CN104567986A - 一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器 - Google Patents

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刘春桐
冯永保
李洪才
马长林
何祯鑫
王鹏致
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Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，包括内嵌标准喷嘴的主阀体、取压腔体、合金膜片、密封端盖、压力传感器和温度传感器等部分；传感器采用面密封及端盖双重密封的特殊结构形式和异形垫片设计：通过选择三组不同中心波长的光纤光栅，分别用于测量流体的流量、压力和温度参数，利用光纤耦合器对外形成一个公共接口，以充分利用光纤光栅波长编码的独特优点。同时，可将光纤光栅温度传感器作为参考光栅，解决光纤光栅对温度和应变的交叉敏感问题。该光纤光栅流量传感器具备多种功能、体积紧凑、安装方便、应用灵活，并便于进一步实现功能拓展，可在诸如液压系统的状态检测等领域广泛应用。

Description

一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器
技术领域
本发明涉及一种用于液压系统流体测量的多功能流量传感器，特别是具备压力和温度同时测量的光纤光栅内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，属于光电子测量技术领域。
背景技术
在工业生产及工程应用中，流体的流量是需要经常测量和控制的参数之一。传统的机械转子式流量计，由于受机械结构的限制，测量误差较大。后来发展的电磁流量计、超声波流量计和声学多普勒流量计，虽然测试精度有所提高，但易受电磁干扰，使用成本较高。光纤光栅是利用在光纤纤芯中形成的空间周期性折射率分布来改变光波在光纤中传播行为的一种新兴光子器件。光纤光栅传感器是利用光纤光栅中心反射波长对外界物理量的敏感原理，进行封装和设计后形成的一种新型光纤传感器，具有尺寸小、重量轻、易于组成分布式测试网络，且具备较强的抗电磁干扰能力等突出优点。
光纤光栅温度及应变(应力)传感器的发展已较为成熟，以光纤光栅为敏感元件进行流量测量也有一些公开报道，如基于文丘里管结构的光纤光栅流量传感器(陈建军，张伟刚，涂勤昌等，基于光纤光栅的高灵敏度流速传感器，光学学报，2006，26(8)：1136-1139)：基于涡街结构的光纤光栅流量传感器(李红民，高宏伟，刘波等，一种新型的光纤光栅涡街流量传感器，传感技术学报，2006，19(4)：1195-1197)；基于靶式结构的光纤光栅流量传感器(李川，赵聪，许江淳，靶式光纤光栅液体流量计，发明专利，申请号：20090094845.0，公开号：CN101629836A)等。这些光纤光栅流量传感器，仍局限于对流量单个参数的测试，已难以满足当前测控技术领域中多参数、分布式传感的发展需求。而且文丘里管结构较为复杂、安装体积较大；涡街结构和靶式结构流量计，均存在阻碍流体流动的可动部件，不适宜用于高压及较快流速的测量。
基于差压原理的光纤光栅流量传感器，如蒋奇，杨猛，高芳芳等提出的双光纤光栅压差流量计(实用新型专利，申请号：201220063173.4，授权公告号：CN202547700U)和压差流量计(发明专利，申请号：201210043012.3，申请公布号：CN102607651)；崔建成，肖博轩，宋彦圣等提出的基于光纤光栅微压差传感的微小管径高压喷嘴流量装置(实用新型专利，申请号：201220353252.9，授权公告号：CN202648714U)等，仍然仅针对流量参数进行测量，而且随着测量时间增加，被测流体温度的变化会直接影响流量的测量精度，均没有很好解决光纤光栅对温度和应变交叉敏感的问题。而且后者装配较为复杂、安装困难，不易实现可靠密封。
发明内容
针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，克服现有光纤光栅传感器仅针对单一参数测量的不足，提供一种安装简便、易于密封，并可同时对被测流体的流量、压力和温度等参数进行同时测量，并能够解决光纤光栅温度应变交叉敏感问题的传感器。
现将本发明技术解决方按叙述如下：
本发明一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，由光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅流量传感器构成，其特征在于：所述的光纤光栅流量传感器还包括主阀体、标准喷嘴、取压腔体、密封端盖、垫片、合金膜片、异形垫片、密封圈、紧固螺钉；所述的标准喷嘴嵌入主阀体中；采用不同中心波长的光纤光栅封装于合金膜片上；主阀体两端留有管接头螺纹，用于和被测管道的连接；标准喷嘴前后分别留有取压孔，通过取压腔体作用于合金膜片的两侧；流体流过标准喷嘴形成的节流口时在合金膜片两侧产生压差，并作用于合金膜片上，使其产生形变，粘结在合金膜片上的光纤光栅则将形变量转换为其对应中心波长的变化；所述的光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器以及光纤光栅流量传感器作为三组敏感元件，通过光纤耦合器连接到光纤光栅解调装置上，实现对流量、压力及温度参数的同时测量。
本发明进一步提供一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，其特征在于：主阀体与取压腔体之间采用面密封，并用多个紧固螺钉进行固定；密封端盖用于压紧合金膜片，垫片用于实现高压流体侧的密封；密封端盖与取压腔体之间采用异形垫片和密封圈进行密封；通过异形垫片与取压腔体内部的键槽配合，防止固定端盖旋紧时带动异形垫片及合金膜片的转动，从而避免粘贴在合金膜片上的光纤光栅受到剪切力而损坏。
本发明进一步提供一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，其特征在于：在流体入口端设有单独的取压孔，并安装光纤光栅压力传感器，实现对被测流体压力参数的测量；所述的光纤光栅温度传感器安装在主阀体上，不与流体直接接触，实现对被测流体温度的间接测量，光纤光栅温度传感器作为参考光栅，解决光纤光栅对应变和温度的交叉敏感问题。
本发明进一步提供一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，其特征在于：所述的光纤光栅流量传感器、光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器采用中心波长不同的光纤光栅，并通过光纤耦合器对外形成同一接口，与光纤光栅解调装置或者其它光纤器件及测试设备进行连接，以利用流量传感器、压力传感器、温度传感器的不同光纤光栅中心反射波长进行编码，实现同时对被测流体的流量、压力及温度参数的测量。
本发明的有益效果是：能够利用光纤光栅实现被测流体的流量、压力和温度多参数的同时测量，并解决了光纤光栅对应变及温度的交叉敏感问题。通过采用独特的密封结构设计，便于传感器的装配、提高光纤光栅传感器制作的效率和成品率；同时可以有效减小传感器的体积，便于安装及使用。
附图说明
图1基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器的剖面图
图2基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器的俯视图
图中：1主阀体2标准喷嘴3光纤光栅压力传感器4光纤光栅温度传感器5垫片6合金膜片7异形垫片8取压腔体9密封端盖10密封圈11光纤耦合器12光纤光栅解调装置13紧固螺钉
具体实施方法
下面结合附图对本发明的结构原理和具体实施方式作进一步说明。
如图1和图2所示，一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，包括主阀体(1)及嵌入其内部的ISA1932标准喷嘴(2)，当被测流体流经ISA1932标准喷嘴(2)时，产生与流量成对应数学关系的压力差。经由ISA1932标准喷嘴(2)前后的取压孔，被测流体被分别引入取压腔体(8)内。并将压力差作用在粘结有光纤光栅的合金膜片(6)上，合金膜片(6)的形变会导致光纤光栅中心反射波长的变化。
同样，光纤光栅压力及温度传感器也将各自的敏感参数转换为光纤光栅中心反射波长的变化量。通过选择流量传感器、压力传感器、温度传感器发出的三个不同中心波长的光纤光栅信号，然后通过一个1×3光纤耦合器(11)连接到光纤光栅解调装置(12)上，从而实现对被测流体的流量、压力及温度参数的同时测量，便于充分利用光纤光栅波长编码的独特优点。同时，由于温度传感器(4)未接触被测流体，仅对阀体(1)内的温度进行测量，因此可以作为参考光栅，解决流量及压力测量光纤光栅的交叉敏感问题。
为了减小传感器的体积，且便于传感器的安装及使用，本发明针对传感器内部的密封结构进行了特殊设计。主阀体(1)与取压腔体(8)之间采用面密封，并用多个螺钉(13)进行紧固。密封端盖(9)用于压紧合金膜片(6)，垫片(5)用于实现高压流体侧的密封。同时，密封端盖(9)与取压腔体(8)之间采用异形垫片(7)和密封圈(10)进行密封。异形垫片(7)除了用于实现低压流体侧的密封外，还可防止固定端盖(9)旋紧时带动垫片(7)及合金膜片(6)的转动，从而避免粘结在合金膜片(6)上的光纤光栅折断及损坏。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，由光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅流量传感器构成，其特征在于：所述的光纤光栅流量传感器还包括主阀体、标准喷嘴、取压腔体、密封端盖、垫片、合金膜片、异形垫片、密封圈、紧固螺钉；所述的标准喷嘴嵌入主阀体中；采用不同中心波长的光纤光栅封装于合金膜片上；主阀体两端留有管接头螺纹，用于和被测管道的连接；标准喷嘴前后分别留有取压孔，通过取压腔体作用于合金膜片的两侧；流体流过标准喷嘴形成的节流口时在合金膜片两侧产生压差，并作用于合金膜片上，使其产生形变，粘结在合金膜片上的光纤光栅则将形变量转换为其对应中心波长的变化；所述的光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器以及光纤光栅流量传感器作为三组敏感元件，通过光纤耦合器连接到光纤光栅解调装置上，实现对流量、压力及温度参数的同时测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，其特征在于：主阀体与取压腔体之间采用面密封，并用多个紧固螺钉进行固定；密封端盖用于压紧合金膜片，垫片用于实现高压流体侧的密封；密封端盖与取压腔体之间采用异形垫片和密封圈进行密封；通过异形垫片与取压腔体内部的键槽配合，防止固定端盖旋紧时带动异形垫片及合金膜片的转动，从而避免粘贴在合金膜片上的光纤光栅受到剪切力而损坏。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，其特征在于：在流体入口端设有单独的取压孔，并安装光纤光栅压力传感器，实现对被测流体压力参数的测量；所述的光纤光栅温度传感器安装在主阀体上，不与流体直接接触，实现对被测流体温度的间接测量，光纤光栅温度传感器作为参考光栅，解决光纤光栅对应变和温度的交叉敏感问题。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，其特征在于：所述的光纤光栅流量传感器、光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器采用中心波长不同的光纤光栅，并通过光纤耦合器对外形成同一接口，与光纤光栅解调装置或者其它光纤器件及测试设备进行连接，以利用流量传感器、压力传感器、温度传感器的不同光纤光栅中心反射波长进行编码，实现同时对被测流体的流量、压力及温度参数的测量。
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