CN112577533A - 一种光纤光栅多参量复合传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体公开了一种光纤光栅多参量复合传感器，包括阀体、探针连接头、探针式悬臂梁和光纤光栅；阀体具有三个管口；探针式悬臂梁垂直连接在探针连接头的底部，探针式悬臂梁为中空结构并沿轴向设有孔道Ⅰ；光纤光栅共设置为三根并包括第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅；第一光纤光栅和第二光纤光栅以左右对称的方式固定于孔道Ⅰ；第三光纤光栅固定在探针连接头的底部并外设有聚合物封装层。本发明能够对液体的流量、温度、浓度进行测量，同时还能够有效减小阻流，降低液体压力损失，提高测量精确度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅多参量复合传感器。
背景技术
流量、温度、浓度是核电工业领域过程控制中的重要测量参量。目前，电磁式、超声波式、机械转子式流量计在流量测量领域中使用颇多，由于其体积大、结构相对复杂，且大多电类传感抗电磁干扰能力较弱，易受液体腐蚀，从而影响传感器测量精度，难以满足核电工业领域对流量、温度、浓度高精度、多参量测量的要求。
光纤光栅是一种基于波长解调型的传感器，具有抗干扰能力强、耐腐蚀、体积小、质量轻、易于集成封装等优点的同时，还具备灵敏度高、不受入射光强度波动的影响、便于组成传感网络和远距离传输等诸多优点，易于实现远程监测和分布式测量，在测量方面具有广阔的应用前景。
现有的光纤光栅传感器通常为靶式结构，例如，专利CN110763291B即公开了一种光纤光栅靶式流量计，其包括三通管、靶盘、悬臂梁、端盖、传导光纤及光纤光栅，三通管呈“⊥”形且其下端两侧管口用于与待测管道连通、上端部管口用于与端盖密封连接，悬臂梁的上端连接于端盖、下端连接于靶盘，传导光纤的一端与光纤光栅连接、另一端从靶盘穿出并用于与外部解调设备相连；设置两根光纤光栅及两根对应的传导光纤，其中一光纤光栅连接在悬臂梁上、另一光纤光栅连接在靶盘后部，其能够实现流量与温度的同时检测。
然而，上述靶式流量计存在的技术问题有：第一，无法对浓度进行测量，难以实现对液体的多参量复合测量；第二，其靶盘的设置对液体的阻流相对较大，造成较大的液体压力损失，测量精确度不足。
因此，为解决上述问题，就需要一种光纤光栅多参量复合传感器，能够对液体的流量、温度、浓度进行测量，同时还能够有效减小阻流，降低液体压力损失，提高测量精确度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤光栅多参量复合传感器，能够对液体的流量、温度、浓度进行测量，同时还能够有效减小阻流，降低液体压力损失，提高测量精确度。
为实现上述目的，本发明提供了一种光纤光栅多参量复合传感器，包括阀体、探针连接头、探针式悬臂梁和光纤光栅；
所述阀体具有三个管口，其下端两侧管口用于与待测管道连通、上端部管口用于与探针连接头密封连接；
所述探针式悬臂梁垂直连接在探针连接头的底部，所述探针式悬臂梁为中空结构并沿轴向设有孔道Ⅰ；
所述光纤光栅共设置为三根并包括第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅以左右对称的方式固定于孔道Ⅰ，所述孔道Ⅰ内填充有密封体；所述第一光纤光栅与第二光纤光栅通过第一传导光纤串连后通过第二传导光纤从探针连接头穿出并用于与外部解调设备相连；
所述第三光纤光栅固定在探针连接头的底部并外包裹有聚合物封装层，所述第三光纤光栅通过第三传导光纤从探针连接头穿出并用于与外部解调设备相连，所述聚合物封装层用于对不同浓度液体表现出不同的吸水膨胀或失水收缩特性。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述聚合物封装层采用聚酰亚胺或水凝胶形成。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述探针连接头中设有相连通的孔道Ⅱ及孔道Ⅲ，所述第二传导光纤通过孔道Ⅱ从探针连接头穿出，所述第三传导光纤通过孔道Ⅲ从探针连接头穿出。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述孔道Ⅱ设于探针连接头的中心并与孔道Ⅰ在同一直线上，所述孔道Ⅲ倾斜于孔道Ⅱ设置。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述探针连接头与探针式悬臂梁一体成型。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述探针式悬臂梁为空心圆柱体结构，且所述探针式悬臂梁的轴线与探针连接头的轴线重合。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅沿垂直于阀体的轴线的方向设置，且第一光纤光栅与第二光纤光栅的上端高度与探针连接头的底部平齐。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述第三光纤光栅沿平行于阀体的轴线的方向设置。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅以粘贴方式连接于探针式悬臂梁，所述第三光纤光栅以粘贴方式连接于探针连接头。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述阀体的三个管口均设有内螺纹，所述探针式连接头通过螺纹副与阀体相连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
第一，本发明提供的一种多参量复合测量传感器，设于探针式悬臂梁内的第一光纤光栅及第二光纤光栅采用对称布置，可以有效地解决交叉敏感问题，提高传感器的灵敏度和测量精度，实现流量与温度的同时检测；
第二，设于探针连接头底部的第三光纤光栅采用聚合物封装层进行封装，聚合物封装层与液体充分接触，且在对不同浓度液体表现出不同的吸水膨胀或失水收缩过程中引起第三光纤光栅中心波长产生漂移，可以实现对液体浓度的检测；
第三，探针连接头和探针式悬臂梁采用一体式加工制成一体式探针，一体式结构方便拆卸和更换，同时可有效减少流量计的可动部件，提高了传感器结构的稳定性和测量精度；
第四，探针式悬臂梁采用空心圆柱结构，相比于靶式结构，可减小阻流，有效降低液体的压力损失，提高了测量精度；
第五，阀体的三个管口与待测管道、探针式悬臂梁均采用螺纹连接，装拆方便，并能够在不破坏外部管道的基础上，进行检测。
附图说明
图1为本发明的主视剖面图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明的左视图；
图4为本发明的阀体的主视剖面图；
图5为本发明的阀体的俯视图；
图6为本发明的探针连接头与探针式悬臂梁的连接主视剖面图；
图7为本发明的探针连接头与探针式悬臂梁的连接侧视图。
图8为本发明的探针连接头与探针式悬臂梁的连接俯视图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明；当然，附图为简化后的示意图，其比例大小并不构成对专利产品的限制。
实施例
如图1至图8所示：本实施例提供了一种本发明提供了一种光纤光栅多参量复合传感器，包括阀体1、探针连接头4、探针式悬臂梁5和光纤光栅2；多参量特指流通于阀体1的液体流量、温度及浓度。
所述阀体1具有三个管口11，其下端两侧管口11用于与待测管道(图中未示出)连通、上端部管口11用于与探针连接头4密封连接(“上”“下”以图1所示为准)；三个管口11呈“⊥”形布置，上端部管口11的轴线垂直于下端两侧管口11的轴线；密封连接是指探针连接头4与阀体1之间的连接处密封设置，以防止液体泄漏。
所述探针式悬臂梁5垂直连接在探针连接头4的底部，所述探针式悬臂梁5为中空结构并沿轴向设有孔道Ⅰ51；探针式悬臂梁5接触液体的长度可为阀体11内径的1/2。
所述光纤光栅2共设置为三根并包括第一光纤光栅21、第二光纤光栅22及第三光纤光栅23；第一光纤光栅21、第二光纤光栅22及第三光纤光栅23在结构上可以一致；其中，所述第一光纤光栅21和第二光纤光栅22以左右对称的方式固定于孔道Ⅰ51，所述孔道Ⅰ51内填充有密封体；所述第一光纤光栅21与第二光纤光栅22通过第一传导光纤31串连后通过第二传导光纤32从探针连接头4穿出并用于与外部解调设备(图中未示出)相连；所述第三光纤光栅23固定在探针连接头4的底部并外包裹有聚合物封装层6，所述第三光纤光栅23通过第三传导光纤33从探针连接头4穿出并用于与外部解调设备相连，所述聚合物封装层6用于对不同浓度液体表现出不同的吸水膨胀或失水收缩特性。
孔道Ⅰ51专门用于安装第一光纤光栅21与第二光纤光栅22，从而无需设置专门的靶盘，能够有效减小阻流，降低液体压力损失，提高测量精确度。第一光纤光栅21与第二光纤光栅22配合实现对液体流量、温度的测量，第三光纤光栅23实现对液体浓度的测量。密封体例如可以选用硅橡胶或聚氨酯，与专用固化剂按一定比充分均匀混合后，倒入孔道Ⅰ51中即可。第一光纤光栅21、第二光纤光栅22串连设置，可减少解调设备通道的占用。
具体而言，待测液体流经阀体1并冲击探针式悬臂梁5时，探针式悬臂梁5受力产生屈服变形，设于探针式悬臂梁5上的第一光纤光栅21与第二光纤光栅22受应变与温度的影响，使中心波长产生漂移；通过外部解调设备获取第一光纤光栅21与第二光纤光栅22的中心波长值，经计算分析便得液体流量与温度信息，利用双光纤光栅2法解决交叉敏感问题并实现流量与温度的同时检测，提高了检测精度；同时，待测液体流过阀体1时，对探针式连接头底部的第三光纤光栅23的作用力可以忽略，第三光纤光栅23外覆盖的聚合物封装层6与液体充分接触，利用聚合物封装层6对不同浓度液体的吸水膨胀特性不同的特点，聚合物封装层6吸水膨胀或失水收缩，从而引起第三光纤光栅23中心波长产生漂移，经解调设备和相关的算法即可获得浓度信息。
本实施例中，所述聚合物封装层6可采用聚酰亚胺或水凝胶形成；聚合物封装层6可呈圆柱形，其包裹于第三光纤光栅23外，从而减小流动阻力；所述第三光纤光栅23沿平行于阀体1的轴线的方向设置，第三光纤光栅23整体贴合于探针连接头4底部，例如所述第三光纤光栅23可用粘贴方式连接于探针连接头4。
本实施例中，所述探针连接头4中设有相连通的孔道Ⅱ41及孔道Ⅲ42，所述第二传导光纤32通过孔道Ⅱ41从探针连接头4穿出，所述第三传导光纤33通过孔道Ⅲ42从探针连接头4穿出；作为优选，所述孔道Ⅱ41设于探针连接头4的中心并与孔道Ⅰ51在同一轴线上，所述孔道Ⅲ42倾斜于孔道Ⅱ41设置；所述探针连接头4与探针式悬臂梁5一体成型，一体式结构可有效减少传感器的可动部件，结构紧凑，提高了传感器结构的稳定性和测量精度。
本实施例中，所述探针式悬臂梁5为空心圆柱体结构，且所述探针式悬臂梁5的轴线与探针连接头4的轴线重合；该结构可以减小阻流，有效减小流体的压力损失，进一步提高测量精度。所述第一光纤光栅21与第二光纤光栅22沿垂直于阀体1的轴线的方向设置，且第一光纤光栅21与第二光纤光栅22的上端高度与探针连接头4的底部平齐，所述第一光纤光栅21与第二光纤光栅22可用粘贴方式连接于探针式悬臂梁5，即粘贴在孔道Ⅰ51的孔壁处。
本实施例中，所述阀体1的三个管口11均设有内螺纹，所述探针式连接头通过螺纹副与阀体1相连接；该结构便于探针式连接头的安装及拆卸，提升了传感器使用的便利度。
最后说明的是，本文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核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：包括阀体、探针连接头、探针式悬臂梁和光纤光栅；
所述阀体具有三个管口，其下端两侧管口用于与待测管道连通、上端部管口用于与探针连接头密封连接；
所述探针式悬臂梁垂直连接在探针连接头的底部，所述探针式悬臂梁为中空结构并沿轴向设有孔道Ⅰ；
所述光纤光栅共设置为三根并包括第一光纤光栅、第二光纤光栅及第三光纤光栅；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅以左右对称的方式固定于孔道Ⅰ，所述孔道Ⅰ内填充有密封体；所述第一光纤光栅与第二光纤光栅通过第一传导光纤串连后通过第二传导光纤从探针连接头穿出并用于与外部解调设备相连；
所述第三光纤光栅固定在探针连接头的底部并外包裹有聚合物封装层，所述第三光纤光栅通过第三传导光纤从探针连接头穿出并用于与外部解调设备相连，所述聚合物封装层用于对不同浓度液体表现出不同的吸水膨胀或失水收缩特性。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述聚合物封装层采用聚酰亚胺或水凝胶形成。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述探针连接头中设有相连通的孔道Ⅱ及孔道Ⅲ，所述第二传导光纤通过孔道Ⅱ从探针连接头穿出，所述第三传导光纤通过孔道Ⅲ从探针连接头穿出。
4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述孔道Ⅱ设于探针连接头的中心并与孔道Ⅰ在同一直线上，所述孔道Ⅲ倾斜于孔道Ⅱ设置。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述探针连接头与探针式悬臂梁一体成型。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述探针式悬臂梁为空心圆柱体结构，且所述探针式悬臂梁的轴线与探针连接头的轴线重合。
7.根据权利要求6所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅与第二光纤光栅沿垂直于阀体的轴线的方向设置，且第一光纤光栅与第二光纤光栅的上端高度与探针连接头的底部平齐。
8.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述第三光纤光栅沿平行于阀体的轴线的方向设置。
9.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅与第二光纤光栅以粘贴方式连接于探针式悬臂梁，所述第三光纤光栅以粘贴方式连接于探针连接头。
10.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多参量复合传感器，其特征在于：所述阀体的三个管口均设有内螺纹，所述探针式连接头通过螺纹副与阀体相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210330 |