CN103925948B - 煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，包括管状壳体(33)、压力传递装置、光纤光栅压力感应装置和光纤光栅温度感应装置；已知P₁＜P₂＜P₃＜P₄，在0～P₁压力范围时第一光栅(13)为检测光栅，第四光栅(16)为温补光栅，P₁～P₂压力范围时第二光栅(14)作为检测光栅，第四光栅(16)作为温补光栅，P₂～P₃压力范围时第三光栅(15)作为检测光栅，第四光栅(16)作为温补光栅，P₃～P₄压力范围时第四光栅(16)作为检测光栅，第一光栅(13)作为温补光栅，第五光栅(40)作为液体温度检测光栅能实时准确检测液体温度的变化。本发明的优点：灵敏度高，量程大，能实时监测流体压力和温度的变化，消除了温度交叉敏感的影响，适用于煤矿环境。

Description

煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数传感器

技术领域

本发明一种用于煤矿瓦斯环境中可同时测量采掘液压系统的压力与温度的多参数光纤光栅传感器，其具有体积小、精度高、测量范围广、高安全性等特点，属于光纤传感技术领域，具体的说是一种可适用于煤矿危险煤层环境的防爆型光纤光栅压力温度多参数传感器。

背景技术

准确而实时地检测工作于煤矿易燃易爆环境的采掘液压装备的油压与油温是保障煤矿采掘装备正常运行和远程操控的基础，是实现井下少人和无人化采煤的前提。

目前，煤矿采掘液压装备的压力和温度的检测均采用电信号方式的传感器，二者需分别经过特殊保护封装，并配置有特殊电源后才能用于煤矿瓦斯环境，以免由于电信号产生电火花在高浓度瓦斯环境下发生爆炸，则压力传感器与温度传感器结构复杂、价格昂贵、实时性差，故开发一种体积小、精度高、成本低、高安全、集成型的煤矿用防爆型多参数传感器成为井下采煤装备检测技术发展的趋势。

光纤光栅是20世纪90年代以来在国际上新兴的一种基础性光纤无源器件。它以光为载体，光纤为媒介，感知传输外界压力和温度等信号，具有体积小、重量轻、电绝缘性强、抗电磁干扰的无源器件。同时，该类传感器可以适应高温、高压及冲击等恶劣环境。对于井下采煤的易燃易爆、潮湿、高压的瓦斯环境，光纤光栅传感器无疑是很好的选择。

目前，光纤光栅主要应用于航空、桥梁隧道、电力、油气管道、特殊建筑、高速公路等的健康监测。限制光纤光栅的广泛应用主要是解调仪的精度和价格、光纤光栅温度的交叉敏感、相应的封装技术，此外，由于裸光栅灵敏度只有-1.98×10^-6MPa^-1不能达到实际应用的要求。由此，针对煤矿采掘液压装备的压力与温度测量要求，设计了一种防爆型光纤光栅压力温度多参数传感器，其即可测量液压油的压力，又可测量液压油的温度。

发明内容

本发明的目的在于针对井下采煤易燃易爆环境，采用光纤光栅方式，提供体积小、精度高、成本低、高安全、集成型，具有温度自补偿功能的防爆型煤矿用既可测量压力又可测量温度的多参数测量传感器。

本发明采用如下技术方案：

煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器由壳体、压力传递装置、光纤光栅压力感应装置和光纤光栅温度感应装置等组成。

上述壳体一端为螺纹头，用于连接油路，另一端为开口腔体，用于安装测量零部件，其上带有一盖板用于密封，且壳体开有一通孔便于光纤接入。

上述压力传递装置包括立方体壳体、压紧块、弹性膜片、支撑架、挡块、杠杆；上述立方体壳体为一端螺纹，另一端为方形，立方体壳体的方头每个表层上开圆形凹槽；上述压紧块通过螺钉将上述弹性膜片分别安装于上述立方体壳体凹槽内，膜片底部加密封垫，防止油液泄露；上述支撑架分别通过螺钉与壳体中的螺纹孔相连接，上述挡块通过螺纹方式连接在壳体上；上述杠杆分别通过销轴安装于上述支撑架上。

上述光纤光栅压力感应装置包括等强度梁、光纤光栅，光纤光栅分别粘贴于等强度梁上表面

上述光纤光栅温度感应装置包括外保护管、铝管、石英管、光纤光栅、套筒。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，上述等强度梁的数目为4其尺寸、材料都相同，从而保证灵敏度的一致性。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，上述压力测量光纤光栅的数目为4，上述温度测量光纤光栅的数目为1

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，上述5根光纤光栅连接于同一根光纤上，压力测量光纤光栅的4根光纤光栅的压力灵敏度和温度灵敏度都相同从而实现传感器灵敏度不变和保证温度补偿功能，4根压力测量光纤光栅初始波长各不相同以保证传感器的线性度。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，上述弹性膜片的数目为4，其尺寸、材料都相同。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，上述传力杠杆的数目为4，其尺寸、材料都相同。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，第一杠杆与第一挡块有a的距离，第一杠杆刚好接触到第一等强度梁上

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，第二杠杆与第二挡块有b的距离，第二杠杆与第二等强度梁有e的距离。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，第三杠杆与第三挡块有c的距离，第三杠杆与第三等强度梁有f的距离。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，第四杠杆与第四挡块有d的距离，第四杠杆与第四等强度梁有g的距离。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，弹性膜片为圆形，弹性膜片与立方体壳体之间加有密封圈，能起到隔油作用。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，等强度梁与管状壳体采用焊接的方式连接。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，管状壳体与立方体壳体采用螺纹的方式连接。

所述煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于，上述铝管和外保护管之间有压力油，使得温度测量的准确性和实时性更好。

本发明的有益之处在于：

一，灵敏度高，量程大，本发明通过加入杠杆使得传感器的灵敏度提高，一般灵敏度的提高都是建立在牺牲测量量程的基础上的，高精度的传感器往往量程都比较低，而测量量程大的传感器往往灵敏度又较低，通过4级传感装置的设计，很好的解决了灵敏度与测量量程不能同时提高的问题。

二，消除了温度敏感对油压测量的影响，而且能实时准确的测量油液的温度，本发明选择在不同的阶段选择不同的光栅作为温度补偿光栅，而且光栅都连接在同一根光纤上，能达到实时温度补偿的作用。

三，本发明适合应用于采煤环境，本身不受电磁干扰本，而且是无源器件，能够达到实时感知。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明侧视半剖图；

图3为温度测量结构示意图；

图4为压强与光纤光栅反射波长的关系图；

图5为本发明装配示意图；

图中各标记的含义；1、第一等强度梁，2、第二等强度梁，3、第三等强度梁，4、第四等强度梁，5、第一挡块，6、第二挡块，7、第三挡块，，8、第四挡块，9、第一弹性膜片，10、第二弹性膜片，11、第三弹性膜片，12、第四弹性膜片，13、第一光纤光栅，14、第二光纤光栅，15、第三光纤光栅，16、第四光纤光栅，17、第一支撑架，18、第二支撑架，19、第三支撑架，20、第四支撑架，21、第一杠杆，22、第二杠杆，23、第三杠杆，24、第四杠杆，25、第一销轴，26、第二销轴，27、第三销轴，28、第四销轴，29、第一压紧块，30、第二压紧块，31、第三压紧块，32、第四压紧块，33、壳体，34、立方体壳体，35、螺纹孔，36、螺纹通孔，37、外保护管，38、铝管，39、石英管，40、第五光纤光栅5，41、光纤引出套，42、光纤，43、密封垫，44、密封圈，45、垫片，46、套筒。

具体实施方案

结合附图，以下介绍本发明的压力和温度的测量具体实施方案。

图1是本发明的结构示意图，图2是本发明的侧视半剖图，图3为温度测量结构示意图。

压力测量部分：

壳体33一端为螺纹连接油路，另一端为开口腔，并带有盖板来密封测量零部件，且壳体33开有一通孔41便于光纤接入。

立方体壳体34为一端螺纹，用于连接管状壳体33内部，另一端为方形，用于安装温度测量传感器部分的外保护管37。立方体壳体34的方头每个表层上开圆形凹槽，第一压紧块29、第二压紧块30、第三压紧块31、第四压紧块32通过螺钉将第一弹性膜片9、第二弹性膜片10、第三弹性膜片11、第四弹性膜片12分别安装于凹槽内，膜片底部加密封垫43，防止油液泄露。

第一等强度梁1、第二等强度梁2、第三等强度梁3、第四等强度梁4分别通过两个螺钉与壳体33中的螺纹孔35相连接，螺纹孔开在壳体33的凸台凹槽中。第一支撑架17、第二支撑架18、第三支撑架19、第四支撑架20分别通过四个螺钉与壳体33中的螺纹孔36相连接。第一挡块5、第二挡块6、第三挡块7及第四挡块8通过螺纹方式连接在壳体33内。

第一光纤光栅13、第二光纤光栅14、第三光纤光栅15、第四光纤光栅16分别贴于等第一强度梁1、第二等强度梁2、第三等强度梁3、第四等强度梁4上。

第一光纤光栅13、第二光纤光栅14、第三光纤光栅15、第四光纤光栅16连接在同一根光纤42，光纤42通过光纤引出套41引出。

油压测量时，立方体壳体34内压力油腔充油，当油压从0升高至P₁时第一弹性膜片9、第二弹性膜片10、第三弹性膜片11和第四弹性膜片12将产生变形，由于距离a＜b＜c＜d、e＜f＜g，首先第一膜片9变形所产生的力在杠杆作用下而推动第一杠杆21运动，使得第一等强度梁1受力变形，位于第一等强度梁1上的第一光纤光栅13相应产生应变，由此所测量的第一光纤光栅13应变即可获得不断升高油压值。当压力升至P₁时，第一杠杆21近支点端运动距离为a被第一挡块5挡住而停止运动，第一等强度梁1上的第一光纤光栅13应变不再随压力增加而改变，与此同时第二杠杆22远支点端运动距离为e刚好压在第二等强度梁2上，此时第二等强度梁2、第三等强度梁3和第四等强度梁4没有受到力的作用；同时，在油压0至P₁过程中，由于第四光纤光栅16没有受到应变作用只受到环境温度作用，可将第四光纤光栅16作为第一光纤光栅13的温度补偿光栅，根据温度补偿方法中参考光栅法，通过测定第一光纤光栅13波长的改变量减去第四光纤光栅16波长的改变量所得波长值为油压改变所引起。

根据等弹性膜片小挠度理论和等强度梁受力变形理论，可求得第一杠杆21和第二杠杆22的运动距离为：

a＝3α²l³πR⁴P₁/2(96πDα²l³+Eb₀h³R³)，其中D＝E_Dh_D ³/12(1-μ²)

e＝P₁R⁴/(64αD)

式中表达式得含义；α为传力杠杆的传力比，l为等强度梁的长度，R为弹性膜片的半径，b₀为等强度梁固定端的宽度，h_D为弹性膜片的厚度，h为等强度梁的厚度，μ为弹性膜片的泊松比，E为等强度梁的弹性模量，E_D为弹性膜片的弹性模量。

当油压从P₁继续升高时，由于距离b＜c＜d、e＜f＜g，第二膜片10的继续变形所产生的力在杠杆作用下而推动第二杠杆22继续运动，使得第二等强度梁2受力变形，位于第二等强度梁2上的第二光纤光栅14相应产生应变，由此所测量第二光纤光栅14应变即可获得不断升高油压值。当压力升至P₂时，第二杠杆22近支点端运动距离为b被第二挡块6挡住而停止运动，第二等强度梁2上的第二光纤光栅14应变不再随压力增加而改变，与此同时第三杠杆23远支点端运动距离为f刚好压在第三等强度梁3上，此时第三等强度梁3和第四等强度梁4没有受到力的作用；在油压P₁至P₂过程中，同理，可通过测定第二光纤光栅14和第四光纤光栅16波长的变化达到对压力的温度补偿测量，其中第四光纤光栅16作为温度补偿光栅。

同理可获得：

b＝3α²l³πR⁴(P₂-P₁)/2(96πDα²l³+Eb₀h³R³)+P₁R⁴/(64D)

f＝P₂R⁴/(64aD)

当油压从P₂继续升高时，由于距离c＜d、f＜g，第三膜片11的继续变形所产生的力在杠杆作用下而推动第三杠杆23继续运动，使得第三等强度梁3受力变形，位于第三等强度梁3上的第三光纤光栅15相应产生应变，由此所测量第三光纤光栅15应变即可获得不断升高油压值。当压力升至P₃时，第三杠杆23紧支点端运动距离为c被挡块7挡住而停止运动，第三等强度梁3上的第三光纤光栅15应变不再随压力增加而改变，与此同时第四杠杆24远支点端运动距离为g刚好压在第四等强度梁4上，此时第四等强度梁4没有受到力的作用；在油压P₂至P₃过程中，同理，可通过测定第三光纤光栅15和第四光纤光栅16波长的变化达到对压力的温度补偿测量，其中第四光纤光栅16作为温度补偿光栅。

同理可获得：

c＝3α²l³πR⁴(P₃-P₂)/2(96πDα²l³+Eb₀h³R³)+P₂R⁴/(64D)

g＝P₃R⁴/(64αD)

当油压从P₃继续升高时，第四膜片12的继续变形所产生的力在杠杆作用下而推动第四杠杆24继续运动，使得第四等强度梁4受力变形，位于第四等强度梁4上的第四光纤光栅16相应产生应变，由此所测量第四光纤光栅16应变即可获得不断升高油压值，当第四杠杆24近支点端运动距离为d被第四挡块8挡住而停止运动时，第四等强度梁4上的第四光纤光栅16应变停止，其油压值P₄为测量额定值；在油压P₃至P₄过程中，采用第一光纤光栅13作为第四光纤光栅16的温度补偿光栅，同理，可通过测定第四光纤光栅16和第一光纤光栅13波长的变化达到对压力的温度补偿测量，其中第一光纤光栅13作为温度补偿光栅。

同理可获得：

d＝3α²l³πR⁴(P₄-P₃)/2(96πDα²l³+Eb₀h³R³)+P₃R⁴/(64D)

为了保证传感器灵敏度和温度补偿稳定，所选择的第一光纤光栅13、第二光纤光栅14、第三光纤光栅15和第四光纤光栅16的温度灵敏度和压力灵敏度应均相同，。

为了解决光纤光栅初始波长不同的问题，设第一光纤光栅13、第二光纤光栅14、第三光纤光栅15和第四光纤光栅16的初始波长分别为λ₀、λ₁、λ₂、λ₃，则各初始波长满足以下关系：

λ₁＝λ₀+3a_εR⁴hπLαP₁/2(96πDL³α²+Eb₀h³R²)

λ₂＝λ₀+3a_εR⁴hπLαP₂/2(96πDL³α²+Eb₀h³R²)

λ₃＝λ₀+3a_εR⁴hπLαP₃/2(96πDL³α²+Eb₀h³R²)

式中a_ε为裸光纤光栅的应变灵敏度系数。

通过以上分析而得到的光纤光栅传感器，光纤光栅波长与压强满足下列等式关系，图形如图4所示。

λ＝3a_εLαπhR⁴P/2(96πDα²L³+Eb₀h³R³)+λ₀ (0＜P＜P1)

λ＝3a_εLαπhR⁴P/2(96πDα²L³+Eb₀h³R³)+λ₁ (P1＜P＜P2)

λ＝3a_εLαπhR⁴P/2(96πDα²L³+Eb₀h³R³)+λ₂ (P2＜P＜P3)

λ＝3a_εLαπhR⁴P/2(96πDα²L³+Eb₀h³R³)+λ₃ (P3＜P＜P4)

根据波长与压力的关系λ＝K·P+λ₀，则根据所测波长，可得到所测试油液的压力。

温度测量部分：

温度测量位于立方体壳体34的测面(见如图2)，图3是温度测量结构示意图。铝管38右端安装在套筒46上，其左端为自由端。石英管39左端安装在铝管38左端，石英管39右端为自由端，光纤光栅一端焊接在石英管39的自由端，另外一端连接在套筒46上，在外保护管37和铝管38之间填充一定数量的液压油使得温度响应实时性好。

油压温度升高时，通过导热系数较大的外保护管37和导热液传递到铝管38上，铝管38受热膨胀向左端伸长，与此同时石英管39在铝管38的带动下向左移动，其本身受热膨胀向右伸长，由于铝管38的伸长量大于石英管39的伸长量而拉伸光栅，通过测量第五光纤光栅40的拉伸量即可以获得相应的液压油温度。第五光纤光栅40采用预拉伸安装，则当油压温度降低时，通过测量第五光纤光栅40的拉伸减少量可以得出相应的液压油温度。

温度变化ΔT时由结构伸缩引起的光纤光栅应变为；

ε＝ΔT(y(a₁-a₃)+x(a₃-a₂))/(y-x)

ε为结构伸缩引起的光纤光栅应变，ΔT为温度变化量，x为石英管的长度，y为铝管的长度，a₁为铝管的热伸缩系数，a₂为石英管的热伸缩系数，a₃为光纤光栅的热伸缩系数，

根据光纤光栅轴向应变特性，由结构轴向伸缩引起的光栅波长的变化为；

$\frac{\▿{\mathrm{\λ}}_{B\mathrm{\ϵ}}}{{\mathrm{\λ}}_B}=0.78\mathrm{\Δ}T\left(y\right(a_1-a_3)+x(a_3-a_2)/(y-x)$

与此同时光栅本身由热光效应和弹光性效应所引起的光纤光栅本身的波长变化；

$\frac{\▿{\mathrm{\λ}}_{BT}}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\Δ}T$

式中α为光栅的线性热膨胀系数，ξ热光系数，ΔT为温度变化量。

所以温度对结构总体的波长影响为；

$\frac{\▿{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\{0.78\[\left(y\right(a_1-a_3)+x(a_3-a_2)\]/(y-x)+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\}\mathrm{\Δ}T$

根据波长与温度的线性关系，λ＝kλ₀ΔT+λ₀，λ₀为光纤光栅的初始波长，则根据所测波长λ，可得到所测油液温度变化。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效替换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于：壳体(33)一端为螺纹头用于连接油路，另一端为开口腔体用于安装测量零部件，其上带有一盖板用于密封，且壳体(33)开有一通孔(41)便于光纤接入，立方体壳体(34)为一端螺纹，用于连接壳体(33)内部，另一端为方形，用于安装温度测量传感器部分的外保护管(37)；套筒(46)内嵌在外保护管内，一端固定铝管(38)，石英管(39)内嵌在铝管内；立方体壳体(34)的方头每个表层上开圆形凹槽，第一压紧块(29)、第二压紧块(30)、第三压紧块(31)、第四压紧块(32)通过螺钉将第一弹性膜片(9)、第二弹性膜片(10)、第三弹性膜片(11)、第四弹性膜片(12)分别安装于凹槽内，第一等强度梁(1)、第二等强度梁(2)、第三等强度梁(3)、第四等强度梁(4)分别通过螺钉与壳体(33)中的螺纹孔(35)相连接，螺纹孔开在壳体(33)的凸台凹槽中；第一支撑架(17)、第二支撑架(18)、第三支撑架(19)、第四支撑架(20)分别通过螺钉与壳体(33)中的螺纹孔(36)相连接；第一挡块(5)、第二挡块(6)、第三挡块(7)及第四挡块(8)通过螺纹方式连接在壳体(33)内；第一杠杆(21)、第二杠杆(22)、第三杠杆(23)、第四杠杆(24)分别通过第一销轴(25)、第二销轴(26)、第三销轴(27)、第四销轴(28)安装于第一支撑架(17)、第二支撑架(18)、第三支撑架(19)、第四支撑架(20)上；第一光纤光栅(13)、第二光纤光栅(14)、第三光纤光栅(15)、第四光纤光栅(16)分别贴于第一等强度梁(1)、第二等强度梁(2)、第三等强度梁(3)、第四等强度梁(4)上。

2.根据权利要求1所述的煤矿用防爆型光纤光栅 压力温度多参数 测量传感器，其特征在于：采用光纤光栅测量等强度梁应变，上述4根光纤光栅连接于同一根光纤上。

3.根据权利要求1所述的煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于：采用光纤光栅测量等强度梁应变，上述4根同一光纤上的光栅形成互为参考的温度补偿。

4.根据权利要求1所述的煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于：采用光纤光栅测量等强度梁应变，上述4根光纤光栅的温度灵敏度、压力灵敏度都相同，各光栅的初始波长各不相同，分别为λ₀、λ₁、λ₂、λ₃。

5.根据权利要求1所述的煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于：采用弹性膜片式压力测量，上述4片弹性膜片尺寸、材料相同且为圆形，分别用压紧块安装于立方体壳体的四个凹槽内。

6.根据权利要求1所述的煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于：采用弹性膜片式压力测量，弹性膜片下面加密封圈，形成密封安装。

7.根据权利要求1所述的煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于：上述杠杆与挡块之间有a、b、c、d大小不同的距离，杠杆与等强度梁之间有e、f、g大小不同的距离，杠杆与弹性膜片相接触。

8.根据权利要求1所述的煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于：上述铝管和外保护管之间有液压油。

9.根据权利要求1所述的煤矿用防爆型光纤光栅压力温度多参数测量传感器，其特征在于：采用4根光纤光栅测量压力，1根光纤光栅测量温度，上述温度测量光纤光栅与上述压力测量光纤光栅连接于同一根光纤上。