CN111307362A - 一种光纤光栅压力传感器及其使用方法 - Google Patents

一种光纤光栅压力传感器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅压力传感器，其使用方法为：将光纤光栅压力传感器通过光纤光栅信号解调仪与上位机软件系统连接；对每个压力光纤光栅的位置高度进行标定，分别获取每个压力光纤光栅和每个温度补偿光纤光栅的初始波长数据；将光纤光栅压力传感器放置于其量程范围内的液体之中，通过光纤光栅信号解调仪读取压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅的实时波长数据；根据初始波长数据和实时波长数据，消除环境温度对压力光纤光栅的影响，获取压力光纤光栅的波长偏移值；根据所有压力光纤光栅的波长偏移值和位置高度，获取液位高度。本发明采用光纤光栅压力传感器测量的液位高度精准，且不受液体密度和重力加速度的影响。

Description

一种光纤光栅压力传感器及其使用方法
技术领域
本发明数据传感器领域，具体涉及一种光纤光栅压力传感器及其使用方法。
背景技术
光纤光栅传感器因其抗电磁干扰能力强，对压力测量参量具有极高的测量精度和线性度，逐渐被应用于特殊环境的液位监测。光纤光栅压力传感器是基于液压与光纤光栅布拉格波长漂移响应的线性关系。在现有技术中提出了金属膜片式的光纤光栅压力传感器，其工作原理是液位压力与光纤光栅反射波长具有线性关系，其线性度达到0.9999，利用液体压力变化引起隔离膜片形变，从未使得光纤光栅发生相应的形变，通过反射波长来获知液位的变化。其不足之处在于：不能很好的解决温度补偿问题，对于压力的灵敏度还不够高，以及测量液位受液体密度和重力加速度的影响。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种光纤光栅压力传感器解决了现有技术中金属膜片式的光纤光栅压力传感器存在的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种光纤光栅压力传感器，包括外壳和压力光纤，所述外壳为空腔长方体，其一面的中线上设置有N个等间距的第一圆孔，每个所述第一圆孔上固定有对应的第一圆形金属膜片，所述外壳的另一面上设置有N个与第一圆孔正对且大小相同的第二圆孔，每个所述第二圆孔上均固定有第二圆形金属膜片，所述压力光纤上刻写有若干压力光纤光栅，其一端穿设于第一圆形金属膜片的圆心，其另一端穿设于第二圆形金属膜片的圆心；
每个所述压力光纤旁均设置有与其对应的温度光纤，所述温度光纤上刻写有若干温度补偿光纤光栅，其一端穿设于第一圆孔所在的面，其另一端穿设于第二圆孔所在的面；所述压力光纤和温度光纤均呈蛇形连接。
进一步地，所述外壳的顶部开口，所述压力光纤光栅位于第一圆形金属膜片与第二圆形金属膜片之间的中间位置。
进一步地，所述第一圆形金属膜片和第二圆形金属膜片与外壳的连接处均采用密封处理，所述第一圆孔与第一圆形金属膜片的连接处采用密封处理，所述第二圆孔与第二圆形金属膜片的连接处采用密封处理。
进一步地，所述压力光纤与其对应的温度光纤平行，且压力光纤和其对应的温度光纤到外壳底部的间距相同。
本发明的有益效果为：
本发明在每个压力光纤两端分别设置有圆形金属膜片，圆形金属膜片对液压呈线性响应，并且能够将液压的变化转化为压力光纤光栅波长的变化，双金属膜片的结构增强了光纤光栅压力传感器的灵敏度。
本发明在每个压力光纤旁设置对应的且高度相同的温度光纤，温度光纤上设置有多个温度补偿光纤光栅，对压力光纤光栅起到了的补偿作用，消除了外界环境温度对压力光纤光栅的影响，提高了获取液位信息的准确性。
本发明采用圆形金属膜片，其具有良好的稳定性、耐化学性、回弹性和极小的压缩变型性，适用于测量不同液体场景。
一种光纤光栅压力传感器的使用方法，包括以下步骤：
S1、将光纤光栅压力传感器通过光纤光栅信号解调仪与上位机软件系统连接；
S2、对每个压力光纤光栅的位置高度进行标定，分别获取每个压力光纤光栅和每个温度补偿光纤光栅的初始波长数据；
S3、将光纤光栅压力传感器放置于其量程范围内的液体之中，通过光纤光栅信号解调仪读取压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅的实时波长数据；
S4、根据初始波长数据和实时波长数据，通过上位机软件系统消除环境温度对压力光纤光栅的影响，获取压力光纤光栅的波长偏移值；
S5、根据浸入液体的压力光纤光栅的波长偏移值和位置高度，获取液位高度。
进一步地，所述步骤S4中压力光纤光栅的波长偏移值xi具体为：
xi＝(λi-λi0)-(λiT-λiT0)
其中，i＝1,2,...,N，N为压力光纤光栅的总个数，λi0表示第i个压力光纤光栅的初始波长数据，λiT0表示第i个温度补偿光纤光栅的初始波长数据，λi表示第i个压力光纤光栅的实时波长数据，λiT表示第i个温度补偿光纤光栅的实时波长数据。
进一步地，所述步骤S5包括以下分步骤：
S5.1、通过上位机软件系统筛选出浸入液体的压力光纤光栅，并记其个数为M；
S5.2、根据所述M个压力光纤光栅的位置高度和波长偏移值，获取液位高度。
进一步地，所述步骤S5.2中液位高度a具体为：
Figure BDA0002424726330000031
其中，yj表示第j个压力光纤光栅的位置高度，b表示光纤光栅压力传感器的灵敏度，xj表示第j个压力光纤光栅的波长偏移值，j＝1,2,...,M。
进一步地，所述灵敏度b为：
Figure BDA0002424726330000041
本发明的有益效果为：根据多个压力光纤光栅的波长数据，采用一元线性回归算法拟合液位高度方程式，测量的液位高度精准，且不受液体密度和重力加速度的影响。
附图说明
图1为本发明提出的一种光纤光栅压力传感器示意图；
图2为本发明提出的一种光纤光栅压力传感器正视、左侧视以及俯视图；
图3为本发明提出的一种光纤光栅压力传感器的使用方法流程图；
图4为本发明中光纤光栅压力传感器、光纤光栅信号解调仪和上位机软件系统连接示意图；
图5为本发明中一元线性回归算法测量液位原理图；
其中：1-外壳、2-第一圆形金属膜片、3-第二圆形金属膜片、4-压力光纤、5-压力光纤光栅、6-温度光纤、7-温度补偿光纤光栅。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1和图2共同所示，一种光纤光栅压力传感器，包括外壳1和压力光纤4，所述外壳1为空腔长方体，其一面的中线上设置有N个等间距的第一圆孔，每个所述第一圆孔上固定有对应的第一圆形金属膜片2，所述外壳1的另一面上设置有N个与第一圆孔正对且大小相同的第二圆孔，每个所述第二圆孔上均固定有第二圆形金属膜片3，所述压力光纤4上刻写有若干压力光纤光栅5，其一端穿设于第一圆形金属膜片2的圆心，其另一端穿设于第二圆形金属膜片3的圆心；
每个所述压力光纤4旁均设置有与其对应的温度光纤6，所述温度光纤6上刻写有若干温度补偿光纤光栅7，其一端穿设于第一圆孔所在的面，其另一端穿设于第二圆孔所在的面；所述压力光纤4和温度光纤6均呈蛇形连接。
所述外壳1的顶部开口，所述压力光纤光栅5位于第一圆形金属膜片2与第二圆形金属膜片3之间的中间位置。
所述第一圆形金属膜片2和第二圆形金属膜片3与外壳1的连接处均采用密封处理，所述第一圆孔与第一圆形金属膜片2的连接处采用密封处理，所述第二圆孔与第二圆形金属膜片3的连接处采用密封处理。
所述压力光纤4与其对应的温度光纤6平行，且压力光纤4和其对应的温度光纤6到外壳1底部的间距相同。
如图3-图4所示，一种光纤光栅压力传感器的使用方法，包括以下步骤：
S1、将光纤光栅压力传感器通过光纤光栅信号解调仪与上位机软件系统连接；
S2、对每个压力光纤光栅5的位置高度进行标定，分别获取每个压力光纤光栅5和每个温度补偿光纤光栅7的初始波长数据；
S3、将光纤光栅压力传感器放置于其量程范围内的液体之中，通过光纤光栅信号解调仪读取压力光纤光栅5和温度补偿光纤光栅7的实时波长数据；
S4、根据初始波长数据和实时波长数据，通过上位机软件系统消除环境温度对压力光纤光栅5的影响，获取压力光纤光栅5的波长偏移值；
S5、根据浸入液体的压力光纤光栅5的波长偏移值和位置高度，获取液位高度。
所述步骤S4中压力光纤光栅5的波长偏移值xi具体为：
xi＝(λi-λi0)-(λiT-λiT0)
其中，i＝1,2,...,N，N为压力光纤光栅5的总个数，λi0表示第i个压力光纤光栅5的初始波长数据，λiT0表示第i个温度补偿光纤光栅7的初始波长数据，λi表示第i个压力光纤光栅5的实时波长数据，λiT表示第i个温度补偿光纤光栅7的实时波长数据。
所述步骤S5包括以下分步骤：
S5.1、通过上位机软件系统筛选出浸入液体的压力光纤光栅5，并记其个数为M；
S5.2、根据所述M个压力光纤光栅5的位置高度和波长偏移值，获取液位高度。
如图5所示，在本实施例中，根据M个浸入液体中的压力光纤光栅5的高度位置及其波长偏移值拟合液体中压力光纤光栅5位置高度计算公式为：
y＝a+bx
其中，a为液位高度，b为光纤光栅压力传感器的灵敏度，x为压力光纤光栅5的波长偏移值；当压力光纤光栅5的波长偏移值x为0时，得到当前页面值，即a值。
所述步骤S5.2中液位高度a具体为：
Figure BDA0002424726330000061
其中，yj表示第j个压力光纤光栅5的位置高度，b表示光纤光栅压力传感器的灵敏度，xj表示第j个压力光纤光栅5的波长偏移值，j＝1,2,...,M。
所述灵敏度b为：
Figure BDA0002424726330000071
本发明的有益效果为：在每个压力光纤4两端分别设置有圆形金属膜片，圆形金属膜片对液压呈线性响应，并且能够将液压的变化转化为压力光纤光栅5波长的变化，双金属膜片的结构增强了光纤光栅压力传感器的灵敏度。本发明在每个压力光纤4旁设置对应的且高度相同的温度光纤6，温度光纤上设置有多个温度补偿光纤光栅7，对压力光纤光栅5起到了的补偿作用，消除了外界环境温度对压力光纤光栅5的影响，提高了获取液位信息的准确性。本发明采用圆形金属膜片，其具有良好的稳定性、耐化学性、回弹性和极小的压缩变型性，适用于测量不同液体场景。本发明根据多个压力光纤光栅的波长数据，采用一元线性回归算法拟合液位高度方程式，测量的液位高度精准，且不受液体密度和重力加速度的影响。

Claims (9)

1.一种光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括外壳(1)和压力光纤(4)，所述外壳(1)为空腔长方体，其一面的中线上设置有N个等间距的第一圆孔，每个所述第一圆孔上固定有对应的第一圆形金属膜片(2)，所述外壳(1)的另一面上设置有N个与第一圆孔正对且大小相同的第二圆孔，每个所述第二圆孔上均固定有第二圆形金属膜片(3)，所述压力光纤(4)上刻写有若干压力光纤光栅(5)，其一端穿设于第一圆形金属膜片(2)的圆心，其另一端穿设于第二圆形金属膜片(3)的圆心；
每个所述压力光纤(4)旁均设置有与其对应的温度光纤(6)，所述温度光纤(6)上刻写有若干温度补偿光纤光栅(7)，其一端穿设于第一圆孔所在的面，其另一端穿设于第二圆孔所在的面；所述压力光纤(4)和温度光纤(6)均呈蛇形连接。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述外壳(1)的顶部开口，所述压力光纤光栅(5)位于第一圆形金属膜片(2)与第二圆形金属膜片(3)之间的中间位置。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第一圆形金属膜片(2)和第二圆形金属膜片(3)与外壳(1)的连接处均采用密封处理，所述第一圆孔与第一圆形金属膜片(2)的连接处采用密封处理，所述第二圆孔与第二圆形金属膜片(3)的连接处采用密封处理。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压力光纤(4)与其对应的温度光纤(6)平行，且压力光纤(4)和其对应的温度光纤(6)到外壳(1)底部的间距相同。
5.一种如权利要求1所述光纤光栅压力传感器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将光纤光栅压力传感器通过光纤光栅信号解调仪与上位机软件系统连接；
S2、对每个压力光纤光栅(5)的位置高度进行标定，分别获取每个压力光纤光栅(5)和每个温度补偿光纤光栅(7)的初始波长数据；
S3、将光纤光栅压力传感器放置于其量程范围内的液体之中，通过光纤光栅信号解调仪读取压力光纤光栅(5)和温度补偿光纤光栅(7)的实时波长数据；
S4、根据初始波长数据和实时波长数据，通过上位机软件系统消除环境温度对压力光纤光栅(5)的影响，获取压力光纤光栅(5)的波长偏移值；
S5、根据浸入液体的压力光纤光栅(5)的波长偏移值和位置高度，获取液位高度。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅压力传感器的使用方法，其特征在于，所述步骤S4中压力光纤光栅(5)的波长偏移值xi具体为：
xi＝(λi-λi0)-(λiT-λiT0)
其中，i＝1,2,...,N，N为压力光纤光栅(5)的总个数，λi0表示第i个压力光纤光栅(5)的初始波长数据，λiT0表示第i个温度补偿光纤光栅(7)的初始波长数据，λi表示第i个压力光纤光栅(5)的实时波长数据，λiT表示第i个温度补偿光纤光栅(7)的实时波长数据。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅压力传感器的使用方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：
S5.1、通过上位机软件系统筛选出浸入液体的压力光纤光栅(5)，并记其个数为M；
S5.2、根据所述M个压力光纤光栅(5)的位置高度和波长偏移值，获取液位高度。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅压力传感器的使用方法，其特征在于，所述步骤S5.2中液位高度a具体为：
Figure FDA0002424726320000031
其中，yj表示第j个压力光纤光栅(5)的位置高度，b表示光纤光栅压力传感器的灵敏度，xj表示第j个压力光纤光栅(5)的波长偏移值，j＝1,2,...,M。
9.根据权利要求8所述的光纤光栅压力传感器的使用方法，其特征在于，所述灵敏度b为：
Figure FDA0002424726320000032
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