CN107870052B - 一种微型光纤法珀压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型光纤法珀压力传感器，包括传感器座、设在传感器座上的轴向受力构件和光纤，所述的光纤的一端与轴向受力构件的侧面垂直，在光纤的一端面与轴向受力构件的侧面之间构成的光纤法珀腔，通过腔长改变，实现压力信号的调制。本发明体积小，分辨率高，具有抗电磁干扰能力强、测量精度高的特点。

Description

一种微型光纤法珀压力传感器

技术领域

本发明涉及压力检测，具体涉及一种微型光纤法珀压力传感器。

技术背景

随着科技水平的不断提高，传感器的运用领域不断扩大，对传感器自身的性能要求也 不断的提高。传统的传感器由于自身属性的缺陷限制，已经无法满足日益提高的传感器性 能要求。压力传感器是铁路、交通、建筑工程、机械工程等行业各种结构应力、疲劳损伤 检测的关键元件。如何实现高精度、高可靠性、高灵敏度的力传感，一直是人们追求的目标。与传统的电学力传感器如变电阻式、变电容式、变磁阻式、压电式、压磁式、振弦式 等相比，不管是功能型光纤传感器还是传光型光纤传感器，如法布里-珀罗光纤传感器都具 有抗干扰能力强、动态测试范围大、体积小且分辨率高、无电磁干扰等优点，因此在航空 航天、能源、建筑等工业大型结构件和军事设施的检测中得到了广泛的应用。光纤传感器 的信号调制方案包括：光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和光偏振调制。 其中光强调制光纤传感器和光相位调制光纤传感器运用最为普遍，特别是光相位调制光纤传感器。光相位调制光纤传感器如光纤光栅的基本传感原理是通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而实现对待测物理量的测量。法布里-珀罗干涉原理的光纤传感器，则是利用光纤传光并收集光纤轴线上两平行半透半反镜多波束干涉信号，靠耦合在被测对象上两反镜距离随被测对象的变化如圆柱形钢材受压力作用轴向长度的改变，引起光波干涉改变来实现被测对象的测量。

CN202350809U公告的“一种微型法布里-珀罗温度或压力光纤传感器”，包括微型标 准具和光纤，所述光纤的一端通过熔接法或光纤连接器连接到耦合器，其另一端与微型标 准具的反射面衔接；所述微型标准具的有效通光口径为0.1-0.5mm；所述微型标准具的反射 面通过气溶胶粘结于光纤的端面上；所述微型标准具的形状为立方体、圆柱体、多面体。 其有益效果是：微型法布里-珀罗温度或压力传感器采用的微型实心标准具，能在高温高压 环境下能正常使用，采用温度敏感材料制成的标准具，可实现温度传感功能；采用石英等 温度不敏感材料制成的标准具，可实现压力传感功能。微型标准具制成的光纤传感器具有 探测精度高，结构简单，尺寸小，制作成本低的优点。

目前大多数法布里-珀罗腔的反射面是由光纤的一个端面和膜片的一个表面构成，或分 别由两根光纤的一个端面构成。它们的共同点是所形成的腔体都是空气腔。这种空气腔传 感器在高温高压环境下，如深海压力探测，爆炸压力场测量等，膜片的弯曲程度容易超出 其挠度。因此空气腔法布里-珀罗光纤传感器，在超高压高温环境下的运用存在一定的困难。 用来测量高温高压的空气腔法布里-珀罗光纤传感器的制造难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型光纤法珀压力传感器，它体积小，分辨率高，具有抗电 磁干扰能力强、测量精度高的特点。

本发明所述的一种微型光纤法珀压力传感器，包括传感器座、设在传感器座上的轴向 受力构件和光纤，所述的光纤的一端与轴向受力构件的侧面垂直，在光纤的一端面与轴向 受力构件的侧面之间构成的光纤法珀腔，轴向受力构件受力径向尺寸改变，从而使法珀腔 腔长改变，通过腔长改变，实现压力信号的调制。

轴向受力构件受到的(压、拉力)轴向作用力

式中：F—轴向作用力，E—晶体弹性模量，A—晶体截面积，μ—晶体材料的珀松比(珀 松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向 变形系数,它是反映材料横向变形的弹性常数)，ε_n—径向应变。

优选的方案之一是：传感器座为一立方体传感器座，轴向受力构件为圆柱形的受力敏 感晶体；在所述立方体传感器座的一端部设有竖直的阶梯型沉孔，在所述立方体传感器座 的另一端中部所有平直的小长孔，该小长孔与所述阶梯型沉孔的中部相通；所述受力敏感 晶体的下端与阶梯型沉孔的下孔配合连接、上端接近阶梯型沉孔的中孔的口部；所述光纤 设在所述小长孔内并通过止紧螺钉固定，所述光纤的一端与受力敏感晶体的侧面垂直，光 纤的该端面与受力敏感晶体的侧面之间构成的光纤法珀腔。

进一步，一预紧盘与所述阶梯型沉孔的上孔螺纹配合连接；

一双半球形压头通过一阻尼套与所述预紧盘的中心孔配合；

一圆锥台的底面与所述受力敏感晶体的上端紧贴，该圆锥台的顶面与所述双半球形压 头的下端紧贴；

一保护罩与所述阶梯型沉孔的上孔口部配合，其中心部位与所述述双半球形压头的上 端紧贴。

优选的方案之二是：传感器座为一环形传感器座，其中部设有一细长孔；轴向受力构 件为一受力圆筒，其一侧设有一光滑的平面、上下两端均设有凸緣；所述环形传感器座套 在受力圆筒的外面，所述光纤设在所述细长孔内并通过止紧螺钉固定，所述光纤的一端面 与所述环形传感器座上的平面之间构成的光纤法珀腔。

进一步，还包括：

两个定位环8，分别嵌在所述受力圆筒的上下端部与环形传感器座之间；两个橡胶密封 圈，分别套在靠近所述受力圆筒两端凸緣的部位。

进一步，所述受力圆筒两端的凸緣分别设有内螺纹或外有螺纹，受力圆筒通过所述内 螺纹或外有螺纹与传力结构件连接。

本发明的有益技术效果：

(1)由于采用光纤端面与受力敏感晶体平行于轴线的侧平面构成光纤法珀腔调制圆柱 形晶体轴向受压径向弹性形变信号，从而获得力值的测量，因此较其他的采用光纤法珀压 力传感器与电阻应变片与弹性材料联结来耦合晶体受力引起的弹性形变信号的测量方法比 较，具有较小的体积与更精确的测量精度。

(2)由于采用预紧盘、活动球形压头与阻尼套构成的组件、圆锥台、传感器座沉孔，将受力敏感晶体固定在底座中的结构，避免或降低了受力敏感晶体安装底面与传感器座键合或粘接所代来的受力敏感晶体安装端面的局部变形或粘接底面刚度不足、以及活动球形压头阻尼不匹配引入的动、静测量不确定度。

(3)由于采用光纤端面与受力敏感晶体材料直接构成光纤法珀传感器，因此通过调整 不同的弹性模量的受力敏感晶体，能够实现不同量程、不同体积传感器的设计方案，可广 泛的适应不同工程背景的力、应力的检测。

附图说明

图1是轴向受力构件为圆柱形的受力敏感晶体的微型光纤法珀压力传感器的结构示意 图；

图2是立方体传感器座的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是受力敏感晶体的结构示意图；

图5图4的左视图；

图6是轴向受力构件为受力圆筒的微型光纤法珀压力传感器的结构示意图；

图7是图6的A部放大示意图。

图中：1—保护罩，2—圆锥台，3—光纤，4—预紧盘，5—双半球形压头，6—阻尼套，10—立方体传感器座，11—阶梯型沉孔，12—小长孔，13—止紧螺钉，20—受力敏感晶体，21—侧面；

8—定位环，9—橡胶密封圈，30—环形传感器座，31—细长孔，40—受力圆筒，41—平面，42—凸緣。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明做详细的描述。

本发明所述的一种微型光纤法珀压力传感器，包括传感器座、设在传感器座上的轴向 受力构件和光纤3，其突出的实质性特点是：

所述的光纤的一端与轴向受力构件的侧面垂直，在光纤的一端面与轴向受力构件的侧 面之间构成的光纤法珀腔，轴向受力构件受力径向尺寸改变，从而使法珀腔腔长改变，通 过腔长改变，实现压力信号的调制。

实施例一：

参见图1至图5，所述的微型光纤法珀压力传感器，其传感器座为一立方体传感器座 10，所述的轴向受力构件为圆柱形的受力敏感晶体20；在所述立方体传感器座10的一端部 设有竖直的阶梯型沉孔11，在所述立方体传感器座10的另一端中部所有平直的小长孔12， 该小长孔与所述阶梯型沉孔11的中部相通；所述受力敏感晶体20的下端与阶梯型沉孔11 的下孔配合连接、上端接近阶梯型沉孔11的中孔的口部；所述光纤3设在所述小长孔12内并通过止紧螺钉13固定，所述光纤3的一端与受力敏感晶体20的侧面21垂直，光纤的 该端面与受力敏感晶体的侧面21之间构成的光纤法珀腔。

所述的微型光纤法珀压力传感器还包括：

一预紧盘4，该预紧盘与所述阶梯型沉孔11的上孔螺纹配合连接，预紧盘表面沿中心 孔均布有n个小孔用于调整螺旋运动；

一双半球形压头5通过一阻尼套6与所述预紧盘4的中心孔配合；

一圆锥台7的底面与所述受力敏感晶体20的上端紧贴，该圆锥台7的顶面与所述双半 球形压头5的下端紧贴；

一保护罩8与所述阶梯型沉孔11的上孔口部配合，其中心部位与所述述双半球形压头 5的上端紧贴。保护罩采用薄壁不锈钢制成，外圆涂覆密封胶与传感器座沉孔紧配合，压入 传感器座并与双半球形压头的上端接触。

预紧盘外圆周有细牙螺纹，阶梯型沉孔的上孔设有内螺纹，通过旋转预紧盘实现预紧。 当外力作用在保护罩上，通过双半球形压头、圆锥台作用于受力敏感晶体，受力敏感晶体 受轴向压力产生轴向形变同时引起径向半径改变，从而导致光纤端面与受力敏感晶体构成 的光纤法珀腔的腔长改变，从而实现压力信号的调制。

实施例二：

,参见图6和图7，所述的微型光纤法珀压力传感器，传感器座为一环形传感器座30， 其中部设有一细长孔31；所述的轴向受力构件为一受力圆筒40，其一侧设有一光滑的平面 41、上下两端均设有凸緣42，作为定位止口；所述环形传感器座30套在受力圆筒40的外 面，所述光纤3设在所述细长孔31内并通过止紧螺钉13固定，所述光纤3的该端面与所述环形传感器座30上的平面41之间构成的光纤法珀腔。

所述的微型光纤法珀压力传感器，还包括：

两个定位环8，分别嵌在所述受力圆筒40的上下端部与环形传感器座30之间；

两个橡胶密封圈9，分别套在靠近所述受力圆筒40两端凸緣42的部位；

所述受力圆筒40两端的凸緣42分别设有内螺纹或外有螺纹，受力圆筒通过所述内螺 纹或外有螺纹与传力结构件连接，以实现传力结构件的拉应力测量。

Claims (5)

1.一种微型光纤法珀压力传感器，包括传感器座、设在传感器座上的轴向受力构件和光纤（3），其特征是：

所述的光纤的一端与轴向受力构件的侧面垂直，在光纤的一端面与轴向受力构件的侧面之间构成的光纤法珀腔，轴向受力构件受力径向尺寸改变，从而使法珀腔腔长改变，实现压力信号的调制；

所述的传感器座为一立方体传感器座（10），所述的轴向受力构件为圆柱形的受力敏感晶体（20）；在所述立方体传感器座（10）的一端部设有竖直的阶梯型沉孔（11），在所述立方体传感器座（10）的另一端中部所有平直的小长孔（12），该小长孔与所述阶梯型沉孔（11）的中部相通；所述受力敏感晶体（20）的下端与阶梯型沉孔（11）的下孔配合连接、上端接近阶梯型沉孔（11）的中孔的口部；所述光纤（3）设在所述小长孔（12）内并通过止紧螺钉（13）固定，所述光纤（3）的一端与受力敏感晶体（20）的侧面（21）垂直，光纤的该端面与受力敏感晶体的侧面（21）之间构成的光纤法珀腔。

2.根据权利要求1所述的微型光纤法珀压力传感器，其特征是还包括：

一预紧盘（4），该预紧盘与所述阶梯型沉孔（11）的上孔螺纹配合连接；

一双半球形压头（5）通过一阻尼套（6）与所述预紧盘（4）的中心孔配合；

一圆锥台（7）的底面与所述受力敏感晶体（20）的上端紧贴，该圆锥台（7）的顶面与所述双半球形压头（5）的下端紧贴；

一保护罩（1）与所述阶梯型沉孔（11）的上孔口部配合，其中心部位与所述述双半球形压头（5）的上端紧贴。

3.根据权利要求1所述的微型光纤法珀压力传感器，其特征是：所述的传感器座为一环形传感器座（30），其中部设有一细长孔（31）；所述的轴向受力构件为一受力圆筒（40），其一侧设有一光滑的平面（41）、上下两端均设有凸緣（42）；所述环形传感器座（30）套在受力圆筒（40）的外面，所述光纤（3）设在所述细长孔（31）内并通过止紧螺钉（13）固定，所述光纤（3）的一端面与所述环形传感器座（30）上的平面（41）之间构成的光纤法珀腔。

4.根据权利要求3所述的微型光纤法珀压力传感器，其特征是还包括：

两个定位环（8），分别嵌在所述受力圆筒（40）的上下端部与环形传感器座（30）之间；两个橡胶密封圈（9），分别套在靠近所述受力圆筒（40）两端凸緣（42）的部位。

5.根据权利要求4所述的微型光纤法珀压力传感器，其特征是：所述受力圆筒（40）两端的凸緣（42）分别设有内螺纹或外有螺纹，受力圆筒通过所述内螺纹或外有螺纹与传力结构件连接。

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