CN112705843B - 一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器及其制作方法，该压力传感器包括通过套筒依次连接的多个压力传感器，套筒侧壁上开设透水孔；每个压力传感器均包括压力外壳和位于压力外壳底部的压力膜片，光纤一端固定在最底端的压力膜片上，另一端穿过各级压力外壳和压力膜片，由尾纤保护套穿出；光纤位于压力外壳内的部分设置有测压光纤光栅，位于套筒内的部分设置有测温光纤光栅，测压光纤光栅处于预拉伸状态，测温光纤光栅处于自由状态；本发明所公开的压力传感器密封和连接采用激光焊接工艺，制作方法简单可靠，具有高精度、大量程、小型化、一体化的优点，对投弃式海洋温深剖面测量具有显著的效果。

Description

一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器及其制作方法。

背景技术

在动态的海洋环境中，需要实时探测计算各种参数，才能保证科学设备正常使用的和人员安全。温度、压力、盐度是海洋中探测最基本的三个参数，他们是声速、密度等参数计算的基础，各国对温盐深仪的研究热度只增不减。

现有的光纤光栅压力传感器如要实现大量程，则需增加膜片的厚度，然而，膜片厚度越大，对外界压力变化量也越不敏感，即测量精度越低。因此，无法兼顾大量程和高精度的要求。

专利CN202255710U中公开了一种T型结构易于串联的光纤光栅压力传感器，通过直接拉伸测压光纤光栅来测量外界压力，虽然灵敏度高，但测量量程小，光栅部位很容易拉断，因此其采用不锈钢套管封装的方式对光栅进行保护。这样做虽然能增强光栅的抗拉性，但极大的降低了其灵敏度。

专利CN205958169U公开了一种串联式光纤光栅压力传感器，通过两端输出，可以将多个压力传感器串联起来，形成准分布式网络测量系统，该种方式体积大，成本高，不利于单点投弃式测量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器及其制作方法，以达到可兼顾大量程、高精度的要求，并且体积小，可单点投弃式测量。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器，包括通过套筒依次连接的多个压力传感器，所述套筒侧壁上开设透水孔；每个压力传感器均包括压力外壳和位于压力外壳底部的压力膜片，除最底端的压力膜片外，其余的压力膜片上均开设中心孔，所述中心孔内焊接有套管；所述压力外壳顶部开设过纤孔，位于最顶端的压力传感器的压力外壳外部设置尾纤保护套；

光纤一端固定在最底端的压力传感器的压力膜片上，另一端穿过各级压力外壳上的过纤孔和各级压力膜片上的套管，最后由尾纤保护套穿出；光纤位于压力外壳内的部分设置有测压光纤光栅，位于套筒内的部分设置有测温光纤光栅，光纤中部分别固定在过纤孔和套管上，所述测压光纤光栅处于预拉伸状态，所述测温光纤光栅处于自由状态；

各个压力传感器的压力膜片厚度不同，且各个压力传感器对应不同的光纤光栅反射光谱，反射光谱相邻的峰值间隔大于5nm。

上述方案中，最底端的压力膜片上焊接有固定墩，所述固定墩上端开设微孔，所述微孔内填充胶体，所述光纤一端插入所述固定墩的微孔内固定。

上述方案中，所述测压光纤光栅和测温光纤光栅的栅区长度为0.1mm～15mm，每个测压光纤光栅或测温光纤光栅中心波长均不同。

上述方案中，所述压力膜片为铍青铜材料，压力膜片的厚度为0.2mm～1.2mm。

上述方案中，所述套筒长度为5mm～10mm，所述透水孔的直径为0.5mm～2mm。

上述方案中，所述套筒与前一级压力外壳之间采用激光焊机的方式进行固定或密封，所述套筒顶部设置凹台，后一级压力膜片采用激光焊机的方式固定密封在凹台内。

一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

第一步，将光纤的一端依次穿过尾纤保护套、各级压力外壳、各级压力膜片及套管、各级套筒和第一级压力外壳；利用激光将固定墩点焊到第一级压力膜片表面中心处，固定墩上端微孔内填充胶体，将光纤插入固定墩固定；

第二步，将固定有光纤的第一级压力膜片放入第一级压力外壳底面的圆形凹台内，使第一级测压光纤光栅位于第一级压力外壳中心轴线上，用激光焊机密封第一级压力膜片与第一级压力外壳；对第一级测压光纤光栅施加预应力后，用胶将光纤的尾端固定在第一级压力外壳的过纤孔上；

第三步，将第一级套筒下端焊接在第一级压力外壳上，并将第二级压力膜片密封焊接在第一级套筒上端凹台内；将第二级压力膜片上的套管密封焊接在第二级压力膜片的中心孔处，并将光纤点焊在套管内壁上，确保第一级测温光纤光栅处于自由状态；

第四步，将第二级压力外壳与第一级套筒上端密封焊接；对第二级测压光纤光栅施加预应力，用胶将光纤的尾端固定在第二级压力外壳的过纤孔上；

第五步，重复第三步和第四步，完成各级压力传感器和套筒的安装，以及测压光纤光栅和测温光纤光栅的固定；

第六步，将尾纤保护套焊接到最顶端压力外壳的上端，完成整个压力传感器的装配。

通过上述技术方案，本发明提供的膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器及其制作方法具有如下有益效果：

1、本发明将压力膜片中心处与测压光纤光栅焊接，将压力膜片中心的形变量转化为测压光纤光栅的受力形变量，进而把外界压力与测压光纤光栅反射峰的偏移量建立一一对应的函数关系，从而可以通过读取测压光纤光栅反射峰偏移量反演出外界压力的变化量。本发明采用给测压光纤光栅施加预应力的方式，在其物理极限内让测压光纤光栅产生预拉伸应变，受到外界压力时，测压光纤光栅收缩。整个过程既避免了测压光纤光栅受力过大而被拉断，又保证了测量范围内的高精度。

2、本发明采用不同量程的压力传感器，其压力膜片厚度不同，在承压一定的前提下，反推膜片能够正常工作的最小厚度，保证该量程段压力传感器的最大测量精度；在每一个分段量程内，利用每一个压力传感器的线性区进行测量，保证其能取到最高的压力精度，避免了单纯依靠增加膜片的厚度来增加量程所导致的测量精度下降的问题。

3、本发明利用测温光纤光栅可以对温度进行补偿，消除深海测量时温度的影响。同时将测温光纤光栅直接与海水接触，可以快速测量海水的温度，对外界温度变化及时响应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为二级级联光纤光栅压力传感器装配的纵向剖面图；

图2为第一级压力传感器焊接结构示意图；

图3为图2中第一级压力膜片和固定墩的剖视图；

图4为第二级压力传感器焊接结构示意图；

图5为图4中第二级压力膜片和套管的剖视图；

图6为三级级联光纤光栅压力传感器装配的纵向剖面图；

图7为三个压力传感器的承受压力和对应光谱反射波长之间的关系曲线图。

图中，1、第一级压力外壳；2、第一级压力膜片；3、固定墩；4、第二级压力外壳；5、第二级压力膜片；6、套管；7、过纤孔；8、尾纤保护套；9、第一级测压光纤光栅；10、第二级测压光纤光栅；11、第一级测温光纤光栅；12、第三级压力外壳；13、第三级压力膜片；14、第三级测压光纤光栅；15、第二级测温光纤光栅；16、尾纤；17、焊点；18、透水孔；19、第一级套筒；20、第二级套筒；21、中心孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1所示，一种膜片式二级级联结构的光纤光栅压力传感器，包括通过套筒连接的两个压力传感器，套筒侧壁上开设透水孔18。

第一级压力传感器包括第一级压力外壳1和位于第一级压力外壳1底部的第一级压力膜片2，第一级压力膜片2上焊接有固定墩3，固定墩3上端开设微孔，微孔内填充胶体，光纤一端插入固定墩3的微孔内固定。

第二级压力传感器包括第二级压力外壳4和位于第二级压力外壳4底部的第二级压力膜片5，第二级压力膜片5上开设中心孔21，中心孔21内密封焊接有套管6。

第一级压力外壳1和第二级压力外壳4顶部均开设过纤孔7，第二级压力外壳4外部设置尾纤保护套8。

光纤一端固定在第一级压力膜片2上的固定墩3内，另一端穿过第一级压力外壳1上的过纤孔7、第二级压力膜片5上的套管6、第二级压力外壳4上的过纤孔7，最后由尾纤保护套8穿出。光纤位于第一级压力外壳1内的部分设置有第一级测压光纤光栅9，位于第二级压力外壳4内的部分设置有第二级测压光纤光栅10，位于第一级套筒19内的部分设置有第一级测温光纤光栅11，光纤中部分别固定在过纤孔7和套管6上，第一级测压光纤光栅9和第二级测压光纤光栅10处于预拉伸状态，第一级测温光纤光栅11处于自由状态。

两个压力传感器对应不同的光纤光栅反射光谱，反射光谱相邻的峰值间隔大于5nm。

测压光纤光栅和测温光纤光栅的栅区长度为1mm，栅区间距为10mm，每个测压光纤光栅或测温光纤光栅中心波长均不同。

第一级压力膜片2和第二级压力膜片5为铍青铜材料，第一级压力膜片2的厚度为0.5mm，第二级压力膜片5的厚度为1mm。第一级套筒长度为10mm，透水孔18开设一对，直径为1mm。

一种膜片式二级级联结构的光纤光栅压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

第一步，根据上述尺寸制作各部件，将光纤的一端依次穿过尾纤保护套8、第二级压力外壳4、第二级压力膜片5及套管6、第一级套筒19和第一级压力外壳1；如图2和图3所示，利用激光将固定墩3点焊到第一级压力膜片2表面中心处，焊点17如图中圆点所示，固定墩3上端微孔内填充胶体，将光纤插入固定墩3固定；

第二步，将固定有光纤的第一级压力膜片2放入第一级压力外壳1底面的圆形凹台内，使第一级测压光纤光栅9位于第一级压力外壳1中心轴线上，用激光焊机密封焊接第一级压力膜片2与第一级压力外壳1；对第一级测压光纤光栅9施加预应力后，用胶将光纤的尾端固定在第一级压力外壳1的过纤孔7上；

第三步，将第一级套筒19下端焊接在第一级压力外壳1上，并将第二级压力膜片5密封焊接在第一级套筒19上端凹台内；如图4和图5所示，将第二级压力膜片5上的套管6密封焊接在第二级压力膜片5的中心孔21处，并将光纤点焊在套管6内壁上，确保第一级测温光纤光栅11处于自由状态；

第四步，采用激光焊机将第二级压力外壳4与第一级套筒19上端密封焊接；对第二级测压光纤光栅10施加预应力，用胶将光纤的尾端固定在第二级压力外壳4的过纤孔7上；

第五步，将尾纤保护套8焊接到第二级压力外壳4的上端，尾纤16采用缆线保护，完成整个压力传感器的装配。

实施例2

如图6所示，一种膜片式三级级联结构的光纤光栅压力传感器，包括通过套筒连接的三个压力传感器，套筒侧壁上开设透水孔18。

第一级压力传感器包括第一级压力外壳1和位于第一级压力外壳1底部的第一级压力膜片2，第一级压力膜片2上焊接有固定墩3，固定墩3上端开设微孔，微孔内填充胶体，光纤一端插入固定墩3的微孔内固定。

第二级压力传感器包括第二级压力外壳4和位于第二级压力外壳4底部的第二级压力膜片5，第二级压力膜片5上开设中心孔21，中心孔21内密封焊接有套管6。

第三级压力传感器包括第三级压力外壳12和位于第三级压力外壳12底部的第三级压力膜片13，第三级压力膜片13上开设中心孔21，中心孔21内密封焊接有套管6。

第一级压力外壳1、第二级压力外壳4和第三级压力外壳12顶部均开设过纤孔7，第三级压力外壳12外部设置尾纤保护套8。

光纤一端固定在第一级压力膜片2上的固定墩3内，另一端穿过第一级压力外壳1上的过纤孔7、第二级压力膜片5上的套管6、第二级压力外壳4上的过纤孔7，第三级压力膜片13上的套管6、第三级压力外壳12上的过纤孔7，最后由尾纤保护套8穿出。光纤位于第一级压力外壳1内的部分设置有第一级测压光纤光栅9，位于第二级压力外壳4内的部分设置有第二级测压光纤光栅10，位于第三级压力外壳12内的部分设置有第三级测压光纤光栅14，位于第一级套筒19内的部分设置有第一级测温光纤光栅11，位于第二级套筒20内的部分设置有第二级测温光纤光栅15，光纤中部分别固定在过纤孔7和套管6上，第一级测压光纤光栅9、第二级测压光纤光栅10和第三级测压光纤光栅14处于预拉伸状态，第一级测温光纤光栅11和第二级测温光纤光栅15处于自由状态。

三个压力传感器对应不同的光纤光栅反射光谱，反射光谱相邻的峰值间隔大于5nm。

测压光纤光栅和测温光纤光栅的栅区长度为1mm，栅区间距为10mm，每个测压光纤光栅或测温光纤光栅中心波长均不同。

第一级压力膜片2、第二级压力膜片5和第三级压力膜片13为铍青铜材料，第一级压力膜片2的厚度为0.2mm，第二级压力膜片5的厚度为0.8mm，第三级压力膜片13的厚度为1.2mm。第一级套筒19第二级套筒20长度为5mm，透水孔18开设两对，直径为2mm。

一种膜片式三级级联结构的光纤光栅压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

第一步，根据上述尺寸制作各部件，将光纤的一端依次穿过尾纤保护套8、第三级压力外壳12、第三级压力膜片13及套管6、第二级套筒20、第二级压力外壳4、第二级压力膜片5及套管6、第一级套筒19和第一级压力外壳1；如图2和图3所示，利用激光将固定墩3点焊到第一级压力膜片2表面中心处，固定墩3上端微孔内填充胶体，将光纤插入固定墩3固定；

第二步，将固定有光纤的第一级压力膜片2放入第一级压力外壳1底面的圆形凹台内，使第一级测压光纤光栅9位于第一级压力外壳1中心轴线上，用激光焊机密封焊接第一级压力膜片2与第一级压力外壳1；对第一级测压光纤光栅9施加预应力后，用胶将光纤的尾端固定在第一级压力外壳1的过纤孔7上；

第三步，将第一级套筒下端焊接在第一级压力外壳1上，并将第二级压力膜片5密封焊接在第一级套筒19上端凹台内；如图4和图5所示，将第二级压力膜片5上的套管6密封焊接在第二级压力膜片5的中心孔21处，并将光纤点焊在套管6内壁上，确保第一级测温光纤光栅11处于自由状态；

第四步，采用激光焊机将第二级压力外壳4与第一级套筒19上端密封焊接；对第二级测压光纤光栅10施加预应力，用胶将光纤的尾端固定在第二级压力外壳4的过纤孔7上；

第五步，将第二级套筒20下端焊接在第二级压力外壳4上，并将第三级压力膜片13密封焊接在第二级套筒20上端凹台内；将第三级压力膜片13上的套管6密封焊接在第三级压力膜片13的中心孔21处，并将光纤点焊在套管6内壁上，确保第二级测温光纤光栅15处于自由状态；

第六步，采用激光焊机将第三级压力外壳12与第二级套筒20上端密封焊接；对第三级测压光纤光栅14施加预应力，用胶将光纤的尾端固定在第三级压力外壳12的过纤孔7上；

第七步，将尾纤保护套8焊接到第三级压力外壳12的上端，尾纤16采用缆线保护，完成整个压力传感器的装配。

为了能够兼顾大量程和高精度的需求，本发明采用多膜片式级联的方式分量程测量海水压力，而在每一个分段量程内，保证其能取到最高的压力精度。比如要求测量0～30MPa的压力，我们可以间隔10MPa作为一个量程段，即0～10MPa、10～20MPa和20～30MPa，仿真得到膜片厚度在0.35mm时能承受10MPa反复加压且测量精度在10MPa量程段内最高。同样的，膜片厚度在0.45mm时能承受20MPa量程段的反复加压且测量精度在20MPa量程段内最高，膜片厚度在0.55mm时能承受30MPa量程段的反复加压且测量精度在30MPa量程段内最高。在承压一定的前提下，反推膜片能够正常工作的最小厚度，保证该量程段压力传感器的最大测量精度。

图7显示三个压力传感器的承受压力和对应光谱反射波长之间的关系，图中直线部分为线性区，压力传感器的光谱反射峰波长与压力膜片所受的压力呈线性关系，水平部分为失效区，测压光纤光栅达到自由状态。每个压力传感器都采用其线性区的数值，舍弃疲劳区数值，这样可以保证压力传感器的线性度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括通过套筒依次连接的多个压力传感器，所述套筒侧壁上开设透水孔；每个压力传感器均包括压力外壳和位于压力外壳底部的压力膜片，除最底端的压力膜片外，其余的压力膜片上均开设中心孔，所述中心孔内焊接有套管；所述压力外壳顶部开设过纤孔，位于最顶端的压力传感器的压力外壳外部设置尾纤保护套；

光纤一端固定在最底端的压力传感器的压力膜片上，另一端穿过各级压力外壳上的过纤孔和各级压力膜片上的套管，最后由尾纤保护套穿出；光纤位于压力外壳内的部分设置有测压光纤光栅，位于套筒内的部分设置有测温光纤光栅，光纤中部分别固定在过纤孔和套管上，所述测压光纤光栅处于预拉伸状态，所述测温光纤光栅处于自由状态；

各个压力传感器的压力膜片厚度不同，且各个压力传感器对应不同的光纤光栅反射峰，反射光谱相邻的峰值间隔大于5nm。

2.根据权利要求1所述的一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于，最底端的压力膜片上焊接有固定墩，所述固定墩上端开设微孔，所述微孔内填充胶体，所述光纤一端插入所述固定墩的微孔内并固定。

3.根据权利要求1所述的一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述测压光纤光栅和测温光纤光栅的栅区长度为0.1mm~15mm，每个测压光纤光栅或测温光纤光栅中心波长均不同。

4.根据权利要求1所述的一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压力膜片为铍青铜材料，压力膜片的厚度为0.2mm~1.2mm。

5.根据权利要求1所述的一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述套筒长度为5mm~10mm，所述透水孔的直径为0.5mm~2mm。

6.根据权利要求2所述的一种膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述套筒与前一级压力外壳之间采用激光焊接的方式进行固定或密封，所述套筒顶部设置凹台，后一级压力膜片采用激光焊接的方式固定密封在凹台内。

7.一种如权利要求6所述的膜片式级联结构的光纤光栅压力传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将光纤的一端依次穿过尾纤保护套、各级压力外壳、各级压力膜片及套管、各级套筒和第一级压力外壳；利用激光将固定墩点焊到第一级压力膜片表面中心处，固定墩上端微孔内填充胶体，将光纤插入固定墩固定；

第二步，将固定有光纤的第一级压力膜片放入第一级压力外壳底面的圆形凹台内，使第一级测压光纤光栅位于第一级压力外壳中心轴线上，用激光焊接密封第一级压力膜片与第一级压力外壳；对第一级测压光纤光栅施加预应力后，用胶将光纤的尾端固定在第一级压力外壳的过纤孔上，且密封该过纤孔；

第三步，将第一级套筒下端焊接在第一级压力外壳上，并将第二级压力膜片密封焊接在第一级套筒上端凹台内；将第二级压力膜片上的套管密封焊接在第二级压力膜片的中心孔处，并将光纤点焊在套管内壁上，确保第一级测温光纤光栅处于自由状态；

第四步，将第二级压力外壳与第一级套筒上端密封焊接；对第二级测压光纤光栅施加预应力，用胶将光纤的尾端固定在第二级压力外壳的过纤孔上，且密封该过纤孔；

第五步，重复第三步和第四步，完成各级压力传感器和套筒的安装，以及测压光纤光栅和测温光纤光栅的固定；

第六步，将尾纤保护套焊接到最顶端压力外壳的上端，完成整个压力传感器的装配。

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