CN105606295A - 一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，包括可实现高密度分布式应变测量的光纤传感器和多腔体中空薄膜，所述光纤传感器顺次穿过多腔体中空薄膜的各个真空密封腔体，所述真空密封腔体上的应变测量值反映待测量位置的压力，进而获得压力分布。本发明实现流体的分布式压力测量，生成结构表面压力场。本发明的优点在于：实现流体压力的高密度分布式测量；结构简单，易做成薄膜，覆盖于结构表面，不影响结构刚度；容易适应曲面覆盖。

Description

一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器
技术领域
本发明涉及传感器测量领域，尤其涉及一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器。
背景技术
机翼是飞机上用来产生升力的主要部件，其健康状态直接影响飞机的飞行状态和安全。当飞机飞行在空中，就会产生作用于飞机的空气动力，偶尔出现强对流气流，风向突然改变，对飞机特别是机翼产生复杂的冲击力，这可能使机翼产生损伤，成为飞机的安全隐患。机翼的表面压力主要来自于空气气流，所以设计一种用于流体压力测试的传感器具有重要的理论意义和实际应用价值。
光纤测量和传感技术以其防爆、抗电磁干扰和易于实现分布式布置等独特优点而越来越被广泛应用。目前的光纤传感器设计，如果将其应用于飞机机翼表面压力监测主要存在以下几个问题：1)近年来，采用光纤光栅制作的传感器因为抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度的优点，已经在单点传感领域得到广泛应用，但是受入射光带宽的限制，测点仍然较少，在分布式多点检测领域，尤其是测点较多的情况下，还是难于应付；2)光纤拉曼传感器目前只能进行温度检测，对压力和其他物理量不敏感；3)光纤布里渊传感器能同时测量温度和应变，而且能实现光纤沿线的分布式测量，但分辨率仍然较低。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，包括可实现高密度分布式应变测量的光纤传感器和多腔体中空薄膜，所述光纤传感器顺次穿过多腔体中空薄膜的各个真空密封腔体，所述真空密封腔体上的应变测量值反映待测量位置的压力，进而获得压力分布。
所述多腔体中空薄膜中的腔体采用单排设置或者多排设置。
所述光纤传感器的一端与解调模块相连接、实时将光纤传感器检测到的光信号信息传送至解调模块，所述解调模块与计算机数据通信，所述解调模块采用光频域反射计OFDR。
所述真空密封腔体依次排列，相邻真空密封腔体之间通过带孔软性薄膜或者软性粘合剂等方式进行铰式连接。
所述真空密封腔体包括弹性膜片，所述弹性膜片采用周边固定的方式连接在中空敞口壳体的敞口端面上，所述壳体的侧壁与外部空间之间设有两个过线孔。
所述真空密封腔体的中间横截面的面积大于两端横截面的面积。
所述弹性膜片与中空敞口壳体的连接处进行密封设置。
所述光纤传感器顺次穿过各个真空密封腔体的过线孔，，经过真空密封腔体内部的部分粘贴在弹性膜片上。
所述过线孔在光纤传感器穿过之后进行密封处理。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，本发明实现流体的分布式压力测量，生成结构表面压力场。本发明的优点在于：实现流体压力的高密度分布式测量；结构简单，易做成薄膜，覆盖于结构表面，不影响结构刚度；容易适应曲面覆盖。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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为本发明分布式薄膜压力传感器线式分布示意图(带孔薄膜铰式连接)；
图2为本发明分布式薄膜压力传感器面式分布示意图(带孔薄膜铰式连接)；
图3为本发明真空密封腔体结构示意图；
图4为本发明分布式薄膜压力传感器线式分布示意图(粘合剂式铰式连接)；
图5为本发明分布式薄膜压力传感器面式分布示意图(粘合剂式铰式连接)。
图中：1可实现高密度分布式应变测量的光纤传感器；2，多腔体中空薄膜；3，带孔软性薄膜；4，真空密封腔体；5，弹性膜片；6，过线孔；7，中空敞口壳体；8，解调模块；9，软性粘合剂。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1、图2、图4、图5所示的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，包括光纤传感器1和多腔体中空薄膜2，光纤传感器1顺次穿过多腔体中空薄膜2的各个真空密封腔体4，真空密封腔体4上的应变测量值反映待测量位置的压力，进而获得压力分布。
进一步的，多腔体中空薄膜2包括若干真空密封腔体4，所述真空密封腔体4依次排列，相邻真空密封腔体4之间进行柔性铰式连接。
如图1和图3所示，相邻真空密封腔体4之间的柔性铰式连接可以包括一种带孔软性薄膜3，所述带孔薄膜3是由薄膜上开有若干小孔的薄膜，每一个小孔对应于一个真空密封腔体4，每一个小孔的面积应小于真空密封腔体4的最大横截面积，所述小孔的边缘沿最大横截面嵌入真空密封腔体4的侧壁中。
如图4和5所示，相邻真空密封腔体4之间的柔性铰式连接也可以使用软性粘合剂9粘接。
进一步的，多腔体中空薄膜2中的腔体采用单排设置或者多排设置。如图1和图4所示，利用单排腔体薄膜压力传感器，即线式压力传感器，可以获取压力在曲线范围内的分布情况；如图2和图5所示，利用多排腔体薄膜压力传感器，即面式压力传感器，可以测定压力在曲面范围内的分布情况。
进一步的，光纤传感器1的一端与解调模块8相连接、实时将光纤传感器1检测到的光信号信息传送至解调模块8，解调模块8与计算机数据通信，所述解调模块8采用光频域反射计OFDR。
进一步的，真空密封腔体4包括弹性膜片5，弹性膜片5采用周边固定的方式连接在中空敞口壳体7的敞口端面上，壳体7的侧壁与外部空间之间设有两个过线孔6。
优选的，弹性膜片5为圆形弹性膜片。
进一步的，真空密封腔体4的中间横截面的面积大于两端横截面的面积，
优选的，真空密封腔体4为鼓型装置。
进一步的，圆形弹性膜片5与中空敞口壳体7的连接处进行密封设置。
进一步的，光纤传感器1顺次穿过各个真空密封腔体4的过线孔6。
优选的，光纤传感器1沿着圆形弹性膜片5的直径粘贴，该部分为测量数据的有用部分。
所述过线孔6在光纤传感器1穿过之后进行密封处理。
本发明一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器工作原理为：当真空密封腔体4内外产生气压差，弹性膜片5产生相应的形变。运用光纤传感器1测得的应变值，结合应变测量值与流体压力之间的转换关系反推气压差，即待测点压力值。
基于以上实施例的流体压力测量步骤：
步骤一、按照待测结构的实际情况设计分布式薄膜压力传感器。
步骤二、安装分布式薄膜压力传感器，本发明装置的安装可以通过以下方式实现：粘接、螺栓连接、磁性吸附等。
步骤三、连接所述传感器与基于背向瑞利散射的光频域解调与分析系统，运用热点法对光纤上的关键点进行标定。
步骤四、测量得出光纤测得的应变-位置关系曲线。
步骤五、由步骤四得到的测量段应变值，结合本实施例应变测量值与流体压力之间的转换关系
q 0 = 8 Eδ 3 ϵ r 3 ( 1 - μ 2 ) ( R 2 - 3 r 2 )
其中，q0为圆形弹性膜片5表面所受均布力；εr为圆形弹性膜片5的径向应变；δ为圆形弹性膜片5的厚度；E为圆形弹性膜片5的弹性模量；μ为圆形弹性膜片5的泊松比；R是圆形弹性膜片5的半径；r为测点与圆心之间的距离。
将圆形弹性膜片5上多个测点的结果取平均值即可得到单个真空密封真空密封腔体4覆盖处的压力值。
步骤六、借助图像处理手段，通过插值方法估算压力场。
本发明不仅局限于飞机机翼表面的气流压力场监测，可广泛的应用于各个领域流体压力场的测量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，其特征在于包括：可实现高密度分布式应变测量的光纤传感器(1)和多腔体中空薄膜(2)，所述光纤传感器(1)顺次穿过多腔体中空薄膜(2)的各个真空密封腔体(4)，所述真空密封腔体(4)上的应变测量值反映待测量位置的压力，进而获得压力分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，其特征还在于：所述多腔体中空薄膜(2)中的腔体采用单排设置或者多排设置。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，其特征还在于：所述光纤传感器(1)的一端与解调模块(8)相连接、实时将光纤传感器(1)检测到的光信号信息传送至解调模块(8)，所述解调模块(8)与计算机数据通信，所述解调模块(8)采用光频域反射计OFDR。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，其特征还在于：所述真空密封腔体(4)依次排列，相邻真空密封腔体(4)之间进行铰式连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，其特征还在于：所述真空密封腔体(4)包括弹性膜片(5)，所述弹性膜片(5)采用周边固定的方式连接在中空敞口壳体(7)的敞口端面上，所述壳体(7)的侧壁与外部空间之间设有两个过线孔(6)。
6.根据权利要求5所述的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，其特征还在于：所述真空密封腔体(4)的中间横截面的面积大于两端横截面的面积。
7.根据权利要求5所述的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，其特征还在于：所述弹性膜片(5)与中空敞口壳体(7)的连接处进行密封设置。
8.根据权利要求5所述的一种基于光纤背向瑞利散射的分布式薄膜压力传感器，其特征还在于：所述光纤传感器(1)顺次穿过各个真空密封腔体(4)的过线孔(6)，经过真空密封腔体(4)内部的部分粘贴在弹性膜片(5)上。
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