CN112033586A - 一种基于fbg和3d熔融沉积技术的压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器及其制备方法，该压力传感器主要由上膜盖、中膜层和底盖组成。通过3D熔融沉积打印技术加工完成，为一体化设计，克服了现有传感器的传统加工工艺的缺点。该压力传感器设置为三层一体化结构，将第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器嵌入装置中，使得第一光纤光栅传感器与第一膜片、第二光纤光栅传感器与第二膜片充分接触，二者协同变形，解决了裸光纤光栅由于其脆弱、纤细、容易折断且抗剪能力差等特点，难以在土木工程中直接达到实际应用的问题，不仅可以量测土体上覆压力，还能量测土体下部的水压力，做到一个传感器两个用途的目标。该制备方法缩短了加工周期，降低了制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅压力传感器技术领域，特别涉及一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器及其制备方法。
背景技术
光纤光栅是一种新型光纤无源器件，随着其制造技术的不断完善，相应的应用成果也日益增多。在光纤传感领域，光纤光栅可以用作测量诸如温度、应变、振动、压力、声场、电磁场等物理量的传感元件。光纤光栅除了体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐高温及腐蚀等优点外，还具有易集成，能够实现分布式传感器阵列等特点。此外，光纤光栅传感器还可以实现多物理参量(如温度、应力、压强、流量等)的同时区分测量，基于此，光纤光栅在土木工程中的应用也越来越广泛。3D打印是快速成型技术的一种，思路是先设计出数字模型文件，然后导入到打印机中，打印材料可以为粉末状金属或塑料等，依据不同需求选择，最终达到通过逐层打印的方式来打印出设计的模型。3D打印在土木工程领域使用也越来越广泛。聚乳酸(PLA)是3D打印材料的一种，累积技术为熔融沉积式，即先高温使其溶化，然后再挤压打印所需形状。
现有传感器一般多采用传统的成型技术，而传统的成型技术在传感器开发方面有某些不足之处：加工精度受限、模型加工周期长，小批量生产造价昂贵，传感器一般都是组装而成，不仅功能单一，而且使用年限短、易损坏、不防水等。裸光纤光栅由于其脆弱、纤细、容易折断且抗剪能力差等特点，在土木工程中无法直接达到实际应用的标准。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器及其制备方法，降低小批量或单间传感器的生产周期和成本，使得传感器可以实际应用出光纤光栅的效用。
本发明所采用的技术方案是：一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器，包括：
上膜盖，包括第一膜片、第一光纤光栅传感器和上侧壁，该上侧壁为闭环壁，该第一膜片的一侧与上侧壁的一端口固定连接，该第一光纤光栅传感器固定连接在第一膜片上；
中膜层，包括第二膜片、第二光纤光栅传感器和下侧壁，该下侧壁为闭环壁，该第二膜片的一侧与下侧壁的一端口固定连接，该第二膜片的另一侧固定连接在上侧壁的剩余一侧端口上，该第一膜片、上侧壁和第二膜片围成第一空腔，该第一空腔为密闭空腔，该第二光纤光栅传感器固定连接在第二膜片上；以及
底盖，该底盖上设置有流水通孔，该第二膜片、下侧壁和底盖组合形成第二空腔。
有益效果：该基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器是一体化装置，通过采用FBG传感器技术使光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。采用3D打印制作工艺简单，极大地降低了制造的复杂程度，降低了制作成本，缩短了制作周期。裸光纤光栅在复杂的现场条件下容易发生断裂、损伤等情况，而结合3D打印，则克服了这一缺点，且二者协同变形良好，可以做到高度一体化。该基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器的结构设计使得该装置不仅可以量测土体上覆压力，还能量测土体下部的水压力，做到一个装置两个用途的目标。
进一步地，该第一膜片朝向第一空腔一侧设置有第一凹槽，该第一光纤光栅传感器固定连接在第一凹槽内，该第二膜片朝向第一空腔一侧设置有第二凹槽，该第二光纤光栅传感器固定连接在第二凹槽内。
进一步地，该第一凹槽和第二凹槽的凹槽截面为方形，深度大于125微米。
进一步地，该上侧壁外侧设置有保护手柄，该保护手柄设置在第一光纤光栅传感器的穿出处。
进一步地，该底盖的中部设置有若干流水通孔，该流水通孔呈线性矩阵分布。
进一步地，该底盖还包括固定块，该固定块设置在底盖上，该底盖和中膜层通过固定块固定连接。
一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过3D打印装置制备，先加工上膜盖，打印一定厚度的第一膜片，第一膜片上设置有第一凹槽，第一凹槽用于敷设第一光纤光栅传感器，开始打印上侧壁时，暂停打印；
(2)将第一光纤光栅传感器置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅传感器进行固定，继续打印上侧壁；
(3)加工中膜层，打印一定厚度的第二膜片，第二膜片的底部设置有第二凹槽，第二凹槽用于敷设第二光纤光栅传感器，开始打印下侧壁时，暂停打印；
(4)将中膜层翻转，将第二光纤光栅传感器置于第二凹槽内，并确定好位置，将第二光纤光栅传感器进行固定，将中膜层翻转回去，继续打印下侧壁；
(5)下侧壁打印完成后再将上膜盖和中膜层固定连接；
(6)加工底盖，打印底盖膜片，底盖膜片设置有一定数量、一定尺寸的流水通孔，底盖膜片上设置有固定块。
有益效果：该基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器的制备方法缩短了加工周期，大大减少了材料的浪费，简化了制作流程，降低了制作成本，且可以任意设计出自己所需要的模型，实现了一个传感器两个用途的目标，解决了裸光纤光栅难以在土木工程中直接达到实际应用的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的上膜盖示意图；
图3为本发明实施例的中膜层示意图；
图4为本发明实施例的底盖示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图4,本发明实施例提供一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器，主要由上膜盖1、中膜层2和底盖3组成。通过3D熔融沉积打印技术加工完成，为一体化设计。该上膜盖1包括第一膜片101、第一光纤光栅传感器103和上侧壁102。该上侧壁102为闭环壁，该第一膜片101的一侧与上侧壁102的一端口固定连接，该第一光纤光栅传感器103固定连接在第一膜片101上。该中膜层2包括第二膜片201、第二光纤光栅传感器202和下侧壁203，该下侧壁203为闭环壁，该第二膜片201的一侧与下侧壁203的一端口固定连接，该第二膜片201的另一侧固定连接在上侧壁102的剩余一侧端口上，该第一膜片101、上侧壁102和第二膜片201围成第一空腔，该第一空腔为密闭空腔，该第二光纤光栅传感器202固定连接在第二膜片201上。当第一膜片101量测土体上覆压力时，第一膜片101受到压力后发生变形，因设置有第一空腔，第二膜片201不会干扰第一膜片101的变形，从而使第一光纤光栅传感器103能够准确的测量出土体的上覆压力。量测土体上覆压力的原理为该膜片受到压力后发生变形，带动膜片内部的第一光纤光栅传感器103发生波长漂移。该底盖3上开有流水通孔303，该底盖3与中层膜合上后，该第二膜片201、下侧壁203和底盖3组合形成第二空腔。土体中的水从流水通孔303流入第二空腔中，因第一空腔为密闭空腔，水流入后会形成水压差作用在第二膜片201上，带动第二膜片201变形，继而使第二光纤光栅传感器202发生波长发生漂移。通过采用FBG传感器技术使光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。采用3D打印制作工艺简单，极大地降低了制造的复杂程度，降低了制作成本，缩短了制作周期。该基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器设置为三层一体化结构，将第一光纤光栅传感器103和第二光纤光栅传感器202固定在装置中，使得第一光纤光栅传感器103与第一膜片101、第二光纤光栅传感器202与第二膜片201充分接触，二者协同变形，解决了裸光纤光栅由于其脆弱、纤细、容易折断且抗剪能力差等特点，难以在土木工程中直接达到实际应用的问题，不仅可以量测土体上覆压力，还能量测土体下部的水压力，做到一个装置两个用途的目标。
优选的，该第一膜片101朝向第一空腔一侧设置有第一凹槽，该第一光纤光栅传感器103固定连接在第一凹槽内。该第二膜片201朝向第一空腔一侧设置有第二凹槽，该第二光纤光栅传感器202固定连接在第二凹槽内。设置第一凹槽和第二凹槽使得第一光纤光栅传感器103和第二光纤光栅传感器202的固定更加稳定，有利于整体结构的一体化。
优选的，该第一凹槽和第二凹槽的凹槽截面为方形，深度大于125微米，便于第一光纤光栅传感器103和第二光纤光栅传感器202的固定安装。
具体的，由于采用3D熔融沉积打印技术加工，该第一光纤光栅传感器103和主体为一体化设置，该第一光纤光栅传感器103固定后继续在该第一光纤光栅传感器103上打印，该第一光纤光栅传感器103通过第一凹槽直接穿过侧壁。该第二光纤光栅传感器202通过该第二凹槽穿出。上膜盖1和中膜层2固定连接时，将第二凹槽与第一凹槽对准。使得第一光纤光栅传感器103和第二光纤光栅传感器202的信号传输尾纤部分从同一方向穿出。
优选的，该上侧壁102外侧设置有保护手柄104，该保护手柄104设置在第一光纤光栅传感器103的穿出处。该保护手柄104为凹槽条状，该第一光纤光栅传感器103和第二光纤光栅传感器202的信号传输尾纤部分均放入该保护手柄104内，与光纤光栅解调仪相连。该保护手柄104能够避免第一光纤光栅传感器103和第二光纤光栅传感器202的穿出部分受到损伤。
优选的，该底盖3的中部开有若干流水通孔303，该流水通孔303呈线性矩阵分布。具体的，在底盖3中部开设有五排五列，共25个流水通孔303，增大土体内水的流动量，从而提高水压差的精度。
优选的，该底盖3还包括固定块302，该固定块302加工在底盖3上，该固定块302与若干流水通孔303位置错开，该底盖3和中膜层2通过固定块302固定连接。具体的，该固定块302为两块圆弧条块，该固定块302的直径与该中膜层2的内径相适应，固定块302能够与下侧壁203的内侧过盈配合，从而使底盖3与中膜层2固定连接。
一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器的制备方法，主要包括以下步骤：
(1)通过3D打印装置制备，先加工上膜盖1，打印一定厚度的第一膜片101，第一膜片101上设置有第一凹槽，第一凹槽用于敷设第一光纤光栅传感器103，开始打印上侧壁102时，暂停打印；
(2)将第一光纤光栅传感器103置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅传感器103进行固定，继续打印上侧壁102；
(3)加工中膜层2，打印一定厚度的第二膜片201，第二膜片201的底部设置有第二凹槽，第二凹槽用于敷设第二光纤光栅传感器202，开始打印下侧壁203时，暂停打印；
(4)将中膜层2翻转，将第二光纤光栅传感器202置于第二凹槽内，并确定好位置，将第二光纤光栅传感器202进行固定，将中膜层2翻转回去，继续打印下侧壁203；
(5)下侧壁203打印完成后再将上膜盖1和中膜层2固定连接；
(6)加工底盖3，打印底盖膜片301，底盖膜片301设置有一定数量、一定尺寸的流水通孔303，底盖膜片301上设置有固定块302。
该基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器加工时是从第一膜片101开始加工的，而工作时第一膜片101位于上方，底盖3位于下方，加工时的摆置方向和使用时是相反的。该基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器的制备方法缩短了加工周期，大大减少了材料的浪费，简化了制作流程，降低了制作成本，且可以任意设计出自己所需要的模型，实现了一个传感器两个用途的目标，解决了裸光纤光栅难以在土木工程中直接达到实际应用的问题。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在该技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器，其特征在于，包括：
上膜盖，包括第一膜片、第一光纤光栅传感器和上侧壁，所述上侧壁为闭环壁，所述第一膜片的一侧与上侧壁的一端口固定连接，所述第一光纤光栅传感器固定连接在第一膜片上；
中膜层，包括第二膜片、第二光纤光栅传感器和下侧壁，所述下侧壁为闭环壁，所述第二膜片的一侧与下侧壁的一端口固定连接，所述第二膜片的另一侧固定连接在上侧壁的剩余一侧端口上，所述第一膜片、上侧壁和第二膜片围成第一空腔，所述第一空腔为密闭空腔，所述第二光纤光栅传感器固定连接在第二膜片上；以及
底盖，所述底盖上设置有流水通孔，所述第二膜片、下侧壁和底盖组合形成第二空腔。
2.根据权利要求1所述的基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器，其特征在于：所述第一膜片朝向第一空腔一侧设置有第一凹槽，所述第一光纤光栅传感器固定连接在第一凹槽内，所述第二膜片朝向第一空腔一侧设置有第二凹槽，所述第二光纤光栅传感器固定连接在第二凹槽内。
3.根据权利要求2所述的基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器，其特征在于：所述第一凹槽和第二凹槽的凹槽截面为方形，深度大于125微米。
4.根据权利要求1所述的基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器，其特征在于：所述上侧壁外侧设置有保护手柄，所述保护手柄设置在第一光纤光栅传感器的穿出处。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器，其特征在于：所述底盖的中部设置有若干流水通孔，所述流水通孔呈线性矩阵分布。
6.根据权利要求5所述的基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器，其特征在于：所述底盖还包括固定块，所述固定块设置在底盖上，所述底盖和中膜层通过固定块固定连接。
7.一种基于FBG和3D熔融沉积技术的压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过3D打印装置制备，先加工上膜盖，打印一定厚度的第一膜片，第一膜片上设置有第一凹槽，第一凹槽用于敷设第一光纤光栅传感器，开始打印上侧壁时，暂停打印；
(2)将第一光纤光栅传感器置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅传感器进行固定，继续打印上侧壁；
(3)加工中膜层，打印一定厚度的第二膜片，第二膜片的底部设置有第二凹槽，第二凹槽用于敷设第二光纤光栅传感器，开始打印下侧壁时，暂停打印；
(4)将中膜层翻转，将第二光纤光栅传感器置于第二凹槽内，并确定好位置，将第二光纤光栅传感器进行固定，将中膜层翻转回去，继续打印下侧壁；
(5)下侧壁打印完成后再将上膜盖和中膜层固定连接；
(6)加工底盖，打印底盖膜片，底盖膜片设置有一定数量、一定尺寸的流水通孔，底盖膜片上设置有固定块。
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