CN112729399A - 一种液气压力、液气振动传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液气压力、液气振动传感器及制备方法，液气压力、液气振动传感器主要由压力检测模块和振动检测模块组成。压力检测模块包括液气压力室、弹簧管、第一光纤光栅传感器，第一光纤光栅传感器设置在弹簧管上，弹簧管设置在液气压力室外侧并连通，液气压力室上设置有通孔。振动检测模块包括外保护壳、振动部件和第二光纤光栅传感器，第二光纤光栅传感器设置在振动部件上，振动部件设置在外保护壳内，振动检测模块与压力检测模块固定连接。实现既可以监测沿岸附近的水压力，也可以监测海水对防浪墙、冲击坝的冲击振动作用，实现了一个传感器多种用途的目的。通过3D熔融沉积打印的制备方法制成，为一体式结构，缩短了加工周期。

Description

一种液气压力、液气振动传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器监测技术领域，特别涉及一种液气压力、液气振动传感器及制备方法。

背景技术

最近几年我国对南海的开发与建设的力度逐年加大，也越来越受到重视，但南海岛礁远离大陆，工程建设材料从大陆运输过去的话，工程成本太大，本着就地取材和节约资源的原则，南海岛礁的建设选用海砂钙质砂较为常见，但是钙质砂不同于陆用的石英砂，其强度和性能都有所不同，因此对钙质砂的研究就显得非常重要。目前国内越来越多的研究所和高校涉及此领域。而要发展南海诸岛的前提，就是保证岛礁上不受海水的流动腐蚀，岛礁形成一个防海水的屏障，因此海岛上防浪墙、冲击坝就非常常见，也起着关键的作用。

南海各岛礁常年浸受海水、海风等自然条件的影响，这就对南海岛礁上重要的防浪墙、冲击坝产生影响，不仅会减少其使用寿命，还会带来安全问题。因此对于防浪墙、冲击坝的监测也就显得非常重要。防浪墙、冲击坝海岸附近的水压力和冲击振动力尤其对防浪墙、冲击坝产生很大的影响，因此若是能监测到防浪墙、冲击坝岸边的水压以及海风海浪对墙坝的冲击，则能提供理论基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液气压力、液气振动传感器及制备方法，便于同时检测液气压力和液气振动。

本发明所采用的技术方案是：一种液气压力、液气振动传感器，包括：

压力检测模块，包括液气压力室、弹簧管、第一光纤光栅传感器，所述第一光纤光栅传感器设置在所述弹簧管上，所述弹簧管设置在所述液气压力室外侧并连通，所述液气压力室上设置有通孔；以及

振动检测模块，包括外保护壳、振动部件和第二光纤光栅传感器，所述第二光纤光栅传感器设置在所述振动部件上，所述振动部件设置在所述外保护壳内，所述振动检测模块与所述压力检测模块固定连接。

有益效果：该液气压力、液气振动传感器设置为一体式结构，设置有压力检测模块和振动检测模块，该压力检测模块治置于外侧，能够检测沿岸海水对防浪墙、冲击坝的压力，而另外一部分振动检测模块靠近嵌入防浪墙、冲击坝，可有效监测海水对防浪墙、冲击坝的冲击振动作用。实现既可以监测沿岸附近的水压力，也可以监测海水对防浪墙、冲击坝的冲击振动作用，实现了一个传感器多种用途的目的。

进一步地，所述压力检测模块还包括第三光纤光栅传感器，所述第一光纤光栅传感器设置在所述弹簧管的外表面，所述第三光纤光栅传感器设置在所述弹簧管的内表面。

进一步地，所述液气压力室包括压力室腔和底盖，所述通孔设置在所述底盖上，所述弹簧管的一端固定在所述压力室腔内的顶端。

进一步地，所述底盖采用透水石制成。

进一步地，所述振动部件包括悬臂梁和振动球，所述悬臂梁的一端固定在所述外保护壳内，所述悬臂梁的另一端与所述振动球固定连接。

进一步地，所述悬臂梁上设置有凹槽，所述第二光纤光栅传感器设置在所述凹槽内。

进一步地，所述凹槽的截面设置为方形或半圆形。

一种液气压力、液气振动传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过3D打印装置打印液气压力室，液气压力室的底盖上设置有通孔；

(2)打印完液气压力室后，将第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别粘贴在弹簧管内外表面上，并封装保护，随后将弹簧管组装在液气压力室的顶部；

(3)通过3D打印装置分别打印振动检测模块的外保护壳和悬臂梁，悬臂梁上设置有凹槽，打印完成后将第二光纤光栅传感器固定在悬臂梁的凹槽上，将振动球固定在悬臂梁的一端，悬臂梁的另一端固定在外保护壳内；

(4)将振动检测模块与压力检测模块分别组装完成后将两者进行组装。

有益效果：该液气压力、液气振动传感器通过3D熔融沉积技术设计打印而成，在设计阶段缩短了加工周期、提高了制作效率、降低了制作成本且解决了光纤光栅传感器容易受环境影响的问题。

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为本发明实施例的内部整体结构示意图。

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，本发明实施例提供一种液气压力、液气振动传感器，主要由压力检测模块和振动检测模块组成。该压力检测模块包括液气压力室101、弹簧管102、第一光纤光栅传感器，该第一光纤光栅传感器设置在该弹簧管102上，该弹簧管102设置在该液气压力室101外侧并连通，该液气压力室101上设置有通孔。该振动检测模块包括外保护壳201、振动部件和第二光纤光栅传感器，该第二光纤光栅传感器设置在该振动部件上，该振动部件设置在该外保护壳201内，该振动检测模块与该压力检测模块固定连接。具体的，该液气压力、液气振动传感器设置为一体式结构，该压力检测模块和振动检测模块通过榫卯结构组装，该弹簧管102底部设有螺纹，该液气压力室101顶部设置有螺纹孔，该弹簧管102通过螺纹固定在该螺纹孔内。设置有压力检测模块和振动检测模块，该压力检测模块治置于外侧，能够检测沿岸海水对防浪墙、冲击坝的压力，而另外一部分振动检测模块靠近嵌入防浪墙、冲击坝，可有效监测海水对防浪墙、冲击坝的冲击振动作用。实现既可以监测沿岸附近的水压力，也可以监测海水对防浪墙、冲击坝的冲击振动作用，实现了一个传感器多种用途的目的。

优选的，该压力检测模块还包括第三光纤光栅传感器，该第一光纤光栅传感器设置在该弹簧管102的外表面，该第三光纤光栅传感器设置在该弹簧管102的内表面。当弹簧管102在被测压力作用下产生弹性变形时，第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别用来检测弹簧管102的内外表面上正、负应变的变化，同时可以根据第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器波长的变化漂移，根据计算原理，可以消除环境温度对该液气压力、液气振动传感器的影响。

具体的，计算原理如下：

该弹簧管102的截面为椭圆状，弹簧管102一端封闭，被测液体或气体通过另一端进入到弹簧管102内部。弹簧管102在被测压力的作用下，其表面上沿着中心轴线分布的纵向应变大小为：

式中，K＝Rt/a²，Φ是与a/b和h/b有关的位置函数，E为弹簧管102材料的弹性模量，为泊松比，R为弹簧管102的曲率半径，t为壁厚，a和b分别为椭圆截面的长半轴和短半轴，是与比值有关的系数。

令：

(1)可以改为：

ε＝cp (3)

在求已知材料和几何尺寸的弹簧管102在压力作用下表面上某一点的应变时，c为一常数。

光纤光栅同时对应变和温度敏感，光纤光栅波长变化与应变和温度的变化关系为：

式中，α，ξ和P_e分别为光纤材料的热膨胀系数，热光系数和弹光系数。

由于，第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别沿着弹簧管102的中心轴线粘贴在其内外表面中心处，感知弹簧管102在被测压力作用下产生的负应变和正应变，结合式(3)和(4)可得，其波长变化与被测压力之间的关系：

在该压力检测模块中，由于第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器相隔距离很近，假设温度变化引起的第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的波长变化相同。另外，第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器选用的是两个始波长相近的光纤光栅，又光纤光栅的初始波长远大于其由于应变或温度引起的波长变化量，用λ来替代第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的初始波长。式(6)减去式(5)可得第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的波长差与被测压力之间的关系：

Δλ₂-Δλ₁＝2cλ₀(1-p_e)ΔP＝kΔP (7)

式中，

k＝2cλ₀(1-p_e) (8)

其中，k为压力灵敏系数，当c值一定时，k为常数。由式(7)可知，第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的波长变化差与被测压力之间成一次线性关系。由于温度变化引起的第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的波长漂移方向相同，以第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器波长差作为测量压力的传感信号，不仅可以消除温度对测量结果的影响，而且可以提高压力检测模块的压力测量分辨率。以此即可达到环境补偿的目的。

优选的，该液气压力室101包括压力室腔1011和底盖1012，该通孔设置在该底盖1012上，该弹簧管102的一端固定在该压力室腔1011内的顶端。该弹簧管102的一端连通压力室腔1011，另一端进行封闭处理，被测气体或液体通过底盖1012的通孔流入压力室腔1011内，从下至上的进入到该弹簧管102内部，该弹簧管102在被测气体或液体的压力下，与第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器发生协同变形，进而带动第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器波长发生漂移。

优选的，该底盖1012采用透水石制成。

优选的，该振动部件包括悬臂梁202和振动球203，该悬臂梁202的一端固定在该外保护壳201内，该悬臂梁202的另一端与该振动球203固定连接。具体的，该悬臂梁202设置在该外保护壳201的底部，该振动球203通过悬臂梁202悬在该外保护壳201的中部。当该振动检测模块受到振动时，该振动球203最先开始振动，从而带动该悬臂梁202和第二光纤光栅传感器协同振动，从而实现振动的检测。

优选的，该悬臂梁202上设置有凹槽，该第二光纤光栅传感器设置在该凹槽内。设置凹槽使得第二光纤光栅传感器内嵌于悬臂梁202内，能够稳定的进行固定，有利于整体结构的一体化。

优选的，该凹槽的截面设置为方形或半圆形且设置有一定深度，保证第一光纤光栅传感器能够稳定的固定在第一凹槽内，避免外露。

本发明实施例还提供一种液气压力、液气振动传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过3D打印装置打印液气压力室101，液气压力室101的底盖1012上设置有通孔；

(2)打印完液气压力室101后，将第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别粘贴在弹簧管102内外表面上，并封装保护，随后将弹簧管102组装在液气压力室101的顶部；

(3)通过3D打印装置分别打印振动检测模块的外保护壳201和悬臂梁202，悬臂梁202上设置有凹槽，打印完成后将第二光纤光栅传感器固定在悬臂梁202的凹槽上，将振动球203固定在悬臂梁202的一端，悬臂梁202的另一端固定在外保护壳201内；

(4)将振动检测模块与压力检测模块分别组装完成后将两者进行组装。

该液气压力、液气振动传感器通过3D熔融沉积技术设计打印而成，在设计阶段缩短了加工周期、提高了制作效率、降低了制作成本且解决了光纤光栅传感器容易受环境影响的问题。

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 (8)

1.一种液气压力、液气振动传感器，其特征在于，包括：

压力检测模块，包括液气压力室、弹簧管、第一光纤光栅传感器，所述第一光纤光栅传感器设置在所述弹簧管上，所述弹簧管的一端设置在所述液气压力室外侧并连通，所述液气压力室上设置有通孔；以及

振动检测模块，包括外保护壳、振动部件和第二光纤光栅传感器，所述第二光纤光栅传感器设置在所述振动部件上，所述振动部件设置在所述外保护壳内，所述振动检测模块与所述压力检测模块固定连接。

2.根据权利要求1所述的液气压力、液气振动传感器，其特征在于：所述压力检测模块还包括第三光纤光栅传感器，所述第一光纤光栅传感器设置在所述弹簧管的外表面，所述第三光纤光栅传感器设置在所述弹簧管的内表面。

3.根据权利要求1所述的液气压力、液气振动传感器，其特征在于：所述液气压力室包括压力室腔和底盖，所述通孔设置在所述底盖上，所述弹簧管的一端固定在所述压力室腔内的顶端。

4.根据权利要求3所述的液气压力、液气振动传感器，其特征在于：所述底盖采用透水石制成。

5.根据权利要求1所述的液气压力、液气振动传感器，其特征在于：所述振动部件包括悬臂梁和振动球，所述悬臂梁的一端固定在所述外保护壳内，所述悬臂梁的另一端与所述振动球固定连接。

6.根据权利要求5所述的液气压力、液气振动传感器，其特征在于：所述悬臂梁上设置有凹槽，所述第二光纤光栅传感器设置在所述凹槽内。

7.根据权利要求6所述的液气压力、液气振动传感器，其特征在于：所述凹槽的截面设置为方形或半圆形。

8.一种液气压力、液气振动传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过3D打印装置打印液气压力室，液气压力室的底盖上设置有通孔；

(2)打印完液气压力室后，将第一光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别粘贴在弹簧管内外表面上，并封装保护，随后将弹簧管组装在液气压力室的顶部；

(3)通过3D打印装置分别打印振动检测模块的外保护壳和悬臂梁，悬臂梁上设置有凹槽，打印完成后将第二光纤光栅传感器固定在悬臂梁的凹槽上，将振动球固定在悬臂梁的一端，悬臂梁的另一端固定在外保护壳内；

(4)将振动检测模块与压力检测模块分别组装完成后将两者进行组装。

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