CN105606296A - 一种带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，包括保护壳体和透水石壳体，保护壳体内安装有光纤固定基座，光纤固定基座的一端为刚性结构，光纤固定基座的另一端为弹性结构，刚性结构的一端固定有温度光纤光栅，弹性结构的一端固定有压力光纤光栅，光纤固定基座与压力光纤光栅的连接处安装有弹性调节装置，压力光纤光栅的外部为光纤固定基座尾端的弹性膜片。本发明抗干扰能力强、灵敏度高、精度高、性能稳定，可以自温度补偿，可同时测量温度及液体压力。弹性膜片线性性能好，在微小压力下即可产生较好变形，故具有极好的灵敏度。本发明还具有较好的防护结构及良好的防水防潮性能，能够适用于恶劣环境下的使用。

Description

一种带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器
技术领域
本发明属于渗压传感器技术领域，特别涉及一种带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器。
背景技术
渗压传感器用于监测岩土工程和其它混凝土建筑物的渗透水压力，适用于长期埋设在水工建筑物或其它建筑物内部及其基础，或安装在测压管内，测量结构物内部及基础的渗透水压力。也可用于水库水位或边坡地下水位的测量，传统常用的电类传感器在野外使用时易受雷击，在复杂电磁环境下受干扰严重难以正常工作，同时测量信号不易远距离传输。光纤式渗压传感器抗雷击、抗电磁干扰能力强，可在各种恶劣环境中使用，同时现场无需供电，光纤信号可长距离传输，十分适用于长距离引供水工程等现场供电困难的监测领域。传感器可采用波分复用、时分复用等通讯复用技术组成准分布式网络，一根光纤即可传输信号，相对传统电类传感器节省大量电缆。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，以达到抗雷击、抗电磁干扰能力强，结构简单、性能稳定、自带温度补偿、具备微调装置的目的。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，包括保护壳体和透水石壳体，所述保护壳体内安装有光纤固定基座，所述光纤固定基座的一端为刚性结构，光纤固定基座的另一端为弹性结构，所述刚性结构的一端固定有温度光纤光栅，所述弹性结构的一端固定有压力光纤光栅，所述光纤固定基座与压力光纤光栅的连接处安装有弹性调节装置，所述压力光纤光栅的外部为光纤固定基座尾端的弹性膜片；所述保护壳体近温度光纤光栅的一端连接有光栅尾纤，且光栅尾纤伸出于保护壳体，所述保护壳体外部近压力光纤光栅的一端连接有透水石。
进一步的，所述光纤固定基座与压力光纤光栅的连接处安装有弹性调节装置。
进一步的，所述弹性调节装置8为带有微调旋钮的微量位移弹性调节装置，所述微调旋钮能够调节的微量位移为十微米级别的位移。。
进一步的，所述弹性膜片为中空的柱状结构，弹性膜片上设有内螺纹与光纤固定基座相连接，弹性膜片的尾端中心设有托台。
进一步的，所述压力光纤光栅的尾端固定于托台内，压力光纤光栅首端固定于光纤固定基座。
进一步的，所述压力光纤光栅首尾两端固定点的距离为L1，在温度升高时，压力光纤光栅本身温度系数为□，温度升高导致波长变大，波长λ1＝□*ΔT，其中ΔT为温度变化，而由于光纤固定基座的热膨胀导致压力光纤光栅向着弹性膜片的方向收缩，收缩位移为线膨胀系数A*ΔT，压力光纤光栅因此会产生波长变小，波长λ2＝A*ΔT/L1*P，其中P为光栅应变系数，压力光纤光栅的温度、应变系数均是一定值，，各个部件的材料确定后，线膨胀系数A则也为确定值，故只需要控制L1即可使λ1与λ2产生的波长变化相抵消补偿温度影响。
进一步的，所述弹性膜片与压力光纤光栅之间通过光学胶或者微激光焊接连接。
进一步的，所述光纤固定基座固定温度光纤光栅的一端为刚性结构；所述光纤固定基座连接压力光纤光栅的一端为弹性结构。
进一步的，所述保护壳体与弹性膜片的接缝处设置有密封圈或者焊接密封。
进一步的，所述透水石外设置有透水石壳体。
进一步的，所述保护壳体和透水石壳体之间设置有螺纹固定连接。
进一步的，所述光栅尾纤和保护壳体的连接部分外包裹有密封保护套管。
有益效果：本发明提供的光纤式渗压传感器，抗干扰能力强、灵敏度高、精度高、性能稳定，可以自温度补偿，可同时测量温度及液体压力。弹性膜片线性性能好，在微小压力下即可产生较好变形，故具有极好的灵敏度，本发明还能进行温度自补偿，消除了压力光栅受温度影响导致测量精度降低的问题。同时带有初始位置调节装置，解决了光栅固结过程中需要承受较高预应力及固化过程中可能产生松弛的问题，只需在光栅固结完成后微调弹性调节装置即可调整光栅初始波长，保证测量范围，同时通过控制弹性膜片的厚度即可实现不同量程的渗压传感器设计。栅区无胶层，固化过程中不会受到不均匀应力影响，解决了光纤光栅封装过程中波形变形的问题，提高了成品率。本发明具有较好的防护结构及良好的防水防潮性能，能够适用于恶劣环境下的使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1-光栅尾纤，2-保护壳体，3-光纤固定基座，4-弹性膜片，5-透水石，6-透水石壳体，7-压力光纤光栅，8-弹性调节装置，9-温度光纤光栅，10-密封保护套管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，包括保护壳体2和透水石壳体6，所述保护壳体2内安装有光纤固定基座3，所述光纤固定基座3的一端为刚性结构，光纤固定基座3的另一端为弹性结构，所述刚性结构的一端固定有温度光纤光栅9，所述弹性结构的一端固定有压力光纤光栅7，所述光纤固定基座3与压力光纤光栅7的连接处安装有弹性调节装置8，所述压力光纤光栅7的外部为光纤固定基座3尾端的弹性膜片4；所述保护壳体2近温度光纤光栅9的一端连接有光栅尾纤1，且光栅尾纤1伸出于保护壳体2，所述保护壳体2外部近压力光纤光栅7的一端连接有透水石5。
所述光纤固定基座3与压力光纤光栅7的连接处安装有弹性调节装置8，调节弹性调节装置8可使压力光纤光栅7产生微小位移，以调节压力光纤光栅7的初始拉升力及波长，保证在全测量范围内压力光纤光栅7都处于张紧状态。
所述弹性调节装置8为带有微调旋钮的微量位移弹性调节装置，所述微调旋钮能够调节的微量位移为十微米级别的位移，弹性调节装置8可调节压力光纤光栅7的张紧量及初始波长，保证在测量范围内压力光栅始终处于张紧状态，调节弹性体调节旋钮可使光纤基座固定压力光纤光栅7一端产生微量变形，拉升压力光纤光栅7以调节压力光纤光栅7初始波长，保证测量范围。
所述光纤固定基座3固定安装压力光纤光栅7的一端为弹性体结构，该弹性体结构刚度较小，弹性体调节装置8通过调节旋钮微调节可以给光纤固定基座3施加一定拉力并产生微量变形，可精确调节压力光纤光栅7的初始位置及波长变化量。
所述弹性膜片4为中空的柱状结构，弹性膜片4上设有内螺纹与光纤固定基座3相连接，弹性膜片4的尾端中心设有托台，弹性膜片4由一种高强度、高硬度、抗腐蚀、弹性性能好的不锈钢材料经过高温热处理后加工而成，弹性膜片4在极小压力下即能产生变形，外界液压导致弹性膜片4产生微小变形，从而导致压力光纤光栅7波长发生变化，通过测量波长变化可测量外界压力。
所述弹性膜片4安装于保护壳体2内部，保护壳体2与弹性膜片4的接缝处采用密封圈或者焊接方式密封。
所述压力光纤光栅7的尾端固定于托台内，压力光纤光栅7首端固定于光纤固定基座3，压力光纤光栅7在施加一定预紧力后一端固定于压力光纤光栅7，另一端固定于弹性膜片尾端凸起的托台内。
所述压力光纤光栅7首尾两端固定点的距离为L1，在温度升高时，压力光纤光栅7本身温度系数为□，温度升高导致波长变大，波长λ1＝□*ΔT，其中ΔT为温度变化，而由于光纤固定基座3的热膨胀导致压力光纤光栅7向着弹性膜片4的方向收缩，收缩位移为线膨胀系数A*ΔT，压力光纤光栅7因此会产生波长变小，波长λ2＝A*ΔT/L1*P，其中P为光栅应变系数，压力光纤光栅7的温度、应变系数均是一定值，各个部件的材料确定后，线膨胀系数A则也为确定值，故只需要控制L1即可使λ1与λ2产生的波长变化相抵消补偿温度影响。
所述弹性膜片4与压力光纤光栅7之间通过光学胶或者微激光焊接连接。
所述光纤固定基座3固定温度光纤光栅9的一端为刚性结构，温度光纤光栅9松弛的固定于光纤固定基座3上；所述光纤固定基座3连接压力光纤光栅7的一端为弹性结构，弹性结构具备一定的热膨胀系数可以补偿压力光纤光栅7的温度效应，在温度变化时，弹性结构膨胀导致压力光纤光栅7收缩抵消压力光栅的温度效应。
所述光纤固定基座3为弹性结构的一端，用于固定压力光纤光栅7，压力光纤光栅7两个固结点的距离L1，在温度升高时，光栅的热光效应导致波长变大，但光纤固定基座3由于向光栅缩短的方向热膨胀会压缩光纤光栅以消除光栅本身温度效应导致的波长变化，通过调节弹性体调节装置8，，从而改变压力光纤光栅7两个固结点的距离L1，即能够消除压力光纤光栅7所受温度影响，大大提高压力测量的精度。
所述透水石5外设置有透水石壳体6。
所述保护壳体2和透水石壳体6之间设置有螺纹固定连接。
所述光栅尾纤1和保护壳体2的连接部分外包裹有密封保护套管10，密封保护套管10将光栅尾纤1与保护壳体2连接部分保护并密封。
本发明结构简单，可同时测量压力及温度，同时压力光纤光栅7和温度光纤光栅9均被良好的保护起来，不易被损坏，适合在恶劣环境中长期工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：包括保护壳体(2)和透水石壳体(6)，所述保护壳体(2)内安装有光纤固定基座(3)，所述光纤固定基座(3)的一端为刚性结构，光纤固定基座(3)的另一端为弹性结构，所述刚性结构的一端固定有温度光纤光栅(9)，所述弹性结构的一端固定有压力光纤光栅(7)，所述光纤固定基座(3)与压力光纤光栅(7)的连接处安装有弹性调节装置(8)，所述压力光纤光栅(7)的外部为光纤固定基座(3)尾端的弹性膜片(4)；所述保护壳体(2)近温度光纤光栅(9)的一端连接有光栅尾纤(1)，且光栅尾纤(1)伸出于保护壳体(2)，所述保护壳体(2)外部近压力光纤光栅(7)的一端连接有透水石(5)。
2.根据权利要求1所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述弹性调节装置(8)为带有微调旋钮的微量位移弹性调节装置，所述微调旋钮能够调节的微量位移为十微米级别的位移。
3.根据权利要求1所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述弹性膜片(4)为中空的柱状结构，弹性膜片(4)上设有内螺纹与光纤固定基座(3)相连接，弹性膜片(4)的尾端中心设有托台。
4.根据权利要求1所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述压力光纤光栅(7)的尾端固定于托台内，压力光纤光栅(7)首端固定于光纤固定基座(3)。
5.根据权利要求4所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述压力光纤光栅(7)首尾两端固定点的距离为L1，在温度升高时，压力光纤光栅(7)本身温度系数为□，温度升高导致波长变大，波长λ1＝□*ΔT，其中ΔT为温度变化，而由于光纤固定基座(3)的热膨胀导致压力光纤光栅(7)向着弹性膜片(4)的方向收缩，收缩位移为线膨胀系数A*ΔT，压力光纤光栅(7)因此会产生波长变小，波长λ2＝A*ΔT/L1*P，其中P为光栅应变系数，压力光纤光栅(7)的温度、应变系数均是一定值，各个部件的材料确定后，线膨胀系数A则也为确定值，故只需要控制L1即可使λ1与λ2产生的波长变化相抵消补偿温度影响。
6.根据权利要求1所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述弹性膜片(4)与压力光纤光栅(7)之间通过光学胶或者微激光焊接连接。
7.根据权利要求1所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述保护壳体(2)与弹性膜片(4)的接缝处设置有密封圈或者焊接密封。
8.根据权利要求1所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述透水石(5)外设置有透水石壳体(6)。
9.根据权利要求1所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述保护壳体(2)和透水石壳体(6)之间设置有螺纹固定连接。
10.根据权利要求1所述的带微调装置及自温度补偿的光纤式渗压传感器，其特征在于：所述光栅尾纤(1)和保护壳体(2)的连接部分外包裹有密封保护套管(10)。
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