CN106353219B - 基于差压法的新型光纤光栅密度传感器 - Google Patents

基于差压法的新型光纤光栅密度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，主要包括保护外壳：为圆筒状，在靠近顶部沿直径方向设置第一横梁，在靠近底部沿直径方向设置第二横梁，所述第一横梁和第二横梁的长度与直径相同，且相互平行；第一波纹膜片沿水平面固定在保护外壳的顶部，第二波纹膜片沿水平面固定在保护外壳的底部；所述两个波纹膜片相互平行；第一金属增敏结构固定在第一横梁上，且与第一波纹膜片相接触，第二金属增敏结构固定在第二横梁上，且与第二波纹膜片相接触；所述金属增敏结构与横梁构成等腰三角形，与波纹膜片的接触点为等腰顶点；第一光纤光栅贯穿固定在第一金属增敏结构的两腰之间；第二光纤光栅贯穿固定在第二金属增敏结构的两腰之间。

Description

基于差压法的新型光纤光栅密度传感器
技术领域
本发明涉及一种基于差压法的新型光纤光栅密度传感器。
背景技术
光纤光栅传感具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等其它类型传感器不具备的优点，近年来发展迅速，各种光纤光栅传感产品得到开发并广泛应用。光纤光栅应变传感器在航空航天、大型机电设备，桥梁建筑等各个工程领域广泛应用并发挥重要作用。近年来，光纤光栅传感器在其他被测量，如温度、应变、位移、压力、流量等方面得到了良好的发展，但是光纤光栅传感器在密度测量领域的研究和应用报道较少，并且在光纤光栅传感器作为密度传感器的研究中，由于裸光纤光栅传感器的灵敏度较低，不能满足工程测量精度的要求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，可以以较高灵敏度测量外界液体密度。
为了实现上述目的，本发明采用如下方案：
基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于：包括
保护外壳：为圆筒状，在靠近顶部沿直径方向设置第一横梁，在靠近底部沿直径方向设置第二横梁，所述第一横梁和第二横梁的长度与直径相同，且相互平行；
第一波纹膜片沿水平面固定在保护外壳的顶部，第二波纹膜片沿水平面固定在保护外壳的底部；所述两个波纹膜片相互平行；
第一金属增敏结构固定在第一横梁上，且与第一波纹膜片相接触，第二金属增敏结构固定在第二横梁上，且与第二波纹膜片相接触；所述金属增敏结构与横梁构成等腰三角形，与波纹膜片的接触点为等腰顶点，所述与波纹膜片的接触点位于保护外壳的轴线上；
第一光纤光栅贯穿固定在第一金属增敏结构的两腰之间；第二光纤光栅贯穿固定在第二金属增敏结构的两腰之间；
保护外壳具有光纤引出孔；
所述两个波纹膜片采用相同的材料和几何结构；所述两个金属增敏结构采用相同的材料和几何结构；所述两个光纤光栅具有相同的中心波长。
根据两个波纹膜片间的垂直距离得到外界液体对两个波纹膜片的应力差。
设置所述波纹膜片的弹性模量、泊松比、厚度和半径，并结合所述外界液体对两个波纹膜片的应力差得到波纹膜片的应变。
根据所述波纹膜片的应变以及金属增敏结构的底边高度、横梁半长度，计算得到光纤光栅的轴向应变。
根据光纤光栅的中心波长及所述光纤光栅的轴向应变，得到光纤光栅中心波长的变化量。
所述两个光纤光栅分别胶结固定在金属增敏结构两端。
所述两个波纹膜片的材料和几何结构可调节。
所述两个波纹膜片的垂直距离可调节。
所述两个金属增敏结构的材料和几何结构可调节。
本发明的有益效果：
(1)通过采用本发明的光纤光栅密度传感器，建立了外界密度参数与光栅波长之间的对应关系，依此关系可以得到外界液体密度；
(2)采用两个几何及材料参数相同的金属增敏结构，实现了波纹膜片表面应变与光纤光栅轴向应变之间的转变及相同增敏，尽可能的减少对测量结果的影响；
(3)两个光纤光栅与金属增敏结构通过两端胶结连接，避免了非均匀应力对于光纤光栅反射光谱及传感器测量结果的影响；
(4)两个光纤光栅的中心波长相同，避免了不同的光栅温度敏感系数对其测量结果的影响；
(5)波纹膜片的几何及材料参数可调节，因此可以通过改变波纹膜片的相关参数，调节外界液体被测量密度的测量精度；两波纹膜片间的垂直距离也可通过改变传感器保护外壳尺寸进行调节，以实现测量传感器测量范围；
(6)金属增敏结构的几何及材料参数可调节，因此可以通过改变金属增敏结构的相关参数，实现对光纤光栅轴向应变的不同增敏，以改变该传感器的检测灵敏度；
(7)光纤尾纤从光纤引出孔引出，可以方便光纤尾纤与光源、波长解调设备相连接；
附图说明
图1为本发明光纤光栅密度传感器的三维结构剖视图。
其中1，2—波纹膜片，3，4—金属增敏结构，5，6—光纤光栅，7—保护外壳，8—光纤引出孔，9—第一横梁，10—第二横梁。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种基于差压法的新型光纤光栅密度传感器如图1所示，包括
保护外壳：为圆筒状，在靠近顶部沿直径方向设置第一横梁，在靠近底部沿直径方向设置第二横梁，所述第一横梁和第二横梁的长度与直径相同，且相互平行；
第一波纹膜片沿水平面固定在保护外壳的顶部，第二波纹膜片沿水平面固定在保护外壳的底部；所述两个波纹膜片相互平行；
第一金属增敏结构固定在第一横梁上，且与第一波纹膜片相接触，第二金属增敏结构固定在第二横梁上，且与第二波纹膜片相接触；所述金属增敏结构与横梁构成等腰三角形，与波纹膜片的接触点为等腰顶点，所述与波纹膜片的接触点位于保护外壳的轴线上；
第一光纤光栅贯穿固定在第一金属增敏结构的两腰之间；第二光纤光栅贯穿固定在第二金属增敏结构的两腰之间；
保护外壳具有光纤引出孔，可以方便光纤尾纤与光源、波长解调设备相连接；
所述两个波纹膜片采用相同的材料和几何结构。
所述两个金属增敏结构采用相同的材料和几何结构；以实现对传感器敏感元件的相同增敏，尽可能的减少对测量结果的影响。
所述两个光纤光栅具有相同的中心波长，避免不同的光栅温度敏感系数对其测量结果的影响。
在传感器保护外壳内，相互平行的两个波纹膜片高度差为h，以此来感知外界被测密度因高度差异导致的压力差，并将此压力差转变为上下两波纹膜片的表面应变差，上下两波纹膜片的表面应变差ε可以表示为：
ΔP＝ρgh (1)
式中代表外界密度，g代表重力加速度，h代表两波纹膜片间的高度差。
式中，E,υ,H及R分别为波纹膜片的弹性模量、泊松比、厚度及其半径；
通过两个几何及材料参数相同的金属增敏装置对膜片表面应变进行一定的增敏，以提高该传感器的检测灵敏度；并实现波纹膜片表面应变与核心敏感元件光纤光栅轴向应变的转变。光纤光栅轴向应变与波纹膜片的表面应变之间的对应关系可表示为：
式中，h1及I1分别为金属增敏结构的高度及横梁半长度值。
进而，光纤光栅中心波长的变化量为：
ΔλB＝λB(1-pε)εFBG (4)
式中，为光纤光栅的初始中心波长，代表光纤的弹光系数。
光纤光栅的尾纤通过传感器的尾纤引出孔引出与光源及波长解调设备连接。
所述两个光纤光栅分别胶结固定在金属增敏结构两端，避免了非均匀应力对于光纤光栅反射光谱及传感器测量结果的影响。
所述两个波纹膜片的材料和几何结构可调节，可以改变波纹膜片得相关参数，改变外界液体密度参数的测量精度。
所述两个波纹膜片相互平行，且其相对空间位置可以通过改变传感器保护外壳尺寸进行调节，以实现测量传感器测量范围及精度的调节。
所述两个金属增敏结构的材料和几何结构可调节，实现对光纤光栅轴向应变的不同增敏，可以改变该传感器的检测灵敏度。
通过上述介绍，该新型光纤光栅密度传感器建立了外界液体被测量密度与光纤光栅中心波长之间的对应关系，通过反演分析光纤光栅中心波长的数据变化实现外界被测量密度的测量。通过改变该传感器所包括的金属增敏结构及波纹膜片的几何及材料参数可以实现该新型光纤光栅密度传感器测量灵敏度及量程的有效调整。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于：包括
保护外壳：为圆筒状，在靠近顶部沿直径方向设置第一横梁，在靠近底部沿直径方向设置第二横梁，所述第一横梁和第二横梁的长度与直径相同，且相互平行；
第一波纹膜片沿水平面固定在保护外壳的顶部，第二波纹膜片沿水平面固定在保护外壳的底部；所述第一波纹膜片和第二波纹膜片相互平行；
第一金属增敏结构固定在第一横梁上，且与第一波纹膜片相接触，第二金属增敏结构固定在第二横梁上，且与第二波纹膜片相接触；所述第一金属增敏结构与第一横梁、第二金属增敏结构与第二横梁分别构成等腰三角形，第一金属增敏结构与第一波纹膜片的接触点、第二金属增敏结构与第二波纹膜片的接触点分别为等腰三角形的顶点，第一金属增敏结构与第一波纹膜片的接触点、第二金属增敏结构与第二波纹膜片的接触点分别位于保护外壳的轴线上；
第一光纤光栅贯穿固定在第一金属增敏结构的两腰之间；第二光纤光栅贯穿固定在第二金属增敏结构的两腰之间；
保护外壳具有光纤引出孔；
所述第一波纹膜片和第二波纹膜片采用相同的材料和几何结构；所述第一金属增敏结构和第二金属增敏结构采用相同的材料和几何结构；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅具有相同的中心波长。
2.根据权利要求1所述的基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于，根据第一波纹膜片和第二波纹膜片间的垂直距离得到外界液体对第一波纹膜片和第二波纹膜片的应力差。
3.根据权利要求2所述的基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于，设置所述第一波纹膜片和第二波纹膜片的弹性模量、泊松比、厚度和半径，并结合所述外界液体对第一波纹膜片和第二波纹膜片的应力差得到第一波纹膜片和第二波纹膜片的表面应变差。
4.根据权利要求3所述的基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于，根据所述第一波纹膜片和第二波纹膜片的表面应变差以及金属增敏结构的高度、横梁半长度计算得到光纤光栅的轴向应变。
5.根据权利要求4所述的基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于，根据光纤光栅的中心波长及所述光纤光栅的轴向应变，得到光纤光栅中心波长的变化量。
6.根据权利要求1所述的基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅分别胶结固定在金属增敏结构的两端。
7.根据权利要求1所述的基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于，所述第一波纹膜片和第二波纹膜片的材料和几何结构可调节。
8.根据权利要求1所述的基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于，所述第一波纹膜片和第二波纹膜片的垂直距离可调节。
9.根据权利要求1所述的基于差压法的新型光纤光栅密度传感器，其特征在于，所述第一金属增敏结构和第二金属增敏结构的材料和几何结构可调节。
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