的压力传感器得到广泛应用，但限于硅材料的特性，其不能用于高压力的测量。锰铜是最早被用来测量静态高压力以及爆轰波压力和材料内应力的压阻材料，但锰铜的压阻系数很低，在低压力下（几百兆帕以内）电阻变化不灵敏。利用镱制成压阻式传感器的优点是灵敏系数高，镱的压阻系数约为锰铜的30倍，但镱是一种稀土元素，化学性质较活泼，易氧化，氧化后影响镱的纯度，进而影响其压阻系数，因此镱压阻式传感器的加工及重复性等性能指标难以得到保证。

光纤传感器以光波作为信息载体，以光纤作为信息的传输介质，对被测参量进行传感测量。光纤传感器是无源器件，电绝缘性好，抗电磁干扰同时又不产生电磁干扰，耐高电压，耐腐蚀，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，在强电磁干扰、易燃易爆、潮湿等恶劣环境下使用安全可靠。在众多的光纤传感器中，光纤光栅传感器是目前最为成熟、应用最广的一种光纤传感器。它的基本传感元件是均匀周期的光纤Bragg光栅（FBG）。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅（一种周期性的折射率分布），其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，只对特定波长的光具有透射或者反射作用。因此，光纤光栅传感器除继承了光纤传感器的优点外，还具有波长调制、线性和稳定性好、制作方便、易于规模化生产、成本低等特点。但是，光纤光栅能够直接响应的是应变和温度的变化，当光纤光栅用作压力传感器时，由于裸光纤光栅的压力灵敏度低，因此必须借助不同的封装方法来提高压力灵敏度，主要采用波纹管、悬臂梁、弹簧管、膜片、金属或合金应变筒等几种方法实现压力测量，这些方法都不宜实现高频响的压力测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤光栅动高压传感器，使其具有结构简单、制作快捷、成本低等特点，特别适合于恶劣环境下大量程、高压力、高频响的压力测量。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，所述的一种光纤光栅动高压传感器，包括膜片体、支撑柱、含光栅的光纤、安装壳体、光纤护套和固定接头，膜片体固定在安装壳体前端后形成传感器的感压面，光纤上的光栅沿轴向平行黏贴于支撑柱的内孔表面并在孔内充满填充胶，支撑柱的上端面与膜片体紧密接触，支撑柱的下端面与安装壳体之间采用圆锥式接触面，套入光纤护套的光纤通过固定接头固定于安装壳体下端，。

所述的光栅中心波长可以是C波段任意波长，光栅反射率大于90%。

所述的光纤是单模光纤。

所述的膜片体具有一凹腔，凹腔的底部与支撑圆柱上端面直接接触，凹腔的外表面为螺纹结构。

所述的安装壳体的外部设置有凹槽，在凹槽内设可放置密封垫圈。

本发明的技术效果在于，光栅（FBG）黏贴于支撑柱内表面，通过支撑柱的受压变形，将外界压力变化转换为光栅（FBG）的应变变化，通过对应变的测量实现对压力的感知，使得传感器响应快、量程大；光波被限制在光纤内，光路不受其他因素影响，使得传感器抗干扰能力强，性能稳定；光波注入和输出沿同一光纤，使得传感器作为单端器件，使用时连接方便；传感器的膜片体和安装壳体采用不锈钢材料经精加工而成，并采用耐高温、高强度的胶粘和螺纹连接，使制作出的传感器结构坚固，耐高温、耐强冲击振动，非常适合于爆炸等恶劣环境下使用。本发明结构简单，制作方便快捷，成本低，同时能够保证测量精度和可靠性。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为圆柱形结构受力变形示意图。

图1中：1、膜片体，2、填充胶，3、支撑柱，4、含光栅的光纤，5、密封垫圈，6、安装壳体，7、光纤护套，8、固定接头。

具体实施方式

参见图1，本发明由膜片体1，填充胶2，支撑柱3，含光栅（FBG）的光纤4，密封垫圈5，安装壳体6，光纤护套7，固定接头8组成。膜片体1与安装壳体6前端固定后形成传感器的感压面，光纤4上的光栅（FBG）沿轴向平行黏贴于支撑柱3的内孔表面并在孔内充满填充胶2，支撑柱3的上端面与膜片体1紧密接触，支撑柱3的下端面与安装壳体6之间采用圆锥式接触面，套入光纤护套7的光纤4通过固定接头8固定于安装壳体6下端，密封垫圈5置于安装壳体6外部的凹槽内。

该光纤光栅动高压传感器的技术思想是：

由于光纤光栅传感的基本物理量是应变，因此该光纤光栅压力传感器设计的思路是将压力的变化转换为应变的变化，通过对应变的测量实现对压力的感知。如图2所示，圆柱形结构在端面上受到压力

Figure 2014100099498100002DEST_PATH_IMAGE001

作用后会发生压缩变形，即在圆柱体的纵向产生压应变，应变值为：

（1）

式中

为圆柱体纵向应变；

为圆柱体端面上受到的压力；

为圆柱体材料的弹性模量。当圆柱体为钢材时，

Figure 2014100099498100002DEST_PATH_IMAGE005

MPa，100 MPa的压力产生的压应变约为476με。一般来说，1με引起的光纤光栅中心波长移动量约为1.2pm，100 MPa的压力引起的光纤光栅中心波长移动量约为0.571nm。通过光纤光栅解调仪可测得光栅（FBG）中心波长的变化，进而根据FBG的波长应变灵敏度和式（1）即可得到外界压力的变化。具体到本发明，外界压力作用在膜片体1上，导致膜片体1变形，挤压与其紧密接触的支撑柱3，使得支撑柱3受压变形，进而导致黏贴其上的光栅（FBG）变形中心波长移动，通过测量光栅（FBG）中心波长的变化，根据光栅（FBG）的波长应变灵敏度和式（1）即可实现外界压力的测量。通过该方法制作的光纤光栅压力传感器，目前能够测量最大500MPa的压力变化，瞬态响应上升时间小于10μs。

本发明公布该光纤光栅动高压传感器的制作方法，其加工工艺步骤如下：

(a) 按照设计尺寸和公差要求加工膜片体1、支撑柱3、安装壳体6等，其中膜片体1中的感压膜片厚度和直径、支撑柱3的长度和直径根据传感器的量程大小而定；

(b) 根据支撑柱3的长度处理光纤4，使得光栅（FBG）的长度与支撑柱3的长度相当；

(c) 将带尾纤（即光纤4）的光栅（FBG）平行于支撑柱3的轴向黏贴于其内孔表面，光栅（FBG）尾纤从支撑柱3的圆锥形下端面伸出，光栅（FBG）的另一尾纤端面与支撑柱3的上端面平齐并做粗糙处理，以尽量减小端面的菲涅尔反射；

(d) 在支撑柱3的孔内充满填充胶2，擦掉溢出孔外的胶水；待胶水固化后，用刀片剥除固化过程中溢出孔外的胶水，保证支撑柱3上端面的平整；

(e) 将光纤4由上至下穿过安装壳体6，从其下端面穿出，直到黏贴好光栅（FBG）的支撑柱3的圆锥形下端面与安装壳体6的圆锥形端面接触；

(f) 将膜片体1外部螺纹涂抹高强度结构胶后，缓慢旋入安装壳体6前端，直到膜片体1的凹腔底部紧密接触支撑圆柱3的上表面为止；

(g) 将光纤4套上光纤护套7，光纤护套7的上端深入安装壳体6的内部，并在光纤护套7深入安装壳体6内部的这一部分外表面涂上一定的高强度结构胶；

(h) 将固定接头8穿过光纤护套7，直到接触安装壳体6的下表面时，在固定接头8的外表面螺纹处涂上适量的高强度结构胶，然后旋入安装壳体6底部，完成对光纤护套7的固定；

(i) 等待高强度结构胶固化之后，即完成了光纤光栅动高压传感器的制作。

需要指出的是，在安装固定传感器时才需要将密封垫圈5装上，使得该传感器既可用于液体压力的测量，也可用于气体压力的测量。

虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。

Claims

1.一种光纤光栅动高压传感器，其特征是：包括膜片体、支撑柱、含光栅的光纤、安装壳体、光纤护套和固定接头，膜片体固定在安装壳体前端后形成传感器的感压面，光栅沿轴向平行黏贴于支撑柱的内孔表面并在孔内充满填充胶，支撑柱的上端面与膜片体紧密接触，支撑柱的下端面与安装壳体之间采用圆锥式接触面，套入光纤护套的光纤通过固定接头固定于安装壳体下端。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动高压传感器，其特征是：所述的光栅中心波长可以是C波段任意波长，光栅反射率大于90%。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动高压传感器，其特征是：所述的光纤是单模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动高压传感器，其特征是：所述的膜片体具有一凹腔，凹腔的底部与支撑圆柱上端面直接接触，凹腔的外表面为螺纹结构。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动高压传感器，其特征是：安装壳体的外部设置有凹槽，在凹槽内放置密封垫圈。