CN105509957B - 一种光纤光栅压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅压力传感器，包括：压力腔；平膜片，固定在压力腔上；支架，固定在平膜片上，且位于平膜片的中心；第一连接片，固定在支架的一端，其中，第一连接片的一端与支架的顶杆侧面连接，第一连接片的另一端与压力腔的侧壁顶端连接；第一光纤光栅，固定在第一连接片上，第一光纤光栅用于感知平膜片的中心位移，以获得当前压力腔内的压力变化，并通过第一光纤光栅的反射波长的变化反映当前压力腔内的压力变化。与现有技术中的光纤光栅压力传感器相比，本发明提供的光纤光栅压力传感器具有高灵敏度、稳定性好、抗干扰能力强、易于成网等优点。
Description
技术领域
本发明涉及管道/设备内压力监测技术领域，尤其涉及一种光纤光栅压力传感器。
背景技术
光纤光栅传感器是光纤传感器的一种，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息。相比于电子类传感器，光纤光栅传感器更适合用在油气石化工业或高温高压等苛刻环境中。
在现有技术中，光纤光栅传感器大多利用管壁应变变化反算出管道内压力的测量原理，对管道内的压力进行检测(例如：专利号99807831.X)，存在灵敏度低的缺点。
发明内容
本申请实施例提供了一种光纤光栅压力传感器，用于监测管道或设备内的压力，解决了现有技术中的光纤光栅压力传感器存在灵敏度低的技术问题。
本申请实施例提供了一种光纤光栅压力传感器，包括：
压力腔；
平膜片，固定在所述压力腔上；
支架，固定在所述平膜片上，且位于所述平膜片的中心；
第一连接片，固定在所述支架的一端，其中，所述第一连接片的一端与所述支架的顶杆侧面连接，所述第一连接片的另一端与所述压力腔的侧壁顶端连接；
第一光纤光栅，固定在所述第一连接片上，其中，所述第一光纤光栅用于感知所述平膜片的中心位移，以获得当前压力腔内的压力变化，并通过所述第一光纤光栅的反射波长的变化反映所述当前压力腔内的压力变化。
优选地，所述压力腔与被测压管道、或被测压管道容器、或被测压管道设备连通。
优选地，所述压力腔为圆柱形结构。
优选地，所述平膜片的中心与所述支架的底端通过焊接方式连接。
优选地，所述平膜片采用不锈钢、或碳钢、或调质钢、或合金钢、或弹簧钢制成。
优选地，所述支架为倒三角对称结构。
优选地，所述支架采用不锈钢、或碳钢、或调质钢、或合金钢、或弹簧钢制成。
优选地，所述第一连接片的一端与所述支架的顶杆侧面焊接或机械连接，所述第一连接片的另一端与所述压力腔的侧壁顶端焊接或机械连接。
优选地，所述光纤光栅压力传感器，还包括：
第二连接片，与所述第一连接片对称固定在所述支架的另一端，其中，所述第二连接片的一端与所述支架的顶杆侧面连接，所述第二连接片的另一端与所述压力腔的侧壁顶端连接；
第二光纤光栅，固定在所述第二连接片上，且与所述第一光纤光栅通过第一光缆连接，其中，所述第二光纤光栅用于感知所述平膜片的中心位移，以获得当前压力腔内的压力变化，并通过所述第二光纤光栅的反射波长的变化反映所述当前压力腔内的压力变化。
优选地，所述第二连接片的一端与所述支架的顶杆侧面焊接或机械连接，所述第二连接片的另一端与所述压力腔的侧壁顶端焊接或机械连接。
优选地，在所述压力腔的侧壁顶端的与所述第一连接片和所述第二连接片的连接处，具有与所述每个连接片宽度相同的平面。
优选地，所述支架的顶杆的一端与所述压力腔一侧的侧壁顶端的平面处于相同的平面上，所述支架的顶杆的另一端与所述压力腔另一侧的侧壁顶端的平面处于相同的平面上。
优选地，所述第一光纤光栅通过粘贴或低温焊接的方式，固定在所述第一连接片上；所述第二光纤光栅通过粘贴或低温焊接的方式，固定在所述第二连接片上。
优选地，在所述第一连接片上设置有第一V型凹槽，所述第一光纤光栅通过粘贴或低温焊接的方式固定在所述第一V型凹槽中；在所述第二连接片上设置有第二V型凹槽，所述第二光纤光栅通过粘贴或低温焊接的方式固定在所述第二V型凹槽中。
优选地，所述第一V型凹槽开设在所述第一连接片的两面中的任一面上；所述第二V型凹槽开设在所述第二连接片的两面中的任一面上。
优选地，所述第一V型凹槽和所述第二V型凹槽可以通过机械冲压、或化学腐蚀、或离子刻蚀的方法制成。
优选地，所述光纤光栅压力传感器，还包括：
第三光纤光栅，设置在所述压力腔的侧壁上，且位于所述第一光纤光栅下方，所述第三光纤光栅的一端与所述第一光纤光栅的另一端通过第二光缆连接，其中，所述第三光纤光栅用于检测所述当前环境的温度变化，并对所述第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射波长的变化中的由所述当前环境的温度变化引起的波长漂移进行补偿。
优选地，所述光纤光栅压力传感器，还包括：
外壳，所述压力腔、所述平膜片、所述支架、所述第一连接片和所述第二连接片、所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅、以及所述第三光纤光栅都设置在所述外壳内；
其中，在所述外壳的底部开设有一小孔，所述第二光纤光栅的另一端与第三光缆的一端连接，所述第三光缆的另一端从所述小孔伸出，所述第三光缆的另一端用于输出所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅的反射波长发生的变化。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，与现有技术中利用管道外壁应变测量管道内压力的光纤光栅压力传感器相比，由于平膜片中心点的位移(挠度)大于现有技术中的管壁本身应变，所以同样压力变化引起的光栅应变量会大于现有技术中的光栅应变量，这直接导致本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器的灵敏度将大于现有技术中的光纤光栅压力传感器的灵敏度。所以，本申请有效地解决了现有技术中的光纤光栅压力传感器存在灵敏度低的技术问题，实现了提高光纤光栅压力传感器灵敏度的技术效果。
2、本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，其压力-位移传递机构为一个对称的支架，支架两端均安装有第一光纤光栅和第二光纤光栅，测量时可以取两者的平均值作为最终测量值，以减小随机误差。且支架有左右两个支撑杆，为倒三角对称结构，增强了结构稳定性。
3、本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，其中还设置有第三光纤光栅，用于进行温度补偿，实际测量时根据第三光纤光栅的波长值消除由于温度变化引起的传感器波长漂移，提高了测量精度。
4、本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，其应用场合包括所有的需要测量内部压力的管道、容器和设备，传感器测量值为表压，应用范围广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中光纤光栅压力传感器的侧面剖视图；
图2为本申请实施例中光纤光栅压力传感器的俯视剖视图；
图3为本申请实施例中光纤光栅压力传感器的光栅波长随管道内压力的变化示意图。
标记说明：10-外壳、20-压力腔、30-平膜片、40-支架、51-第一连接片、52-第二连接片、61-第一光纤光栅、62-第二光纤光栅、63-第三光纤光栅、71-第一光缆、72-第二光缆、73-第三光缆、80-小孔。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种光纤光栅压力传感器，用于监测管道或设备内的压力，解决了现有技术中的光纤光栅压力传感器，存在灵敏度低的技术问题，具有高灵敏度、良好稳定性、抗电磁干扰、易于成网等优点。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种光纤光栅压力传感器，包括：
压力腔；平膜片，固定在所述压力腔上；支架，固定在平膜片上，且位于平膜片的中心；第一连接片，固定在支架的一端，其中，第一连接片的一端与支架的顶杆侧面连接，第一连接片的另一端与压力腔的侧壁顶端连接；第一光纤光栅，固定在第一连接片上，第一光纤光栅用于感知平膜片的中心位移，以获得当前压力腔内的压力变化，并通过第一光纤光栅的反射波长的变化反映当前压力腔内的压力变化。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
本实施例提供了一种光纤光栅压力传感器，与被测压管道、或被测压管道容器、或被测压管道设备连通，用于对被测压管道、或被测压管道容器、或被测压管道设备内的压力进行检测。
进一步，如图1-2所示，所述光纤光栅压力传感器，包括：
压力腔20，与被测压管道、或被测压管道容器、或被测压管道设备连通；
平膜片30，固定在压力腔20上；
支架40，固定在平膜片30上，且位于平膜片30的中心；
第一连接片51和第二连接片52，对称固定在支架40的两端；其中，第一连接片51和第二连接片52中的每个连接片的一端(上端)都与支架40的顶杆侧面连接(例如：焊接或机械连接)，且每个连接片的另一端(下端)都与压力腔20的侧壁顶端连接(例如：焊接或机械连接)；
第一光纤光栅61和第二光纤光栅62，第一光纤光栅61固定在第一连接片51上，第二光纤光栅62固定在第二连接片52上，第一光纤光栅61的一端(上端)与第二光纤光栅62的一端(上端)通过第一光缆71连接，第一光纤光栅61和第二光纤光栅62用于感知平膜片30的中心位移，以获得当前压力腔内的压力变化，并通过第一光纤光栅61和第二光纤光栅62的反射波长的变化反映当前环境的压力变化。
在具体实施过程中，平膜片30可以作为压力腔20的一部分，与压力腔20一体化加工而成；平膜片30也可以是单独加工后焊接在压力腔20上。
在具体实施过程中，压力腔20为圆柱形结构，在压力腔20的侧壁顶端的与每个连接片(即：第一连接片51和第二连接片52)的连接处，都具有与每个连接片宽度相同的平面，这样便于将第一连接片51和第二连接片52焊接在压力腔20的侧壁顶端。
在具体实施过程中，支架40可以为倒三角对称结构。支架40也可以为其他类型的可安装更多光纤光栅的轴对称结构，进而使得感知位移变化的光纤光栅数量也随之变化，从而进一步提高灵敏度。
在具体实施过程中，支架40的顶杆的一端(左端)与压力腔20一侧(左侧)的侧壁顶端平面处于相同的平面上，支架40的顶杆的另一端(右端)与压力腔20另一侧(右侧)的侧壁顶端平面处于相同的平面上(即：支架40顶杆两端与压力腔20左右两侧外壁处于同一平面上)。这样，能够保持第一连接片51和第二连接片52竖直。支架40可以采用不锈钢、或碳钢、或调质钢、或合金钢、或弹簧钢等材料制成，其中，优选弹性模量高的材料。
本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，其压力-位移传递机构为一个对称的支架40，支架40两端均安装有光纤光栅(即：第一光纤光栅61和第二光纤光栅62)，测量时可以取两者的平均值作为最终测量值，以减小随机误差。且支架40有左右两个支撑杆，为倒三角对称结构，增强了结构稳定性。
在具体实施过程中，平膜片30的中心与支架40的底端通过焊接方式连接，平膜片30可以采用不锈钢、或碳钢、或调质钢、或合金钢、或弹簧钢等材料制成，其中，优选弹性模量高的材料。
在具体实施过程中，第一光纤光栅61和第二光纤光栅62通过粘贴或焊接的方式，分别固定在第一连接片51上和第二连接片52上。
在具体实施过程中，在第一连接片51上设置有第一V型凹槽，以方便定位，第一光纤光栅61通过粘贴或焊接的方式固定在第一V型凹槽中；在第二连接片52上设置有第二V型凹槽，以方便定位，第二光纤光栅62通过粘贴或焊接的方式固定在第二V型凹槽中。其中，第一V型凹槽可以开设在第一连接片51的两面中的任一面上，第二V型凹槽可以开设在第二连接片52的两面中的任一面上。第一V型凹槽和第二V型凹槽可以通过机械冲压、或化学腐蚀、或离子刻蚀的方法制成。
在生产过程中，将第一光纤光栅51放置在第一V型凹槽中，粘贴时采用高强度结构胶均匀填满整个第一V型槽，结构胶凝固稳定后再将第一连接片51焊接到支架40和压力腔20上；将第二光纤光栅62放置在第二V型凹槽中，粘贴时采用高强度结构胶均匀填满整个第二V型槽，结构胶凝固稳定后再将第二连接片52焊接到支架40和压力腔20上。
在具体实施过程中，在所述光纤光栅压力传感器外部设置有一外壳10，起到保护作用。压力腔20、平膜片30、支架40、第一连接片51和第二连接片52、第一光纤光栅61和第二光纤光栅62、以及第三光纤光栅63、第一光缆71、第二光缆72、第三光缆73等部件都设置在外壳10内。在外壳10的底部开设有一小孔80，第二光纤光栅62的另一端(下端)与第三光缆73的一端(上端)连接，第三光缆73的另一端(下端)从小孔80伸出，第三光缆73的另一端(下端)用于输出第一光纤光栅61、第二光纤光栅62和第三光纤光栅63的反射波长发生的变化。
作为一种可选的实施方式，在具体实施过程中，所述光纤光栅压力传感器，还包括：
第三光纤光栅63，设置在压力腔20的侧壁上，且位于第一光纤光栅61下方，第三光纤光栅63的一端(上端)与第一光纤光栅61另一端(下端)通过第二光缆72连接，第三光纤光栅63用于检测当前环境的温度变化，并对第一光纤光栅61和第二光纤光栅62的反射波长的变化中的由当前环境的温度变化引起的波长漂移进行补偿。实际测量时，可以根据第三光纤光栅63的波长值消除由于温度变化引起的波长漂移，提高了测量精度。
本光纤光栅压力传感器的原理为：当管道或者设备内部压力P变化时，压力腔20内部压力随之变化。平膜片30中心相对于压力腔20侧壁顶端在压力的作用下会产生一个相对的位移L，该位移通过支架40传递到两个光纤光栅(即：第一光纤光栅61、第二光纤光栅62)。位移L的大小即是顶端两支光纤光栅(即：第一光纤光栅61和第二光纤光栅62)的伸长量或收缩量，使这两支光纤光栅产生一个可感知的应变ε。通过检测第一光纤光栅61和第二光纤光栅62的反射波长变化Δλ可以感知应变ε的大小，进而可以反推出位移L，最后反推出压力P的变化。同时，第三光纤光栅63用于测量当前环境温度T，以补偿因为温度变化引起的光纤光栅波长的漂移。实际上，可以将本光纤光栅压力传感器与活塞压力计连通，对Δλ与P、T进行标定，由标定数据拟合得到Δλ与P、T的相关系数，应用时直接根据标定系数计算压力P即可。
与现有技术中利用管道外壁应变测量管道内压力的光纤光栅压力传感器相比，本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器由于平膜片30中心点的位移(挠度)大于现有技术中的管壁本身应变，所以同样压力变化引起的光栅应变量会大于现有技术中的光栅应变量，这直接导致本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器的灵敏度将大于现有技术中的光纤光栅压力传感器的灵敏度。
如图3所示，图3为本申请实施例中光纤光栅压力传感器的光栅波长随管道内压力的变化示意图。对比现有技术中的光纤光栅压力传感器，本申请实施例中提供的光纤光栅压力传感器的测量灵敏度为991.48pm/MPa，是现有技术的7.48倍。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
1、本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，与现有技术中利用管道外壁应变测量管道内压力的光纤光栅压力传感器相比，由于平膜片中心点的位移(挠度)大于现有技术中的管壁本身应变，所以同样压力变化引起的光栅应变量会大于现有技术中的光栅应变量，这直接导致本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器的灵敏度将大于现有技术中的光纤光栅压力传感器的灵敏度。所以，本申请有效地解决了现有技术中的光纤光栅压力传感器存在灵敏度低的技术问题，实现了提高光纤光栅压力传感器灵敏度的技术效果。
2、本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，其压力-位移传递机构为一个对称的支架，支架两端均安装有第一光纤光栅和第二光纤光栅，测量时可以取两者的平均值作为最终测量值，以减小随机误差。且支架有左右两个支撑杆，为倒三角对称结构，增强了结构稳定性。
3、本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，其中还设置有第三光纤光栅，用于进行温度补偿，实际测量时根据第三光纤光栅的波长值消除由于温度变化引起的传感器波长漂移，提高了测量精度。
4、本申请实施例所提供的光纤光栅压力传感器，其应用场合包括所有的需要测量内部压力的管道、容器和设备，传感器测量值为表压，应用范围广泛。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括：
压力腔，所述压力腔与被测压管道、或被测压管道容器、或被测压管道设备连通；
平膜片，固定在所述压力腔上；
支架，固定在所述平膜片上，且位于所述平膜片的中心，所述支架为倒三角对称结构；所述支架的顶杆的一端与所述压力腔一侧的侧壁顶端的平面处于相同的平面上，所述支架的顶杆的另一端与所述压力腔另一侧的侧壁顶端的平面处于相同的平面上；
第一连接片，固定在所述支架的一端，其中，所述第一连接片的一端与所述支架的顶杆侧面连接，所述第一连接片的另一端与所述压力腔的侧壁顶端连接；
第一光纤光栅，固定在所述第一连接片上，其中，所述第一光纤光栅用于感知所述平膜片的中心位移，以获得当前压力腔内的压力变化，并通过所述第一光纤光栅的反射波长的变化反映所述当前压力腔内的压力变化；
第二连接片，与所述第一连接片对称固定在所述支架的另一端，其中，所述第二连接片的一端与所述支架的顶杆侧面连接，所述第二连接片的另一端与所述压力腔的侧壁顶端连接；
在所述压力腔的侧壁顶端的与所述第一连接片和所述第二连接片的连接处，具有与每个连接片宽度相同的平面；
第二光纤光栅，固定在所述第二连接片上，且与所述第一光纤光栅通过第一光缆连接，其中，所述第二光纤光栅用于感知所述平膜片的中心位移，以获得当前压力腔内的压力变化，并通过所述第二光纤光栅的反射波长的变化反映所述当前压力腔内的压力变化；
在所述第一连接片上设置有第一V型凹槽，所述第一光纤光栅通过粘贴或低温焊接的方式固定在所述第一V型凹槽中；在所述第二连接片上设置有第二V型凹槽，所述第二光纤光栅通过粘贴或低温焊接的方式固定在所述第二V型凹槽中；
第三光纤光栅，设置在所述压力腔的侧壁上，且位于所述第一光纤光栅下方，所述第三光纤光栅的一端与所述第一光纤光栅的另一端通过第二光缆连接，其中，所述第三光纤光栅用于检测所述当前环境的温度变化，并对所述第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射波长的变化中的由所述当前环境的温度变化引起的波长漂移进行补偿；
外壳，所述压力腔、所述平膜片、所述支架、所述第一连接片和所述第二连接片、所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅、以及所述第三光纤光栅都设置在所述外壳内；其中，在所述外壳的底部开设有一小孔，所述第二光纤光栅的另一端与第三光缆的一端连接，所述第三光缆的另一端从所述小孔伸出，所述第三光缆的另一端用于输出所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅的反射波长发生的变化。
2.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压力腔为圆柱形结构。
3.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述平膜片的中心与所述支架的底端通过焊接方式连接。
4.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述平膜片采用不锈钢、或碳钢、或调质钢、或合金钢、或弹簧钢制成。
5.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述支架采用不锈钢、或碳钢、或调质钢、或合金钢、或弹簧钢制成。
6.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第一连接片的一端与所述支架的顶杆侧面焊接或机械连接，所述第一连接片的另一端与所述压力腔的侧壁顶端焊接或机械连接。
7.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第二连接片的一端与所述支架的顶杆侧面焊接或机械连接，所述第二连接片的另一端与所述压力腔的侧壁顶端焊接或机械连接。
8.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅通过粘贴或低温焊接的方式，固定在所述第一连接片上；所述第二光纤光栅通过粘贴或低温焊接的方式，固定在所述第二连接片上。
9.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第一V型凹槽开设在所述第一连接片的两面中的任一面上；所述第二V型凹槽开设在所述第二连接片的两面中的任一面上。
10.如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第一V型凹槽和所述第二V型凹槽可以通过机械冲压、或化学腐蚀、或离子刻蚀的方法制成。
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2016
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