CN109186825B - 一种光纤宏弯压力传感器及其测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤宏弯压力传感器及其测量系统。该传感器包括壳体、弹性膜片、支架、套筒、传力杆、光纤、入射光纤通孔、出射光纤通孔。壳体底部固定设置弹性膜片，内部固定设置支架以固定套筒，顶部设有入射光纤通孔；传力杆穿过套筒，一端固定在弹性膜片的中心上，另一端固定连接出射光纤通孔；光纤穿过入射光纤通孔、出射光纤通孔形成光纤宏弯段；该传感器及其测量系统采用弹性膜片与光纤宏弯组合结构，以及将光信号转化为电信号的光电二极管来实现对压力的测量。本发明提供的光纤宏弯压力传感器具有结构形式简单、易于加工、价格低廉、本质安全、耐腐蚀的优点，在石油化工、土木水利和航空航天等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器与光纤传感技术领域，特别涉及一种光纤宏弯压力传感器及其测量系统。
背景技术
光纤传感器是伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的传感技术，具有尺寸小、重量轻、灵敏度高、本质安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、寿命长等优点。通过适当的调制解调方法，光纤传感器能够实现对温度、压力、应变、加速度、位移、流量、电场、磁场等多物理量、多参数的测量和长期在线监测，因而获得了广泛的研究和应用。
在高温、高压、腐蚀、易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣环境下(比如油气井、油气管等地方)，电子类压力传感器通常存在不安全的因素，无法长期安全可靠工作，而且测量信号远距离传输难困难。光纤类压力传感器克服了电子类压力传感器的缺点，具有本质安全，耐腐蚀，抗电磁干扰，信号传输距离远，易于实现压力的长期在线监测等优点，非常适合在恶劣环境中应用。
现有的光纤压力传感器主要是光纤光栅型和光纤法布里-珀罗干涉型。这两类压力传感器大多利用弹性膜片在压力作用下产生的中心位移，通过特定的物理量转换机制，将膜片中心位移的变化转化为光纤光栅的轴向应变或光纤法布里-珀罗腔长度的变化，从而实现对压力的测量和监测。目前有光纤光栅压力传感器、杠杆式光纤光栅压力传感器、全光纤高灵敏压力传感器，但是光纤光栅型压力传感器具有温度-压力交叉敏感性，测量结果易受温度影响，需要进行温度补偿，增加传感器的结构复杂性，光纤法布里-珀罗干涉型压力传感器同样需要进行温度补偿，而且腔体密封工艺要求严格，成品率低。总而言之，这两类光纤压力传感器结构复杂，成本偏高，调制解调设备价格昂贵，难以实现推广应用。
发明内容
本发明的目的是在于利用光纤宏弯传感技术的优良特性，采用弹性膜片与光纤宏弯组合结构，提供一种结构形式简单、易于加工、调制解调方法简单、且价格低廉的光纤宏弯压力传感器及其测量系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光纤宏弯压力传感器，所述光纤宏弯压力传感器包括：壳体、弹性膜片、支架、套筒、传力杆、光纤、入射光纤通孔、出射光纤通孔；
所述壳体底部固定设置所述弹性膜片，所述壳体内部固定设置所述支架以固定所述套筒，所述壳体顶部设有所述入射光纤通孔；
所述传力杆穿过所述套筒，所述传力杆的一端固定在所述弹性膜片的中心上，所述传力杆的另一端固定连接所述出射光纤通孔；
所述光纤依次穿过所述入射光纤通孔、所述出射光纤通孔，使所述光纤在所述入射光纤通孔与所述出射光纤通孔之间形成光纤宏弯段。
可选的，所述壳体上还设有第一预留通孔、第二预留通孔；所述第一预留通孔与所述入射光纤通孔在同一水平线上；所述第二预留通孔与所述出射光纤通孔在同一水平线上；所述光纤穿过所述第一预留通孔进入所述壳体内；所述光纤穿过所述第二预留通孔离开所述壳体。
可选的，所述入射光纤通孔、所述出射光纤通孔、所述传力杆、所述套筒均沿着所述壳体的中轴线设置。
可选的，所述壳体为封闭的圆筒结构。
可选的，所述弹性膜片为圆形结构。
可选的，所述弹性膜片、所述传力杆、所述壳体的材质均为抗腐蚀材质。
可选的，所述壳体的材质为不锈钢、铝合金或者其他高强度聚合物。
可选的，所述弹性膜片、所述传力杆的材质为不锈钢或者铝合金。
本发明还提供了一种光纤宏弯压力传感器的测量系统，所述测量系统包括光源、光电二极管、信号调理电路、计算机以及光纤宏弯压力传感器；
所述光纤宏弯压力传感器的入射光纤穿过所述第一预留通孔与所述光源连接；所述光纤宏弯压力传感器的出射光纤穿过所述第二预留通孔与所述光电二极管的输入端连接；所述光电二极管的输出端通过所述信号调理电路与所述计算机电连接；其中，所述光纤宏弯压力传感器的入射光纤为所述入射光纤通孔与所述第一预留通孔之间的光纤，所述光纤宏弯压力传感器的出射光纤为所述出射光纤通孔与所述第二预留通孔之间的光纤；所述光电二极管将光信号转换成电压信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种光纤宏弯压力传感器及其测量系统，该光纤宏弯压力传感器及其测量系统包括：壳体、弹性膜片、支架、套筒、传力杆、光纤宏弯段、入射光纤通孔、出射光纤通孔以及光电二极管等。弹性膜片在压力作用下产生的中心位移通过传力杆转化为光纤宏弯段的半径变化量，使得光信号在光纤宏弯段产生光强损耗，通过光电二极管将光信号转化为电信号，实现对压力的测量。
与现有技术相比，本发明采用弹性膜片与光纤宏弯组合结构，皆为廉价易得部件，使得本发明具有结构形式简单、易于加工的优点；本发明的壳体为密封器件，使得本发明的传感器对恶劣环境有很好的抗腐蚀性能；本发明的传感器采用光强调制解调方法，只需要光源和光电二极管即可实现信号的解调，使得本发明具有调制解调方法简单、信号处理量少、价格低廉的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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是本发明实施例光纤宏弯压力传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例光纤宏弯压力传感器测量系统的结构示意图。
其中：1、套筒；2、传力杆；3、弹性膜片；4、支架；5、壳体；6、光纤宏弯段；7、入射光纤通孔；8、入射光纤；9-1、第一预留通孔；9-2、第二预留通孔；10、出射光纤通孔；11、出射光纤；12、光源；13、光纤宏弯压力传感器；14、光电二极管；15、信号调理电路；16、计算机。
具体实施方式
下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是在于利用光纤宏弯传感技术的优良特性，采用弹性膜片与光纤宏弯组合结构，提供了一种结构形式简单、易于加工、调制解调方法简单、且价格低廉的光纤宏弯压力传感器及其测量系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例光纤宏弯压力传感器的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的光纤宏弯压力传感器包括：壳体5、弹性膜片3、支架4、套筒1、传力杆2、光纤、入射光纤通孔7、出射光纤通孔10。
所述壳体5底部固定设置弹性膜片3，所述壳体5内部固定设置所述支架4以固定所述套筒1，所述壳体5顶部设有所述入射光纤通孔7。
所述传力杆2穿过所述套筒1，所述传力杆2的一端固定在所述弹性膜片3的中心上，所述传力杆2的另一端固定连接所述出射光纤通孔10。
所述光纤依次穿过所述入射光纤通孔7、所述出射光纤通孔10，使所述光纤在所述入射光纤通孔7与所述出射光纤通孔10之间形成光纤宏弯段6。
所述壳体上还设有第一预留通孔9-1、第二预留通孔9-2；所述第一预留通孔9-1与所述入射光纤通孔10在同一水平线上；所述第二预留通孔9-2与所述出射光纤通孔10在同一水平线上；所述光纤穿过所述第一预留通孔9-1进入所述壳体内；所述光纤穿过所述第二预留通孔9-2离开所述壳体。
所述入射光纤通孔7、所述出射光纤通孔10、所述传力杆2、所述套筒1均沿着所述壳体5的中轴线设置。
其中，所述入射光纤通孔7与所述第一预留通孔9-1之间的光纤为所述光纤宏弯压力传感器的入射光纤8；所述出射光纤通孔10与所述第二预留通孔9-2之间的光纤为所述光纤宏弯压力传感器的出射光纤11。
优选的，所述壳体5为封闭的圆筒结构。所述弹性膜片3为圆形结构。
优选的，所述弹性膜片3、所述传力杆2、所述壳体5的材质均为抗腐蚀材质。
优选的，所述壳体5的材质为不锈钢、铝合金或者其他高强度聚合物。所述弹性膜片3、所述传力杆2的材质为不锈钢或者铝合金。
本发明提供的一种光纤宏弯压力传感器的工作原理为：在压力的作用下，弹性膜片3中心产生位移，通过传力杆2传递到出射光纤通孔10，使得光纤宏弯段6的半径发生变化，从而改变光信号在光纤宏弯段6光强损耗，实现对压力的测量。
在本实施例中，本发明提供的一种光纤宏弯压力传感器可以根据测量环境的需要，通过改变弹性膜片3的厚度和半径来实现量程、精度及灵敏度的改变，也可以通过改变光纤宏弯段6的初始半径来实现，使得其应用更为广泛。
图2是本发明实施例光纤宏弯压力传感器测量系统的结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供了一种光纤宏弯压力传感器的测量系统，所述测量系统包括光源12、光电二极管14、信号调理电路15、计算机16以及光纤宏弯压力传感器13。所述光纤宏弯压力传感器13的入射光纤8穿过所述第一预留通孔9-1与所述光源12连接；所述光纤宏弯压力传感器13的出射光纤11穿过所述第二预留通孔9-2与所述光电二极管14的输入端连接；所述光电二极管14的输出端通过所述信号调理电路15与所述计算机16电连接；其中，所述光电二极管14将光信号转换成电压信号。
光源12发出的光经入射光纤8传输到光纤宏弯段6；在压力作用下，光纤宏弯段6的半径发生变化，从而改变光信号的损失量；带有压力信号的光经出射光纤11进入光电二极管14，光信号转换为电压信号并经过信号调理电路15传输到计算机16。
下面通过理论分析进一步说明本发明的测量压力的光纤宏弯压力传感器。
本发明采用弹性膜片与光纤宏弯组合结构，弹性膜片在压力作用下产生的中心位移通过传力杆转化为光纤宏弯段的半径变化量，使得光信号在光纤宏弯段产生光强损耗，通过光电二极管将光信号转化为电信号，实现对压力的测量。
圆形弹性膜片满足周边固支条件，在压力P作用下，其中心位移yc为：
式中E、α、μ、t分别为弹性膜片的弹性模量、半径、泊松比、厚度。
根据几何关系，弹性膜片中心位移yc与光纤宏弯段半径R的关系为：
yc＝2R (2)。
同时，在弯曲光纤中，光强损耗2α与光纤宏弯段半径R的关系式为：
式中r为光纤纤芯半径，βg，γ，κ，V为传播常数及波导数量。
将式(1)及(2)代入式(3)，可得光纤宏弯段光强损耗与弹性膜片所受压力之间的理论关系式为：
实际上，由于其余参数皆为常数，上式进一步简化为：
式中
两者皆为常数，可以通过实验数据拟合获得。经过标定实验获得光强损耗对应压力的变化曲线，通过读取光强损耗变化可以得到当前的压力值。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种光纤宏弯压力传感器，其特征在于，所述光纤宏弯压力传感器包括：壳体、弹性膜片、支架、套筒、传力杆、光纤、入射光纤通孔、出射光纤通孔；
所述壳体底部固定设置所述弹性膜片，所述壳体内部固定设置所述支架以固定所述套筒，所述壳体顶部设有所述入射光纤通孔；所述壳体为封闭的圆筒结构；
所述传力杆穿过所述套筒，所述传力杆的一端固定在所述弹性膜片的中心上，所述传力杆的另一端固定连接所述出射光纤通孔；
所述光纤依次穿过所述入射光纤通孔、所述出射光纤通孔，使所述光纤在所述入射光纤通孔与所述出射光纤通孔之间形成光纤宏弯段；所述入射光纤通孔、所述出射光纤通孔、所述传力杆、所述套筒均沿着所述壳体的中轴线设置；
根据测量环境的需要，通过改变所述弹性膜片的厚度和半径，或者改变所述光纤宏弯段的初始半径来实现量程、精度及灵敏度的改变。
2.根据权利要求1所述的光纤宏弯压力传感器，其特征在于，所述壳体上还设有第一预留通孔、第二预留通孔；所述第一预留通孔与所述入射光纤通孔在同一水平线上；所述第二预留通孔与所述出射光纤通孔在同一水平线上；所述光纤穿过所述第一预留通孔进入所述壳体内；所述光纤穿过所述第二预留通孔离开所述壳体。
3.根据权利要求1所述的光纤宏弯压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片为圆形结构。
4.根据权利要求1所述的光纤宏弯压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片、所述传力杆、所述壳体的材质均为抗腐蚀材质。
5.根据权利要求4所述的光纤宏弯压力传感器，其特征在于，所述壳体的材质为不锈钢、铝合金或者其他高强度聚合物。
6.根据权利要求4所述的光纤宏弯压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片、所述传力杆的材质为不锈钢或者铝合金。
7.一种光纤宏弯压力传感器的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括光源、光电二极管、信号调理电路、计算机以及权利要求1-6任一项所述的光纤宏弯压力传感器；
所述光纤宏弯压力传感器的入射光纤穿过第一预留通孔与所述光源连接；所述光纤宏弯压力传感器的出射光纤穿过第二预留通孔与所述光电二极管的输入端连接；所述光电二极管的输出端通过所述信号调理电路与所述计算机电连接；其中，所述光纤宏弯压力传感器的入射光纤为所述入射光纤通孔与所述第一预留通孔之间的光纤，所述光纤宏弯压力传感器的出射光纤为所述出射光纤通孔与所述第二预留通孔之间的光纤；所述光电二极管将光信号转换成电压信号。
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- 2018-08-10 CN CN201810906130.XA patent/CN109186825B/zh active Active
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