CN104949780A - 一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器，包括压力传导器件、压力测试器件、密封壳体、固定结构等，压力传导器件将外界压力转换为膜片中心挠度的压缩变化，并且通过灵活的改变压力传导器件的外形尺寸来改变测试量程，保证了产品在各个量程环境下使用的通用性。压力测试器件将挠度的变化施加在测力光栅上，导致光栅收缩，反射波长减小，达到测试目的，温度补偿光栅通过调节长短和材料热膨胀系数，使得降低测力光栅的温度系数和温度补偿，达到最优温度补偿。本发明适用于远距离传输，抗电磁干扰，绝缘本安，完全可以代替现在通用的压力变送器和波纹膜片压力表。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器。
背景技术
压力管道表面应力应变状态是压力管道在风险状态下受力的综合表现，关系到压力管道的力学安全。压力管道表面应变检测可以有效预防压力管道爆管事故的发生，目前最常用的测试方法有人工千分尺检测方法、压力变送器法、电阻应变片检测方法和波纹膜片测压力法等。人工千分尺检测方法的缺点在于无法实现实时在线检测，并且工序复杂，测量效率低，测量误差大，严重影响测量精度，而压力变送器法、电阻应变片检测法测量精度不高，且易受电磁干扰，不适用于易燃易爆的场合检测。波纹膜片压力表尽管具有一定的耐腐蚀性，但是如果工程安装不当或监测过程受压过高，会大大降低波纹膜片的使用寿命。光纤光栅传感器检测压力管道表面应变是一种全光传感、高精度、抗电磁干扰、本质安全以及效率更高的技术手段，同时便于实现在线多点分布式检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有管道压力光纤光栅传感器量程范围适应性差、长期监测漂移等问题，提供了一种量程范围可灵活调整、‘零漂移’的管道压力监测的光纤光栅压力传感器。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器，包括压力传导器件、位于压力传导器件后端的感知压力口、压力测试器件、密封壳体、固定结构和一根光纤(16)，光纤(16)上从左至右依次刻有一个压力测试光栅(11)和一个温度补偿光栅(12)，其特征在于，一个压力测试光栅通过玻璃焊料焊接在第一光栅固定键和第二光栅固定键之间，一个温度补偿光栅通过玻璃焊料焊接在第二光栅固定键和第三光栅固定键之间，第一光栅固定键的一端通过螺纹旋钮固定在压力传导器件上，第一光栅固定键的另一端通过1号螺钉鼎丝固定在压力测试器件上，压力测试器件与第二光栅固定键通过2号螺钉鼎丝固定，压力测试器件与第三光栅固定键通过3号螺钉鼎丝固定，压力传导器件前端有与压力传导器件一体加工成形的金属材质的T型膜片，压力传导器件前端的T型膜片穿过压力测试器件后端的空腔与固定在压力测试器件上的压力测试光栅相接触，压力传导器件的前端与压力测试器件的后端通过胶粘固定在一起，密封壳体后端的内螺纹与压力传导器件中段的外螺纹对接从而将压力测试器件密封在密封壳体中，密封壳体前端的外螺纹与固定装置后端的内螺纹对接，固定装置前端的出纤处通过M3固定堵头封闭并用防水胶密封。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.光纤光栅制作管道压力传感器，虽然克服了传统压力传感器无法在线监测、精度低、易受电磁干扰、易腐蚀等缺点。但是一般的光纤光栅压力传感器结构比较复杂，对于不同管道压力量程的应用并不合适，往往要根据管道压力范围更换大批传感器，增加了制作成本、延长了施工工期。本发明在保证测量精度的前提下，仅仅通过改变压力传导器件1的膜片厚度就能实现所有压力量程下管道的压力测量。压力传导器件1前端为M20×1.5外螺纹，尺寸为大部分测压环境下的标准螺纹尺寸，方便于安装，通过螺纹对接将压力传递至直径12mm的压力膜片上，最终将压力膜片的中心挠度变化转变为压缩光纤光栅，达到测试效果。利用压力越大和中心挠度变化越大的关系，仅仅通过改变压力膜片的厚度来保证压力和中心挠度固定关系，从而保证压缩光栅的一致性，从而保证产品在各个压力量程下的通用性。
2.管道压力测试，往往是将传感器埋入地下，参数漂移是影响管道压力长期监测的重要因素。由于普通光纤光栅传感器常用有氧胶封装，这一固定的方法由于胶体蠕变的原因，对这一拉伸受力状态保持稳定性的影响非常大，只能采用校准和补偿的方法消除，但是由于使用环境的差异导致蠕变的速度并不相同，所以校准和补偿的难度大，精度低。本发明采用无氧胶焊接的方式固定光纤光栅，大幅度提高产品的长期稳定性。为了保证稳定的波长反射系数，制作过程中需要先对压力测试光栅11(即‘0’状态是压力测试光栅11拉伸的状态)，光栅始终处于拉伸受力的状态。通过无氧胶焊接的方式(玻璃焊料焊接)代替有氧胶封装的方式，通过长期实验证明对蠕变有较大的改进。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器的结构示意图。
图2为本发明所述的一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器的连接关系示意图。
图3为本发明所述的一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器采用无氧胶焊接的方式一年的蠕变测试曲线与现有技术中采用有氧胶封装方式的传感器一年的蠕变测试曲线对比图。
图中：1、压力传导器件，2、压力测试器件，3、2号螺钉顶丝，4、密封壳体，5、固定结构，6、1号螺钉顶丝，7、第一光栅固定键，8、第二光栅固定键，9、第三光栅固定键，10、感知压力口，11、压力测试光栅，12、温度补偿光栅，13、3号螺钉顶丝，14、M3固定堵头，15、T型膜片，16、光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1及图2，一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器，包括压力传导器件1、位于压力传导器件1后端的感知压力口10、压力测试器件2、密封壳体4、固定结构5和一根光纤(16)，光纤(16)上从左至右依次刻有一个压力测试光栅(11)和一个温度补偿光栅(12)，其特征在于，一个压力测试光栅11通过玻璃焊料焊接在第一光栅固定键7和第二光栅固定键8之间，一个温度补偿光栅12通过玻璃焊料焊接在第二光栅固定键8和第三光栅固定键9之间，第一光栅固定键7的一端通过螺纹旋钮固定在压力传导器件1上，第一光栅固定键7的另一端通过1号螺钉鼎丝6固定在压力测试器件2上，压力测试器件2与第二光栅固定键8通过2号螺钉鼎丝3固定，压力测试器件2与第三光栅固定键9通过3号螺钉鼎丝13固定，压力传导器件1前端有与压力传导器件1一体加工成形的金属材质的T型膜片15，压力传导器件1前端的T型膜片15穿过压力测试器件2后端的空腔与固定在压力测试器件2上的压力测试光栅11相接触。压力传导器件1的前端与压力测试器件2的后端通过胶粘固定在一起，密封壳体4后端的内螺纹与压力传导器件1中段的外螺纹对接从而将压力测试器件2密封在密封壳体4中，密封壳体4前端的外螺纹与固定装置5后端的内螺纹对接，固定装置5前端的出纤处通过M3固定堵头14封闭并用防水胶密封。
压力传感器件1中，T型膜片15与压力传导器件1为一体加工，T型膜片15的厚度通过高精密车床加工而成，根据测量量程不同，可随意更换不同压力传导器件1，主要目的是更换压力传导器件1中T型膜片15的厚度，使传感器的适应性提高。
本发明所述的一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器，包括压力传导器件1，压力测试光栅11，温度补偿光栅12，其中压力传导器件1的作用：用来将外界压力转换为T型膜片15中心挠度的压缩变化，并且通过灵活的改变压力传导器件1的外形尺寸(直径和厚度)来改变测试量程，保证了产品在各个量程环境下使用的通用性。压力测试器件2的作用：用来将挠度的变化施加在压力测试光栅11上，导致压力测试光栅11收缩，反射波长减小，达到测试目的。温度补偿光栅12的作用是，通过调节温度补偿光栅12的长短和材料热膨胀系数，使得降低压力测试光栅11的温度系数和温度补偿，达到最优温度补偿。由以上本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的适用于各种管道压力监测，仅仅通过改变压力传导器件1这一个零件即可改变整个量程达到产品的通用性，并且原理采用光纤光栅测试原理适用于远距离传输，抗电磁干扰，绝缘本安等特性。并且内部采用特殊机理的粘接固定使得长期使用基本‘零漂移’，达到产品的稳定性。
表1
| 压力 | 膜片厚度 | 中心挠度变化 |
| 0.5Mpa | 0.33mm | 0.02mm |
| 2Mpa | 0.53mm | 0.02mm |
| 20Mpa | 1.08mm | 0.02mm |
| 30Mpa | 1.22mm | 0.02mm |
| 70Mpa | 1.6mm | 0.02mm |
稳定性的保证：本品设计的光纤光栅压力传感器，当压力增大的时候，中心挠度变化，展现出的是压力测试光栅11的压缩，为了保证稳定的波长反射系数，制作过程中需要先对压力测试光栅11拉伸(即‘0’状态是压力测试光栅11拉伸的状态)。那么压力测试光栅11始终处于拉伸受力的状态，现市面上大部分同类型产品采用的是紫外胶和环氧树脂胶，胶的蠕变对稳定性的影响非常大，只能采用校准和补偿的方法消除，但是由于使用环境的差异导致蠕变的速度并不相同，所以校准和补偿的难度大，精度低，本品通过无氧胶焊接的方式代替有氧胶封装的方式，通过长期实验证明对蠕变有较大的改进。
Claims (1)
1.一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器，包括压力传导器件(1)、位于压力传导器件(1)后端的感知压力口(10)、压力测试器件(2)、密封壳体(4)、固定结构(5)和一根光纤(16)，光纤(16)上从左至右依次刻有一个压力测试光栅(11)和一个温度补偿光栅(12)，其特征在于，压力测试光栅(11)通过玻璃焊料焊接在第一光栅固定键(7)和第二光栅固定键(8)之间，温度补偿光栅(12)通过玻璃焊料焊接在第二光栅固定键(8)和第三光栅固定键(9)之间，第一光栅固定键(7)的一端通过螺纹旋钮固定在压力传导器件(1)上，第一光栅固定键(7)的另一端通过1号螺钉鼎丝(6)固定在压力测试器件(2)上，压力测试器件(2)与第二光栅固定键(8)通过2号螺钉鼎丝(3)固定，压力测试器件(2)与第三光栅固定键(9)通过3号螺钉鼎丝(13)固定，压力传导器件(1)前端有与压力传导器件(1)一体加工成形的金属材质的T型膜片(15)，压力传导器件(1)前端的T型膜片(15)穿过压力测试器件(2)后端的空腔与固定在压力测试器件(2)上的压力测试光栅(11)相接触，压力传导器件(1)的前端与压力测试器件(2)的后端通过胶粘固定在一起，密封壳体(4)后端的内螺纹与压力传导器件(1)中段的外螺纹对接从而将压力测试器件(2)密封在密封壳体(4)中，密封壳体(4)前端的外螺纹与固定装置(5)后端的内螺纹对接，固定装置(5)前端的出纤处通过M3固定堵头(14)封闭并用防水胶密封。
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