CN110186589B - 一种耐高水压的光纤光栅温度传感器及装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种耐高水压的光纤光栅温度传感器及装配方法，它包括外壳，所述外壳的内部设置有内腔体，所述内腔体的内部设置光纤光栅，所述光纤光栅的光纤引出线穿过上盖并引出外壳，所述上盖固定安装在外壳的一端并对内腔体的一侧进行密封；所述外壳上与上盖相对的一端安装有用于对内腔体另一侧密封的下盖。其使用方便、连接简单，既具有较强的保护强度，又能够对环境温度迅速响应的耐高水压的光纤光栅温度传感器，以解决常规光纤光栅温度传感器结构复杂、制造工艺复杂，无法应用在高水压这一特殊的恶劣环境的问题。

Description

一种耐高水压的光纤光栅温度传感器及装配方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅温度传感器，尤其涉及一种耐高水压的光纤光栅温度传感器及装配方法，属于光纤光栅传感器设计领域。

背景技术

随着国民经济的发展和环境保护要求的提升，水电作为可再生的清洁能源愈发获得广泛应用。伴随着水电开发技术的进步，高坝大库水电站日益增多。目前已经建成了数座坝高200米级的水电站，数座坝高300米级的水电站正在建设中。这些高坝均要求埋设在坝体内部的监测仪器具备耐高水压特性：如耐水压达到5MPa，甚至是7MPa。以确保在高水头压力的情况下，监测仪器能长期正常工作，为水电站安全运行提供可靠的监测手段。

传统的水电站大坝安全监测仪器主要采用差阻式传感器和振弦式传感器。该类传感器为电信号类传感器，如果信号引线与传感器基体接头处密封不良，受到高水压的外部挤压导致绝缘破坏就会导致传感器失效；而且该类传感器存在输出信号弱、信号稳定性差、使用寿命短等缺陷。

光纤光栅传感器是一种新型的光测传感器，具有体积小、本质安全、对电绝缘、抗电磁干扰、精度好、可靠性高、环境适应性强、适用于远距离传感检测等优点，还可以在单根光纤上布置多个针对不同参数的测量光栅形成分布式传感网络，实现一线多点、无源多场的实时数据检测。

目前，常规的光纤光栅温度传感器与信号光缆的连接采用套管式的金属接头过度，主要靠二者之间的挤压摩擦力固定，其自身结构比较脆弱，只能承受较小的水压，若接头处密封不良，水进入传感器基体会影响测量精度。故常规的光纤光栅温度传感器不能应用在高水压这一特殊的恶劣环境。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种使用方便、连接简单的，既具有较强的保护强度，又能够对环境温度迅速响应的耐高水压的光纤光栅温度传感器，以解决常规光纤光栅温度传感器结构复杂、制造工艺复杂，无法应用在高水压这一特殊的恶劣环境的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种耐高水压的光纤光栅温度传感器，它包括外壳，所述外壳的内部设置有内腔体，所述内腔体的内部设置光纤光栅，所述光纤光栅的光纤引出线穿过上盖并引出外壳，所述上盖固定安装在外壳的一端并对内腔体的一侧进行密封；所述外壳上与上盖相对的一端安装有用于对内腔体另一侧密封的下盖。

所述上盖包括螺纹柱段和第一锥台段，所述第一锥台段与加工在外壳内部的内楔形面相配合，所述螺纹柱段上安装有螺母并将整个上盖压装在外壳上；在上盖的中心加工有直径不等且相连通的第一中心孔和第二中心孔。

所述锥台段的锥形面与内楔形面相配合的位置设置有第一密封圈。

所述第一中心孔内部填充有用于对光纤引出线密封的第一密封胶体，所述第二中心孔内部填充有用于对光纤引出线密封的第二密封胶体。

所述下盖采用法兰端盖结构，在其外缘均布加工有阶梯法兰孔，所述阶梯法兰孔通过螺栓与外壳端面上的螺纹孔固定相连。

所述下盖与内腔体相配合的端面加工有第二锥台段，所述第二锥台段与加工在外壳上的外楔形面相配合。

所述第二锥台段和外楔形面相配合的位置设置有第二密封圈。

所述光纤光栅自由弯曲的设置在由内腔体、上盖和下盖所围成的工作腔内部。

所述第一密封胶体和第二密封胶体都采用环氧树脂材料进行紧密封装。

任意一项所述耐高水压的光纤光栅温度传感器的装配方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将光纤光栅的光纤引出线穿过上盖的第一中心孔和第二中心孔，并使其位于内腔体内部的光纤光栅呈自由弯曲松弛的状态，待光纤引出线引出上盖之后，在第一中心孔内部点胶填充形成第一密封胶体，在第二中心孔内部点胶填充形成第二密封胶体，并保证上盖中心孔的密封；

第二步，在上盖的第一锥台段上套装第一密封圈，将带有光纤光栅的上盖通过外壳的下表面进入到外壳内部的工作腔内，且在进入外壳内部时，将上盖带有螺纹的一端放于前端位置，并保证第一锥台段与内楔形面相接触，进而将第一密封圈预压紧；

第三步，当上盖的螺纹柱段穿过外壳之后，在螺纹柱段上安装螺母，通过旋紧螺母来调节上盖的第一锥台段与外壳的内楔形面之间的松紧程度，使其压紧第一密封圈，达到最佳密封效果；

第四步，在外壳的外楔形面上安装第二密封圈，再将下盖的第二锥台段与外楔形面相配合，进而将第二密封圈预压紧；

第五步，将下盖和外壳之间通过螺栓固定相连，并通过螺栓调节第二密封圈的压紧程度，使其达到最佳的密封效果，进而使得工作腔处于完全封闭状态，完成对该传感器的封装制造。

本发明有如下有益效果：

1、光纤光栅在密闭的工作腔内处于弯曲松弛状态，其不会被压缩也不会被拉伸，避免了在测量过程中受光纤光栅拉应力形变的影响，且还不会因外界的振动而发生抖动，提高了传感器的稳定性，降低了测温误差。

2、该传感器不仅能够抵抗高水压的外力冲击，还具有抗腐蚀、抗电磁干扰、本质安全、尺寸小、易于复用等诸多优点外，而且对外界温度的感知灵敏度高并传感器封装结构合理，适合在恶劣环境中对基础建筑工程进行温度、压力参量的长期测量；还可以实现实时、在线、动态、分布式地测量堤坝下温度压力等参数，有效的解决了温度和压力交叉敏感的问题。

3、在上盖的左右两端开设有大小不同的通孔，使得在通过点胶将光纤光栅与通孔内侧进行固定时，能将多余的胶水能流入到较小的通孔中，从而使得点胶的位置固定，降低了传感器的生产加工难度，提高了传感器生产的成品率。

4、通过将上盖的第一锥台段与外壳的内楔形面之间的配合，并在两者之间设置第一密封圈，其能够达到最佳的密封效果，进而营造密闭的测量空间。

5、通过将下盖的第二锥台段与外壳的外楔形面之间的配合，并在两者之间设置第二密封圈，其能够达到最佳的密封效果，进而营造密闭的测量空间。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明主剖视图。

图中：上盖1、螺母2、外壳3、下盖4、光纤光栅5、第一密封圈6、工作腔7、第二密封圈8、第一密封胶体9、第二密封胶体10、第二中心孔11、第一中心孔12、内楔形面13、内腔体14、外楔形面15、螺栓16、光纤引出线17、第一锥台段18、螺纹柱段19、第二锥台段20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1

如图1，一种耐高水压的光纤光栅温度传感器，它包括外壳3，所述外壳3的内部设置有内腔体14，所述内腔体14的内部设置光纤光栅5，所述光纤光栅5的光纤引出线17穿过上盖1并引出外壳3，所述上盖1固定安装在外壳3的一端并对内腔体14的一侧进行密封；所述外壳3上与上盖1相对的一端安装有用于对内腔体14另一侧密封的下盖4。通过采用上述结构的光纤光栅温度传感器，由于其在使用过程中，光纤光栅5处于完全密闭的内腔体14内部，光纤光栅在密闭的工作腔内处于弯曲松弛状态，其不会被压缩也不会被拉伸，避免了在测量过程中受光纤光栅拉应力形变的影响，且还不会因外界的振动而发生抖动，提高了传感器的稳定性，降低了测温误差。

进一步的，所述上盖1包括螺纹柱段19和第一锥台段18，所述第一锥台段18与加工在外壳3内部的内楔形面13相配合，所述螺纹柱段19上安装有螺母2并将整个上盖1压装在外壳3上；在上盖1的中心加工有直径不等且相连通的第一中心孔12和第二中心孔11。所述锥台段18的锥形面与内楔形面13相配合的位置设置有第一密封圈6。通过采用上述的第一锥台段18和内楔形面13之间的楔形面配合方式，保证了两者的紧密配合，其大大的提高了上盖1和外壳3之间的密封性能和密封效果，以满足能在高水压高强度等恶劣环境下的各种需求。

此外，通过采用螺母2和螺纹柱段19之间的配合，能够调节上盖1与外壳3之间贴合的松紧度，进而满足测量环境的不同需求。

通过采用楔形面之间的配合，能够大大的提高上盖1和外壳3之间的对中，保证了两者在装配之后的同轴度。

进一步的，所述第一中心孔12内部填充有用于对光纤引出线17密封的第一密封胶体9，所述第二中心孔11内部填充有用于对光纤引出线17密封的第二密封胶体10。用第一密封胶体9和第二密封胶体10将光纤光栅5和不同大小的通孔内侧间隙进行点胶固定，从而更好的保证工作腔7内部处于完全密封的状态，而且通过点胶将对光纤光栅与通孔内侧进行固定时，能将多余的胶水能流入到较小的通孔中，从而使得点胶的位置固定，降低了传感器的生产加工难度，提高了传感器生产的成品率。

进一步的，所述下盖4采用法兰端盖结构，在其外缘均布加工有阶梯法兰孔，所述阶梯法兰孔通过螺栓16与外壳3端面上的螺纹孔固定相连。通过采用法兰连接结构，保证了最佳的连接效果。

进一步的，所述下盖4与内腔体14相配合的端面加工有第二锥台段20，所述第二锥台段20与加工在外壳3上的外楔形面15相配合。所述第二锥台段20和外楔形面15相配合的位置设置有第二密封圈8。通过采用上述的配合方式，增强了密封效果，保证了外壳3的下半部分达到完全封闭的状态，完成对该传感器的封装制造。

进一步的，所述光纤光栅5自由弯曲的设置在由内腔体14、上盖1和下盖4所围成的工作腔7内部。通过形成完全封闭工作腔7，保证了光纤光栅5不会因外界的振动而发生抖动，避免了光纤光栅5在测量过程中受轴向应力而发生形变的影响。

进一步的，所述第一密封胶体9和第二密封胶体10都采用环氧树脂材料进行紧密封装。通过采用点胶的方式，一方面保证了密封效果，另一方面简化了制造工艺，降低了制造成本。

实施例2：

任意一项所述耐高水压的光纤光栅温度传感器的装配方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将光纤光栅5的光纤引出线17穿过上盖1的第一中心孔12和第二中心孔11，并使其位于内腔体14内部的光纤光栅5呈自由弯曲松弛的状态，待光纤引出线17引出上盖1之后，在第一中心孔12内部点胶填充形成第一密封胶体9，在第二中心孔11内部点胶填充形成第二密封胶体10，并保证上盖1中心孔的密封；

第二步，在上盖1的第一锥台段18上套装第一密封圈6，将带有光纤光栅5的上盖1通过外壳3的下表面进入到外壳3内部的工作腔7内，且在进入外壳3内部时，将上盖1带有螺纹的一端放于前端位置，并保证第一锥台段18与内楔形面13相接触，进而将第一密封圈6预压紧；

第三步，当上盖1的螺纹柱段19穿过外壳3之后，在螺纹柱段19上安装螺母2，通过旋紧螺母2来调节上盖1的第一锥台段18与外壳3的内楔形面13之间的松紧程度，使其压紧第一密封圈6，达到最佳密封效果；

第四步，在外壳3的外楔形面15上安装第二密封圈8，再将下盖4的第二锥台段20与外楔形面15相配合，进而将第二密封圈8预压紧；

第五步，将下盖4和外壳3之间通过螺栓16固定相连，并通过螺栓16调节第二密封圈8的压紧程度，使其达到最佳的密封效果，进而使得工作腔7处于完全封闭状态，完成对该传感器的封装制造。

本发明的工作原理：

当处于外界高水压高强度等恶劣环境下时，因该传感器特殊的设计结构，置于在完全封闭工作腔7中的光纤光栅5不会因外界的振动而发生抖动，避免了光纤光栅5在测量过程中受轴向应力而发生形变的影响，所以封闭在工作腔7内的光纤光栅5只会受外界温度的影响，当温度发生变化时，则光纤光栅5感知温度变化其波长就会出现漂移；在实验室内通过测试标定后，即可得到波长漂移量和外界温度直接的函数关系，然后开展相关的实验测量，得到光纤光栅5的波长漂移情况，结合标定得到的函数关系，即可反推出被测外界的温度情况。

Claims (6)

1.一种耐高水压的光纤光栅温度传感器，其特征在于：它包括外壳（3），所述外壳（3）的内部设置有内腔体（14），所述内腔体（14）的内部设置光纤光栅（5），所述光纤光栅（5）的光纤引出线（17）穿过上盖（1）并引出外壳（3），所述上盖（1）固定安装在外壳（3）的一端并对内腔体（14）的一侧进行密封；所述外壳（3）上与上盖（1）相对的一端安装有用于对内腔体（14）另一侧密封的下盖（4）；

所述上盖（1）包括螺纹柱段（19）和第一锥台段（18），所述第一锥台段（18）与加工在外壳（3）内部的内楔形面（13）相配合，所述螺纹柱段（19）上安装有螺母（2）并将整个上盖（1）压装在外壳（3）上；在上盖（1）的中心加工有直径不等且相连通的第一中心孔（12）和第二中心孔（11）；

所述第一锥台段（18）的锥形面与内楔形面（13）相配合的位置设置有第一密封圈（6）；

所述下盖（4）采用法兰端盖结构，在其外缘均布加工有阶梯法兰孔，所述阶梯法兰孔通过螺栓（16）与外壳（3）端面上的螺纹孔固定相连；

所述下盖（4）与内腔体（14）相配合的端面加工有第二锥台段（20），所述第二锥台段（20）与加工在外壳（3）上的外楔形面（15）相配合。

2.根据权利要求1所述的一种耐高水压的光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述第一中心孔（12）内部填充有用于对光纤引出线（17）密封的第一密封胶体（9），所述第二中心孔（11）内部填充有用于对光纤引出线（17）密封的第二密封胶体（10）。

3.根据权利要求1所述的一种耐高水压的光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述第二锥台段（20）和外楔形面（15）相配合的位置设置有第二密封圈（8）。

4.根据权利要求1所述的一种耐高水压的光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述光纤光栅（5）自由弯曲的设置在由内腔体（14）、上盖（1）和下盖（4）所围成的工作腔（7）内部。

5.根据权利要求2所述的一种耐高水压的光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述第一密封胶体（9）和第二密封胶体（10）都采用环氧树脂材料进行紧密封装。

6.权利要求1-5任意一项所述耐高水压的光纤光栅温度传感器的装配方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将光纤光栅（5）的光纤引出线（17）穿过上盖（1）的第一中心孔（12）和第二中心孔（11），并使其位于内腔体（14）内部的光纤光栅（5）呈自由弯曲松弛的状态，待光纤引出线（17）引出上盖（1）之后，在第一中心孔（12）内部点胶填充形成第一密封胶体（9），在第二中心孔（11）内部点胶填充形成第二密封胶体（10），并保证上盖（1）中心孔的密封；

第二步，在上盖（1）的第一锥台段（18）上套装第一密封圈（6），将带有光纤光栅（5）的上盖（1）通过外壳（3）的下表面进入到外壳（3）内部的工作腔（7）内，且在进入外壳（3）内部时，将上盖（1）带有螺纹的一端放于前端位置，并保证第一锥台段（18）与内楔形面（13）相接触，进而将第一密封圈（6）预压紧；

第三步，当上盖（1）的螺纹柱段（19）穿过外壳（3）之后，在螺纹柱段（19）上安装螺母（2），通过旋紧螺母（2）来调节上盖（1）的第一锥台段（18）与外壳（3）的内楔形面（13）之间的松紧程度，使其压紧第一密封圈（6），达到最佳密封效果；

第四步，在外壳（3）的外楔形面（15）上安装第二密封圈（8），再将下盖（4）的第二锥台段（20）与外楔形面（15）相配合，进而将第二密封圈（8）预压紧；

第五步，将下盖（4）和外壳（3）之间通过螺栓（16）固定相连，并通过螺栓（16）调节第二密封圈（8）的压紧程度，使其达到最佳的密封效果，进而使得工作腔（7）处于完全封闭状态，完成对该传感器的封装制造。

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