CN107917775A - 基于法布里‑珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器 - Google Patents

基于法布里‑珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器 Download PDF

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陈艺征
刘凤学
于建军
宋君辉
李继成
房国忠
别秀玲
秦辉
颜景枫
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Abstract

本发明公开了一种基于法布里‑珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，包括外壳，所述外壳内设置有顶盖、钢筒、弹性薄片和受压膜片；所述顶盖和受压膜片通过钢筒密封连接，并在钢筒内形成密封的容纳腔；所述顶盖和受压膜片的中心位置分别设置有一个夹具；所述弹性薄片设置在两个夹具之间；所述钢筒的侧壁上设置有钢壳，钢壳的内部设置有保护套，保护套的内部设置有光纤。本发明的压强传感器通过对弹性薄片中心点挠度的测量，达到放大压强对受压膜片中心点挠度的影响，提高了测量的精度和灵敏度；本压强传感器还可在高精度测量的前提下测出环境温度为0—80℃下的外部压强大小，扩大了使用范围。

Description

基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器
技术领域
本发明涉及一种压强传感器，尤其涉及一种基于法布里-珀罗(F-P)干涉与压杆失稳原理的压强传感器。
背景技术
现有的基于非本征法布里-珀罗干涉仪(EFPI)原理的传感器都是基于最简单的结构形式和机理对压强、应变或者温度等参数进行测量。以压强传感器为例，现有的传感器都是用一个膜片作为一个受压变形体，用一根光纤的端面垂直对准膜片的中心点，通过不同压强下膜片的挠度大小来确定压强的大小。此传感器的缺点是膜片大多是脆性材料，使得膜片中心点的挠度变化往往很小，导致传感器的测量精度降低，且温度对腔长的影响也相对较大，限制了测量装置的使用范围。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于法布里-珀罗(F-P)干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其测量精度高，使用范围广。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，包括外壳，所述外壳内设置有顶盖、钢筒、弹性薄片和受压膜片；所述顶盖和受压膜片通过钢筒密封连接，并在钢筒内形成密封的容纳腔；所述顶盖和受压膜片的中心位置分别设置有一个夹具；所述弹性薄片设置在两个夹具之间；所述钢筒的侧壁上设置有钢壳，钢壳的内部设置有保护套，保护套的内部设置有光纤。
作为优选，所述夹具和弹性薄片均设置在容纳腔内。
作为优选，所述夹具与弹性薄片为铰接或刚性连接。
作为优选，所述保护套和光纤穿过钢筒，使保护套和光纤的一部分设置在容纳腔内。
作为优选，所述保护套和光纤的轴线垂直于弹性薄片。
作为优选，所述光纤设置在容纳腔内的一端为光纤端面，且光纤端面的轴线垂直于弹性薄片的中心点。
作为优选，所述光纤端面为第一反光面，弹性薄片对着光纤端面的一面为第二反光面，且第一反光面、第二反光面和两个反光面之间的腔体构成非本征型法布里-珀罗干涉仪(EFPI)传感器。所述弹性薄片的反光面和容纳腔内的光纤端面都具有高反射率，并在非本征型法布里珀罗干涉仪(EFPI)传感器中都起到反光镜的作用。
作为优选，所述光纤上靠近光纤端面的地方串联有光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器，且光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器设置在容纳腔内。本发明的压强传感器的工作温度可以在0—80℃之间，并可以通过串联光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器进行温度补偿来实现对温度的影响。
作为优选，所述弹性薄片、夹具、顶盖和受压膜片构成压杆失稳系统。
首先对受压膜片施加待检测的压强，使得受压膜片中心点的挠度发生变化，从而使得上下两个夹具之间的间距发生变化，并将推动弹性薄片在轴向上发生压缩或拉伸；弹性薄片在轴向的挤压力作用下已处于失稳状态，压缩变形使得弹性薄片中心点的挠度发生变化，进而使得非本征型法布里珀罗干涉仪(EFPI)传感器的干涉腔长发生变化；最后通过测量干涉腔长的变化程度即可反映外部压强的大小。
通过压杆失稳原理，可以使很小的轴向位移放大成很大的法向位移，通常情况下，此放大倍数约在6倍以上，即可使腔长变化量达到受压膜片中心点挠度的6倍以上，提高了本压强传感器的测量精度和灵敏度，并可以缩小膜片的尺寸。
本发明的有益效果：本发明的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器通过对弹性薄片中心点挠度的测量，达到放大压强对受压膜片中心点挠度的影响，提高了测量的精度和灵敏度；本压强传感器还可在高精度测量的前提下测出环境温度为0—80℃下的外部压强大小，扩大了使用范围。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明弹性薄片背离光纤端面的示意图；
图3为本发明夹具与弹性薄片为铰接时弹性薄片背离光纤端面的示意图；
图4为轴向压杆位移x与中点法向最大挠度ymax的关系示意图；
图5为轴向压杆位移x与中点法向最大挠度ymax对x的导数的关系示意图；
其中：1.顶盖，2.钢筒，3.夹具，4.弹性薄片，5.受压膜片，6.钢壳，7.保护套，8.光纤，81.光纤端面，9.容纳腔。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，为本发明的一种基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，包括外壳，所述外壳内设置有顶盖1、钢筒2、弹性薄片4和受压膜片5；所述顶盖1和受压膜片5通过钢筒2密封连接，并在钢筒2内形成密封的容纳腔9；所述顶盖1和受压膜片5的中心位置分别设置有一个夹具3；所述弹性薄片4设置在两个夹具3之间；所述钢筒2的侧壁上设置有钢壳6，钢壳6的内部设置有保护套7，保护套7的内部设置有光纤8。所述保护套7用于保护光纤8，钢壳6是密封地套在保护套7的外围，可防止水和杂质进入密封的容纳腔9内部。
所述夹具3和弹性薄片4均设置在容纳腔9内。
所述夹具3与弹性薄片4为铰接或刚性连接。所述弹性薄片4的两端伸入两个夹具3内，使两个夹具3夹紧并固定住中间的弹性薄片4。所述弹性薄片4可以是金属材料制成，也可以是非金属材料制成。
所述保护套7和光纤8穿过钢筒2，使保护套7和光纤8的一部分设置在容纳腔9内。
所述保护套7和光纤8的轴线垂直于弹性薄片4。
所述光纤8设置在容纳腔9内的一端为光纤端面81，且光纤端面81的轴线垂直于弹性薄片4的中心点。
所述光纤端面81为第一反光面，弹性薄片4对着光纤端面81的一面为第二反光面，且第一反光面、第二反光面和两个反光面之间的腔体构成非本征型法布里-珀罗干涉仪(EFPI)传感器。所述弹性薄片4的反光面和容纳腔9内的光纤端面81在非本征型法布里珀罗干涉仪(EFPI)传感器中都起到反光镜的作用。弹性薄片4的第二反光面可以是抛光处理的表面或涂覆反光层的表面。
所述光纤8上靠近光纤端面81的地方串联有光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器，且光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器设置在容纳腔9内。本发明的压强传感器的工作温度可以在0—80℃之间，并可以通过串联光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器进行温度补偿。
所述弹性薄片4、夹具3、顶盖1和受压膜片5构成压杆失稳系统。
如图2和图3所示，为夹具3与弹性薄片4为刚性连接和铰接时，弹性薄片4背离光纤端面81失稳的工况示意图，其中ΔL为受压膜片5中心点的位移变化量，d0为初始状态下弹性薄片4的中心点与光纤端面81之间的距离，Δd为失稳后弹性薄片4中心点挠度的变化量。使用本发明的压强传感器时，首先对受压膜片5施加待检测的压强，使得受压膜片5中心点的挠度发生变化，产生ΔL的位移变量，从而使得上下两个夹具3之间的间距发生变化，两个夹具3将推动弹性薄片4在轴向上发生压缩或拉伸；因此，弹性薄片4已经失稳，在轴向的挤压力作用下，弹性薄片4的中心点的挠度发生变化，产生Δd的挠度变化量，进而使得非本征型法布里珀罗干涉仪(EFPI)传感器的干涉腔长发生变化；最后通过测量干涉腔长的变化量即可反映外部压强的大小。
若弹性薄片4的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，则抗弯刚度EI＝Ewt3/12；由于弹性薄片4的厚度t很小，根据抗弯刚度的公式可得出弹性薄片4的抗弯刚度很小。弹性薄片4受到轴向压力失稳的荷载为其中μ与边界条件有关，若夹具3与弹性薄片4为铰接连接，则μ＝1；若夹具3与弹性薄片4为刚性连接，则μ＝0.5；由于弹性薄片4的抗弯刚度EI很小，根据弹性薄片4受到轴向压力失稳的荷载的公式可得出失稳的荷载也很小。
如图4所示为弹性薄片4失稳工况下，轴向压杆位移x与中点法向最大挠度ymax的关系图，图中x轴表示轴向压杆位移(以mm为计量单位)，y轴表示中点法向的挠度(以mm为计量单位)；从图4的关系图中可以看出，弹性薄片4在轴向上的压缩量从0.3mm变化到0.4mm的过程中，中点法向的挠度的变化量达到了0.76mm，即腔长变化量与轴向位移的比值达到了7.6倍。
如图5所示为弹性薄片4失稳工况下，轴向压杆位移x与中点法向最大挠度ymax对x的导数的关系示意图,由此图可见，随着弹性薄片4中点挠度的增加，中点法向最大挠度ymax对x的导数值越来越小，即放大倍数越来越小。
通过压杆失稳原理，可以使很小的轴线位移放大成很大的法向位移，通常情况下，此放大倍数约为6倍以上，即可使压强对受压膜片5中心点的位移放大6倍以上，提高了本压强传感器的测量精度和灵敏度，并可以缩小膜片的尺寸。
本发明的压强传感器通过放大压强对受压膜片中心点挠度的影响，提高了测量的精度和灵敏度；可以高精度测出环境温度为0—80℃下的外部压强大小，扩大了使用范围。

Claims (9)

1.一种基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，包括外壳，其特征在于，所述外壳内设置有顶盖(1)、钢筒(2)、弹性薄片(4)和受压膜片(5)；所述顶盖(1)和受压膜片(5)通过钢筒(2)密封连接，并在钢筒(2)内形成密封的容纳腔(9)；所述顶盖(1)和受压膜片(5)的中心位置分别设置有一个夹具(3)；所述弹性薄片(4)设置在两个夹具(3)之间；所述钢筒(2)的侧壁上设置有钢壳(6)，钢壳(6)的内部设置有保护套(7)，保护套(7)的内部设置有光纤(8)。
2.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其特征在于，所述夹具(3)和弹性薄片(4)均设置在容纳腔(9)内。
3.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其特征在于，所述保护套(7)和光纤(8)穿过钢筒(2)，使保护套(7)和光纤(8)的一部分设置在容纳腔(9)内。
4.根据权利要求3所述的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其特征在于，所述保护套(7)和光纤(8)的轴线垂直于弹性薄片(4)。
5.根据权利要求4所述的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其特征在于，所述光纤(8)设置在容纳腔(9)内的一端为光纤端面(81)，且光纤端面(81)的轴线垂直于弹性薄片(4)的中心点。
6.根据权利要求5所述的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其特征在于，所述光纤端面(81)为第一反光面，弹性薄片(4)对着光纤端面(81)的一面为第二反光面，且第一反光面、第二反光面和两个反光面之间的腔体构成非本征型法布里-珀罗干涉仪(EFPI)传感器。
7.根据权利要求6所述的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其特征在于，所述光纤(8)上靠近光纤端面(81)的地方串联有光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器，且光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器设置在容纳腔(9)内。
8.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其特征在于，所述弹性薄片(4)、夹具(3)、顶盖(1)和受压膜片(5)构成压杆失稳系统。
9.根据权利要求2所述的基于法布里-珀罗干涉与压杆失稳原理的压强传感器，其特征在于，所述夹具(3)与弹性薄片(4)为铰接或刚性连接。
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