CN105258842A - 一种测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器，包括弹性厚膜片、管路接头、测压光纤光栅、温补光纤光栅和保护装置；其中弹性厚膜片包括上平面和向下开口的凹面法兰，上平面的中部径向固定有测压光纤光栅，上平面的边缘部位固定有温补光纤光栅，凹面法兰与管路接头法兰连接，管路接头与凹面法兰之间构成空腔用于容纳从管路接头流入的待测液体；保护装置套在所述的弹性厚膜片外部，并与管路接头密封连接。将测压光纤光栅设置在弹性厚膜片应变最大的中心区域，用于测量在液体压力和温度双重作用下产生的应变；温补光纤光栅设置在弹性厚膜片应变最小的边缘区域，用于测量液压力和温度引起的应变，从而达到测量范围广、温度补偿效果好的目的。

Description

一种测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器

技术领域

本发明涉及机械结构检测领域，具体涉及一种测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器。

背景技术

大型机械的工作性能往往与液压加载系统的性能密切相关，液压加载系统的性能直接影响到系统的工作效率、稳定性和相关部件的寿命等。通过在液压加载系统安装光纤光栅压力传感器，系统可实时在线感知液压加载压力的变化，获得液压系统压力变化的规律，提高了系统运行的可靠性。因而，液压系统的压力参数通常是检测大型机械系统稳定性的重要参数之一。

目前，实际工程中应用较多的液压传感器有传统的机械式和电磁式的液压传感器，也有基于光纤光栅技术的液压传感器。然而，大型机械系统^[1][2]机械结构复杂，在实际运行中面临着重载、高压和腐蚀性、电磁热辐射干扰以及多场耦合等诸多因素的影响，传统的电类传感器往往不能满足大型机械液压系统监测的需求。由于光纤光栅能抗电磁干扰、耐化学腐蚀、使用寿命长，能够克服传统压力传感器在实际工程应用中的种种缺陷^[3]。

由于光纤光栅本身的机械强度有限，对于压力的敏感系数很低，并且存在交叉敏感效应，很难将其直接应用于实际工程的压力测量中，通常需要对光纤光栅压力传感器进行增敏^[4][5]。从现有的光纤光栅的压力响应增敏方法来看，主要有三条途径：采用特殊的封装技术^[6]；改进光纤光栅制作材料^[7]；探索新的光纤光栅写入方法^[8]。其中，通过改进光纤光栅制作材料和探索新的光纤光栅写入方法是对光栅进行本征性增敏^[9][10][11]，因此能在有效增敏的同时不减小传感光栅的测量范围，但实现难度很大。特殊的封装方式是通过使外界压力、温度对传感光栅的作用加倍来实现增敏^[12][13]，即可提高光纤光栅传感器对压力的响应灵敏度，又可保证其较强的机械强度和较长的使用寿命。因此，改良光纤光栅的封装技术是在当前光纤光栅实际工程中应用得十分广泛，也非常有效^[14]。

南开大学光子技术中心的张颖等忍采用增敏罐封装的办法,将增敏聚合物固化于金属圆筒中,光纤光栅置于圆筒轴线上,玻璃准直地固化于聚合物中,金属套筒屏蔽了其它方向的压力,只容许开口方向的压力使聚合物弹性体产生轴向应变,而径向方向上的应变为0,该方法压力增敏效果明显，但是也会增强传感器对温度的敏感性，产生压力-温度交叉效应^[15]。海军工程大学的文庆珍等人提出了一种基于压力传感增敏效果好的多层封装结构,同时还利用2种聚合物不同的力学特性用聚合物对光纤光栅进行多层封装去敏处理时,聚合物的热膨胀系数将对克服温度的干扰即对温度去敏带来影响，但是实现起来难度很大^[16]。VengalRaoPachava等人提出了一种膜片式光纤光栅压力传感器。膜片式光纤光栅传感装置就是一种经常被用作增强压力传感灵敏度的封装方法，当膜片在被测压力作用下，两边出现压力差时，会产生一定的形变，通过感知该形变可以获得被测压力的信息^[17]。膜片式光纤光栅压力传感器在大量程和高灵敏度的实现上具有良好的效果，而且可以用于动态压力的测量，但是由于采用的是薄膜片，能测量的压力范围只在0-1Mpa之间，不能满足大型机械的高达100Mpa这样的高强度的压力测量^[18][19]。

综上所述，现有的液压传感器具有实现困难、结构复杂、温补效果差、可测量范围小、抗电磁干扰能力差这些缺点中的一个或多个。

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发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器，测量范围广、温度补偿效果好。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器，其特征在于：它包括弹性厚膜片、管路接头、测压光纤光栅、温补光纤光栅和保护装置；其中弹性厚膜片包括上平面和向下开口的凹面法兰，上平面的中部径向固定有所述的测压光纤光栅，上平面的边缘部位固定有所述的温补光纤光栅，凹面法兰与所述的管路接头法兰连接，管路接头与凹面法兰之间构成空腔用于容纳从管路接头流入的待测液体；所述的保护装置套在所述的弹性厚膜片外部，并与管路接头密封连接；所述的弹性厚膜片的定义为厚度和直径之比大于1/15的弹性膜片。

按上述方案，所述的凹面法兰与所述的管路接头之间设置有缠绕式环形垫片。

按上述方案，所述的测压光纤光栅和温补光纤光栅的栅区长度均小于6mm。

按上述方案，所述的保护装置包括位于弹性厚膜片上部的保护盖、以及套在弹性厚膜片周向的外保护壳，保护盖与外保护壳之间固定连接，外保护壳的底部与所述的管路接头螺纹连接；所述的保护盖上设有外保护接头，所述的测压光纤光栅和温补光纤光栅连接的信号传输光纤通过外保护接头引出。

按上述方案，所述的信号传输光纤套有护纤套管。

本发明的有益效果为：

1、将测压光纤光栅设置在弹性厚膜片应变最大的中心区域，用于测量在液体压力和温度双重作用下产生的应变；温补光纤光栅设置在弹性厚膜片应变最小的边缘区域，用于测量液压力和温度引起的应变，固定在弹性厚膜片中心的测压光纤光栅波长随液压力增大而增大，固定在弹性厚膜片边缘的温补光纤光栅波长随液压力的增大而减小，因而测压光纤光栅的波长变化中减去温补光纤光栅的波长变化，可以反映液压力的大小，而且既可以消除温度对液压测量的影响，又不会影响传感器的精度；从而达到测量范围广、温度补偿效果好的目的。

2、通过增加缠绕式环形垫片，可以增加空腔密封性，防止高压液体外渗，提高测量准确性。

3、限制光纤光栅的栅区长度小于6mm，以防止膜片应变不均匀造成的光栅啁啾现象。

4、对保护装置进一步限定，结构简单、密封性能好、便于装卸。

附图说明

图1为本发明的结构示意图的前视剖面图；

图2为本发明的弹性厚膜片的俯视图；

图3为本发明的弹性厚膜片的前视剖面图；

图4为本发明的液压灵敏度标定图

图中：1-六角螺母，2-外保护接头，3-外保护接头螺帽，4-护纤套管，5-信号传输光纤，6-保护盖，7-内六角平头螺钉，8-内六角圆头螺钉，9-空腔，10-管路接头，11-薄壁，12-缠绕式环形垫片，13-外保护壳，14-弹性厚膜片，15-胶黏剂，16-测压光纤光栅，17-温补光纤光栅。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1至图3所示，一种测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器包括22mm直径、6.2mm厚度弹性厚膜片14、管路接头10、测压光纤光栅16、温补光纤光栅17和保护装置；其中弹性厚膜片14包括上平面和向下开口的凹面法兰，上平面的中部径向固定有所述的测压光纤光栅16，上平面的边缘部位固定有所述的温补光纤光栅17，凹面法兰与所述的管路接头10法兰连接，管路接头10与凹面法兰之间构成空腔9用于容纳从管路接头10流入的待测液体；所述的保护装置套在所述的弹性厚膜片14外部，并与管路接头10密封连接；所述的弹性厚膜片的定义为厚度和直径之比大于1/15的弹性膜片，本实施例中弹性厚膜片的直径22mm、厚度6.2mm。

优选的，所述的凹面法兰与所述的管路接头10之间设置有缠绕式环形垫片12。

优选的，所述的测压光纤光栅16和温补光纤光栅17的栅区长度均小于6mm。

优选的，所述的保护装置包括位于弹性厚膜片14上部的保护盖6、以及套在弹性厚膜片14周向的外保护壳13，保护盖6与外保护壳13之间固定连接，外保护壳13的底部与所述的管路接头10螺纹连接；所述的保护盖6上设有外保护接头2，所述的测压光纤光栅16和温补光纤光栅17连接的信号传输光纤5通过外保护接头2引出。

进一步优选的，所述的信号传输光纤5套有护纤套管4。

在细节上，本实施例中，所述测压光纤光栅16通过胶黏剂15沿径向粘贴在弹性厚膜片14应变最大的中心区域，用于测量在液体压力和温度双重作用下产生的应变；温补光纤光栅17通过胶黏剂15沿同一径向粘贴在弹性厚膜片14应变最小的边缘区域，用于测量液压力和温度引起的应变，固定在弹性厚膜片14中心的测压光纤光栅16波长随液压力增大而增大，固定在弹性厚膜片14边缘的温补光纤光栅波长随液压力的增大而减小，因而测压光纤光栅16的波长变化中减去温补光纤光栅17的波长变化，可以反映液压力的大小，而且既可以消除温度对液压测量的影响，又不会影响传感器的精度。

所述弹性厚膜片14与管路接头10采用法兰连接，具体连接方式为：弹性厚膜片14的凹面法兰和管路接头10的凸面法兰的中间夹加缠绕式环形垫片12，通过十二颗均匀分布在膜片边缘的内六角圆头螺钉8固定在一起。

所述气外保护壳13底部与管路接头10相连，通过外保护壳13的薄壁11上的螺纹与管路接头10壁上的螺纹旋紧进行固定，密封性好，易于装卸。

所述的保护盖6通过四颗内六角平头螺钉7固定在外保护壳13顶端凹槽中，外保护接头2穿过保护盖6中心圆孔，用六角螺母1固定，外保护接头螺帽3与外保护接头2相连，外保护接头螺帽3内侧壁的螺纹和外保护接头2外侧壁上的螺纹拧紧固定，护纤套管4通过外保护接头2的中间圆孔，从外保护接头螺帽3中间穿出，对信号传输光纤5进行保护性输入输出。

对传感器液压进行加压和卸压实验，实验结果如图4所示，液压传感器在加压、卸压过程中得到的波长差曲线基本重合，说明温补效果良好，线性拟合系数分别为0.998，线性良好，压力灵敏度为12.67pm/MPa，灵敏度良好。

综上所述，本发明具有测量范围广、测量精确度高、温补效果好、结构简单、密封性能好、便于装卸、耐化学腐蚀、抗电磁干扰的特点。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器，其特征在于：它包括弹性厚膜片、管路接头、测压光纤光栅、温补光纤光栅和保护装置；其中弹性厚膜片包括上平面和向下开口的凹面法兰，上平面的中部径向固定有所述的测压光纤光栅，上平面的边缘部位固定有所述的温补光纤光栅，凹面法兰与所述的管路接头法兰连接，管路接头与凹面法兰之间构成空腔用于容纳从管路接头流入的待测液体；所述的保护装置套在所述的弹性厚膜片外部，并与管路接头密封连接；所述的弹性厚膜片的定义为厚度和直径之比大于1/15的弹性膜片。

2.根据权利要求1所述的测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器，其特征在于：所述的凹面法兰与所述的管路接头之间设置有缠绕式环形垫片。

3.根据权利要求1所述的测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器，其特征在于：所述的测压光纤光栅和温补光纤光栅的栅区长度均小于6mm。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器，其特征在于：所述的保护装置包括位于弹性厚膜片上部的保护盖、以及套在弹性厚膜片周向的外保护壳，保护盖与外保护壳之间固定连接，外保护壳的底部与所述的管路接头螺纹连接；所述的保护盖上设有外保护接头，所述的测压光纤光栅和温补光纤光栅连接的信号传输光纤通过外保护接头引出。

5.根据权利要求4所述的测量高压的厚膜式光纤光栅液压传感器，其特征在于：所述的信号传输光纤套有护纤套管。