CN111998989A - 基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器 - Google Patents

基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器，压力端盖内加工有承压膜片、一端设置有光纤和光纤固定机构，光纤的首端固定在压力端盖上且光纤位于压力端盖的中心轴上，光纤上刻写有栅区长度相同、中心波长不同的第一光栅和第二光栅，第二光栅两侧设有光纤固定点，将光纤固定在光纤固定机构上，光纤固定机构上第一光栅和第二光栅所对的位置加工有凹槽，使第一光栅和第二光栅悬空，光纤固定机构上设有封装套管，光纤固定机构或封装套管上设置有增敏杆，增敏杆的端部正对第一光栅，封装套管的另一端设置有保护端盖，光纤的尾端伸出到保护端盖外。本发明具有结构简单、灵敏度高、操作方便的优点，在工业自控环境中可以广泛推广使用。

Description

基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器。
背景技术
压力传感器被广泛应用于各种工业自控环境中，如水利、交通、电力、船舶、自动化、航空航天、石化和管道等众多行业，现阶段常用到的是传统的电类压力传感器。井下油层压力测量是判断油井变化、确定油层位置、厚度和含水率等的重要技术指标。一般油气井下的压力传感器件工作在高温高压、强腐蚀、强辐射等恶劣环境中，该环境对传感器的强度、密封性、耐腐蚀性具有较高的要求，传统电类压力传感器易受极端环境影响，寿命短，稳定性差，严重影响压力测量精度。
光纤光栅一般是通过特定的方法在光纤内一段纤芯或包层中引入周期性折射率调制而形成的一种光纤无源器件。基于光纤光栅结构的传感器已被广泛的应用于温度、压力、磁场等多种物理量的测量。以光纤光栅为传感元件，外界信号的感知与信息传输均在光纤中完成，其具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，可以满足油气井下压力测量需求。然而，光纤光栅相对于光纤干涉结构灵敏度较低，需要增加额外的增敏结构；压力和温度都会引起光纤光栅的中心波长的漂移，需要消除压力和温度的交叉敏感问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、温度自补偿的基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：压力端盖内加工有承压膜片、一端设置有光纤和光纤固定机构，光纤的首端固定在压力端盖上且光纤位于压力端盖的中心轴上，光纤上刻写有中心波长不同的第一光栅和第二光栅，第二光栅两侧设有光纤固定点，将光纤固定在光纤固定机构上，光纤固定机构上第一光栅和第二光栅所对的位置加工有凹槽，使第一光栅和第二光栅悬空，光纤固定机构上设有封装套管，光纤固定机构或封装套管上设置有增敏杆，增敏杆的端部正对第一光栅，封装套管的另一端设置有保护端盖，光纤的尾端伸出到保护端盖外。
作为一种优选的技术方案，所述的压力端盖的结构为：压力端盖本体一端端面中部加工有轴向压力孔，压力孔的底部为承压膜片，端盖本体另一端中部加工有传压杆、传压杆外加工有连接套，传压杆与承压膜片连为一体，连接套外壁上加工有螺纹。
作为一种优选的技术方案，所述的第一光栅固定时施加一定的轴向预应力，使中心波长漂移2～5nm。
作为一种优选的技术方案，所述的第一光栅与第二光栅之间的距离为10～20mm。
作为一种优选的技术方案，所述的传压杆横截面为矩形或半圆形或圆形。
作为一种优选的技术方案，所述的承压膜片为三角形或矩形或圆形，厚度为1.5～4.5mm。
发明的有益效果如下：
本发明通过改变承压膜片的面积和厚度来调整光纤光栅压力传感器的灵敏度和量程，以适应不同场合的监测要求，通过增敏杆来调整施加横向预应力的大小，横向预应力的施加最大可以使得轴向应变灵敏度增加二十倍，从而大幅提高压力传感器的灵敏度。本发明采用双光栅，由于两光栅距离较近，可认为处于同一温度场中，实现温度自补偿。本发明具有结构简单、灵敏度高、操作方便的优点，在工业自控环境中可以广泛推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例2的结构示意图。
图3是本发明实施例3的结构示意图。
图4是本发明实施例1的结构在0～50MPa压力测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器由压力端盖1、承压膜片2、光纤固定机构3、增敏杆4、光纤5、封装套管6保护端盖7连接构成。
压力端盖1本体一端端面中部加工有轴向压力孔，压力孔的底部加工有承压膜片2，承压膜片2为圆形，厚度为3mm，压力端盖1本体另一端中部加工有传压杆、传压杆外加工有连接套，传压杆与承压膜片2连为一体，传压杆的截面为圆形，连接套外壁上加工有螺纹，连接套上螺纹连接有光纤固定机构3，光纤固定机构3为安装套一端连为一体加工有光纤固定杆，光纤固定杆的横截面为半圆，安装套的轴线位于光学固定杆表平面上，光纤固定杆表平面上间隔加工有两个凹槽，压力端盖1的传压杆伸入到光纤固定机构3的安装套内且安装套安装在压力端盖1的连接套上，光纤5的首端固定在传压杆的端面中心，光纤5的中心线与传压杆的轴线重合，光纤5上刻写有栅区长度相同、波长不同的第一光栅9和第二光栅8，第一光栅9的栅区长度为4mm，第一光栅9与第二光栅8之间的距离为15mm，第一光栅9为测压光栅，第二光栅8为测温光栅，第二光栅8两侧通过胶固定在光纤固定杆表平面上，第一光栅9固定时施加一定的轴向预应力，使中心波长漂移2～5nm，第一光栅9和第二光栅8分别位于光纤固定杆表平面凹槽上方，保证第一光栅9和第二光栅8为悬空状态，光纤固定机构3的安装套上螺纹连接安装有封装套管6，封装套管6和光纤固定杆对应加工有增敏杆4安装螺孔，增敏杆4安装螺孔内安装有增敏杆4，增敏杆4的端部正对第一光栅9，封装套管6的另一端螺纹连接有保护端盖7，封装套管6与保护端盖7和光纤固定机构3的安装套之间均安装有密封圈，光纤5的尾端伸出到保护端盖7外。
当外界油、气、水压力施加到承压膜片2上，压力变化量会直接作用于承压膜片2，导致承压膜片2产生向结构内部方向的凸起形变，凸起的形变量直接引起传压杆的微位移，由于第一光栅9的一端固定在传压杆上且在封装时施加了一定的轴向预应力，使得处于预拉伸状态的第一光栅9收缩，使其反射光谱波长向短波方向漂移，可通过测量波长的漂移量来测量外界压力的变化量。对第二光栅8未施加预应力，处于自由状态，即不受外界压力的影响，只响应环境温度的变化，可以补偿压力监测中的温度交叉敏感。
实施例2
在图2中，本实施例压力端盖1本体一端端面中部加工有轴向压力孔，压力孔的底部加工有承压膜片2，承压膜片2为方形，厚度为1.5mm，压力端盖1本体另一端中部加工有传压杆、传压杆外加工有连接套，传压杆与承压膜片2连为一体，传压杆的截面为矩形，连接套外壁上加工有螺纹，连接套上螺纹连接有光纤固定机构3，光纤固定机构3为安装套一端连为一体加工有光纤固定杆，光纤固定杆的横截面为矩形，安装套的轴线位于光学固定杆表平面上，光纤固定杆表平面上间隔加工有两个凹槽，压力端盖1的传压杆伸入到光纤固定机构3的安装套内且安装套安装在压力端盖1的连接套上，光纤5的首端固定在传压杆的端面中心，光纤5的中心线与传压杆的轴线重合，光纤5上刻写有栅区长度相同、中心波长不同的第一光栅9和第二光栅8，第一光栅9的栅区长度为1mm，第一光栅9与第二光栅8之间的距离为10mm，第一光栅9位测压光栅，第二光栅8为测温光栅，第二光栅8两侧通过胶固定在光纤固定杆表平面上，第一光栅9固定时施加一定的轴向预应力，使中心波长漂移2～5nm，第一光栅9和第二光栅8分别位于光纤固定杆表平面凹槽上方，保证第一光栅9和第二光栅8为悬空状态，光纤固定机构3的安装套上螺纹连接安装有封装套管6，封装套管6管壁上加工有增敏杆4安装螺孔，增敏杆4安装螺孔内安装有增敏杆4，增敏杆4的端部正对第一光栅9，封装套管6的另一端螺纹连接有保护端盖7，封装套管6与保护端盖7和光纤固定机构3的安装套之间均安装有密封圈，光纤5的尾端伸出到保护端盖7外。
实施例3
在图3中，本实施例压力端盖1本体一端端面中部加工有轴向压力孔，压力孔的底部加工有承压膜片2，承压膜片2为三角形，厚度为4.5mm，压力端盖1本体另一端中部加工有传压杆、传压杆外加工有连接套，传压杆与承压膜片2连为一体，传压杆的截面为半圆形，连接套外壁上加工有螺纹，连接套上螺纹连接有光纤固定机构3，光纤固定机构3为安装套一端连为一体加工有光纤固定杆，光纤固定杆的横截面为半圆形，安装套的轴线位于光学固定杆表平面上，光纤固定杆表平面上间隔加工有两个凹槽，压力端盖1的传压杆伸入到光纤固定机构3的安装套内且安装套安装在压力端盖1的连接套上，光纤5的首端固定在传压杆的端面中心，光纤5的中心线与传压杆的轴线重合，光纤5上刻写有栅区长度相同、中心波长不同的第一光栅9和第二光栅8，第一光栅9的栅区长度为20mm，第一光栅9与第二光栅8之间的距离为20mm，第一光栅9位测压光栅，第二光栅8为测温光栅，第二光栅8两侧通过胶固定在光纤固定杆表平面上，第一光栅9固定时施加一定的轴向预应力，使中心波长漂移2～5nm，第一光栅9和第二光栅8分别位于光纤固定杆表平面凹槽上方，保证第一光栅9和第二光栅8为悬空状态，光纤固定机构3的安装套上螺纹连接安装有封装套管6，光纤固定杆对应加工有增敏杆4安装螺孔，增敏杆4安装螺孔内安装有增敏杆4，增敏杆4的端部正对第一光栅9，封装套管6的另一端螺纹连接有保护端盖7，封装套管6与保护端盖7和光纤固定机构3的安装套之间均安装有密封圈，光纤5的尾端伸出到保护端盖7外。
为了验证本发明的有益效果，发明人进行了如下测试试验，试验情况如下：
一、测试仪器
压力校验装置：压力泵(ConST135A，0-100MPa，液压，北京康斯特)，标准压力校验器(ConST273，0-60MPa，0.02％FS，液压，北京康斯特)。
光纤光栅解调仪：Micron Optics公司的Si155(波长范围1510nm-1590nm，波长稳定性和精度为1pm)。
二、实验设计与结果分析
1、建立测试系统
采用校准精度为0.02％、压力范围为0Mpa至60Mpa的压力校验器进行油压压力初步测量。本发明中的压力计通过M20X1.5的接口与压力泵连接，压力计中的光纤尾端直接连接到Si155光纤光栅解调仪上，通过压力泵增压降压，观察并记录两个光纤光栅反射光谱的中心波长。
2、测试方法
本次压力测量范围为0-50Mpa，每5Mpa记录一次传感器波长变化量，重复进行三次升压和降压的往复测试。
3、实验结果及分析
测试结果如图所示4，横轴为压力值，纵轴为光栅波长的绝对变化值，三次升压和降压波长绝对变化值与压力值基本重合，呈良好的线性关系。

Claims (6)

1.一种基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器，其特征在于：压力端盖(1)内加工有承压膜片(2)、一端设置有光纤(5)和光纤固定机构(3)，光纤(5)的首端固定在压力端盖(1)上且光纤(5)位于压力端盖(1)的中心轴上，光纤(5)上刻写有中心波长不同的第一光栅(9)和第二光栅(8)，第二光栅(8)两侧设有光纤固定点，将光纤(5)固定在光纤固定机构(3)上，光纤固定机构(3)上第一光栅(9)和第二光栅(8)所对的位置加工有凹槽，使第一光栅(9)和第二光栅(8)悬空，光纤固定机构(3)上设有封装套管(6)，光纤固定机构(3)或封装套管(6)上设置有增敏杆(4)，增敏杆(4)的端部正对第一光栅(9)，封装套管(6)的另一端设置有保护端盖(7)，光纤(5)的尾端伸出到保护端盖(7)外。
2.根据权利要求1所述的基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器，其特征在于所述的压力端盖(1)的结构为：压力端盖(1)本体一端端面中部加工有轴向压力孔，压力孔的底部为承压膜片(2)，端盖本体另一端中部加工有传压杆、传压杆外加工有连接套，传压杆与承压膜片(2)连为一体，连接套外壁上加工有螺纹。
3.根据权利要求1所述的基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的第一光栅(9)固定时施加一定的轴向预应力，使中心波长漂移2～5nm。
4.根据权利要求1所述的基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的第一光栅(9)与第二光栅(8)之间的距离为10～20mm。
5.根据权利要求1所述的基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的传压杆横截面为矩形或半圆形或圆形。
6.根据权利要求1所述的基于横向载荷增敏的膜片式光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的承压膜片(2)为三角形或矩形或圆形，厚度为1.5～4.5mm。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112461436A (zh) * 2020-12-02 2021-03-09 南通装配式建筑与智能结构研究院 一种简易式光纤光栅渗压计
CN113551819A (zh) * 2021-08-24 2021-10-26 南京邮电大学 一种耐高温光纤布拉格光栅压力传感器
CN114136529A (zh) * 2021-11-30 2022-03-04 山东大学 一种基于集成光学的可快速定制的压力传感器及定制方法
CN114910200A (zh) * 2022-05-13 2022-08-16 三峡大学 一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090297089A1 (en) * 2007-06-22 2009-12-03 An-Bin Huang Fiber grating sensor
CN103017950A (zh) * 2012-11-26 2013-04-03 山东大学 一种高灵敏度光纤光栅土压力计
CN205280311U (zh) * 2016-01-11 2016-06-01 山东省科学院激光研究所 基于光纤负压波的油气管道泄漏监测定位系统
CN105841878A (zh) * 2016-05-17 2016-08-10 中国电子科技集团公司第八研究所 耐高温光纤光栅压力传感器
CN106441140A (zh) * 2016-10-25 2017-02-22 武汉理工大学 一种光纤光栅应变增敏传感器
CN206891626U (zh) * 2016-11-15 2018-01-16 山东科技大学 一种新型光纤光栅土压力传感器
CN208458900U (zh) * 2018-07-24 2019-02-01 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 一种光纤光栅压力传感器结构

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090297089A1 (en) * 2007-06-22 2009-12-03 An-Bin Huang Fiber grating sensor
CN103017950A (zh) * 2012-11-26 2013-04-03 山东大学 一种高灵敏度光纤光栅土压力计
CN205280311U (zh) * 2016-01-11 2016-06-01 山东省科学院激光研究所 基于光纤负压波的油气管道泄漏监测定位系统
CN105841878A (zh) * 2016-05-17 2016-08-10 中国电子科技集团公司第八研究所 耐高温光纤光栅压力传感器
CN106441140A (zh) * 2016-10-25 2017-02-22 武汉理工大学 一种光纤光栅应变增敏传感器
CN206891626U (zh) * 2016-11-15 2018-01-16 山东科技大学 一种新型光纤光栅土压力传感器
CN208458900U (zh) * 2018-07-24 2019-02-01 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 一种光纤光栅压力传感器结构

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GETINET WOYESSA 等: "anced pressure and thermal sensitivity of polymer optical fiber Bragg grating sensors", 《OPTICS AND LASER TECHNOLOGY》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112461436A (zh) * 2020-12-02 2021-03-09 南通装配式建筑与智能结构研究院 一种简易式光纤光栅渗压计
CN113551819A (zh) * 2021-08-24 2021-10-26 南京邮电大学 一种耐高温光纤布拉格光栅压力传感器
CN114136529A (zh) * 2021-11-30 2022-03-04 山东大学 一种基于集成光学的可快速定制的压力传感器及定制方法
CN114910200A (zh) * 2022-05-13 2022-08-16 三峡大学 一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法
CN114910200B (zh) * 2022-05-13 2023-08-25 三峡大学 一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法

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