CN113405721B - 一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，包括以下步骤：S1：制作鱼型金属片，S2：制作测温单元，S3：制作光纤光栅，S4：制作气囊，S5：组装传感器主体，S5：组装传感器主体，S6：组装光缆，S7：封装传感器主体和光缆，S8：平衡测量，S9：整体封装。本发明根据鱼体亚对称结构的仿生学原理，在鱼体左右两侧设计有刚度不同的鱼骨形的金属片，内部有密封测温腔和类似鱼泡的气囊以及弹性填充物，并在刚度小的金属片上的纵向中轴线(“鱼际线”)内外两侧设置光纤光栅，实现温度自补偿的压力检测；通过特殊结构的测温腔封装，消除应力对光栅的影响，实现温度测量；再依据温度查表反算，实现阳面金属片外侧的光栅对压力的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域和液压检测技术领域,具体涉及一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法。
背景技术
光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件，由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。普通的光纤光栅在裸露的情况下抗拉、抗折性能较差，所以对光纤光栅进行封装保护是十分必要的，因光纤光栅耐温性较差，如果工作温度高于光纤光栅耐热温度，光栅的中心波长就会产生较大飘移，导致光纤光栅通过线性拟合的标定办法，量程受限。
目前，对液压管路内压力或温度进行检测时，通常采用在管路径向开检测工艺孔，以及在管路径向侧壁安装压力或温度传感器探头的方法，但这种方法存在一定的问题：第一，破坏管路侧壁结构；第二，径向传感器探头破坏了内壁液流的层流形态，增加了液流内部扰动；第三，螺旋管路的内外侧流速不同，压力状态不同，采用固定的压力传感器探头的方法难以准确测量管路内的压力分布和变化规律。而对于管路内液体压力测量多数是利用光纤光栅原理进行，但采用光纤光栅压力传感器进行压力测量时，存在承载小，测量压力范围较小的问题。为此，目前通常采用悬臂梁放大原理对压力传感器进行封装，以解决传感器承载小的问题，但这同时又会产生传感器体积增大的问题；并且对传感器进行封装并不能解决其测量压力范围较小的问题，即该种压力传感器的量程仍然满足不了工程液压机械的实际需求。
另外，虽然现有的光纤光栅温度传感器可以串接多个传感器实现分布式测温，单根光纤上最多可以串联35个温度传感器，极大的减少了布线数量，既简单可靠又经济，但现有光纤光栅温度传感器在工程结构应用时，存在两类问题，一是光纤光栅温度传感器本身强度的问题，二是时间响应的问题，高强度必然导致大的封装壳体厚度，从而影响对环境温度的响应速度；为提高响应速度，就要减小封装管的厚度，这又使得保护强度降低，在现有技术中，光纤光栅温度传感器的封装结构尚不能同时具备较强的保护强度和较快的响应速度。
申请号为CN201010141147.4的发明专利(一种光纤光栅温度传感器)中通过采用金属、玻璃或陶瓷材料制成封装管进行封装保证了对光纤光栅具有较强的保护强度；但由于光栅主要通过感应封装管内密闭气体的热量来感知封装管外部的环境温度，容易在高温时受到内部气体的膨胀压力而产生光栅形变，也容易在环境温度下降时，内部的散热速度受到影响而导致响应的滞后，而且这种传感器只能检测温度，而不能同时检测同一环境下的压力。
因此，亟需一种能够实现液压管内较高精度的温度和压力分布的检测系统，用于管路内油温的高精度检测和管路多点管壁无损的内部压力数据的采集，而这种技术主要依赖于传感器和标定检测办法的创新，以推动液压管路的深入研究和优化，本发明揣测鱼类对液体压力和温度的神经感知原理，结合水中鱼体结构，主要创新光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法。
发明内容
本发明提供了一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，根据鱼类体的仿生学原理，设计有鱼骨形的金属片，并且在金属片的中轴线内外两侧设置光纤光栅传感器，在低压时起到一个应变膜片的作用，在金属片的纵轴线(相当于鱼体的“鱼际线”)两侧位置设置两根光纤，利用两个光栅传感器正反变形原理消除温度影响，从而实现温度自补偿的压力的检测；并且充分利用计算机大容量高速度运算的特性，克服传感器标定中用线性拟合的方法造成的信息丢失而无法扩大检测量程的问题，从而扩大了目前的光纤光栅传感器检测压力的范围，解决了现有技术中存在的问题，并且利用了鱼体的亚对称结构，在另一侧通过突出到外侧的胡须状的测温金属丝将温度传导到内置于传感器主体内密封腔腔壁，再由密封腔腔壁上的隔板和密封腔腔内的导热硅油传导给测温光栅增敏件，而光纤光栅固定在测温光栅增敏件上，增强了光纤光栅对环境温度变化采集的及时性，提高了对温度信号的灵敏度系数；同时，由于隔板和密封腔腔壁的弹性模量远大于周围气囊和弹性体传感器主体的弹性模量，极大减缓了鱼体外部的压力应变对测温金属片内的测温光栅增敏件上的光栅的纵向变形的干扰，另一方面，又由于测温光栅增敏件仅一处弧形横截面和隔板固定连接，即使由于外在应力造成隔板有微小变形，也对弧形瓦状的测温光栅增敏件纵轴线上粘贴的光纤的纵向变形量造不成影响，从而避免了外在压力对测温金属片内的测温光栅增敏件上的光栅的纵向变形的干扰，进而克服了外在应力引起的变形对测量温度的光纤光栅的纵向信号的交叉干扰，再者，由于测温光栅增敏件纵向变形时仅一端固定，另一端自由悬置，克服了热胀冷缩引起的内在热应力引起的变形对测量温度的光纤光栅的纵向信号的交叉干扰，从而起到了光纤光栅对温度的高精度检测；最后，为了充分利用上述温度信号采集的信息，扩大阴面金属片两侧的光纤光栅组对压力的检测量程，利用阳面金属片外侧的光纤光栅能够同时检测管道内液体的压力和温度数据，并通过温度数据采集后的查表反算，实现了阳面金属片外侧的光纤光栅对压力的测量。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，包括以下步骤：
S1：制作鱼型金属片：将金属片冲制成鱼骨形状，两端设置连接孔，并且将金属片冲压成中部外凸的流线型；其中一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设纵向沟槽，设定为阴面金属片；取另一个金属片沿纵向中轴线两侧对称开设沿纵向外凸的筋槽，设定为阳面金属片；阴面金属片和阳面金属片的骨刺数量相同，且相互对称设置；
S2：制作测温单元：
制作测温金属片：取一长条形金属片沿其纵轴线冲压成弧形，翘起的翻边剪制处理，金属片剪制后的翻边插入阳面金属片的筋槽内侧位置，保证长条形金属片纵轴线平直，使长条形金属片和阳面金属片的筋槽形成封闭的密封腔，所述长条形金属片设为测温金属片；
制作隔板：取至少两块金属片，按照密封腔中轴线不同横剖面的形状，剪制成至少两块隔板，隔板的边缘剪制流通孔，中部冲制安装孔，将隔板设置在密封腔内相应的截面处；
制作测温光栅增敏件：另取一长条形金属片沿其纵轴线按照隔板中部安装孔大小冲压成弧形，其翘起的翻边剪制处理，使其能够穿进隔板中部的安装孔，设为测温光栅增敏件；在隔板安装孔内放置测温光栅增敏件，所述测温光栅增敏件的一端和其中一个隔板相固连，其他隔板的安装孔位置和测温光栅增敏件相抵接，使测温光栅增敏件的另一端悬置设置；
制作测温金属丝：在所述测温金属片的外部表面焊接至少一根测温金属丝；
S3：制作光纤光栅：选取四根相同光纤，在阴面金属片的内外两侧中轴线分别对称粘贴光纤，在每根光纤表面刻制相同特征值的光栅，保证阴面金属片中部内外侧的光栅为相同特征的栅格周期，将粘贴在阴面金属片的外侧壁的光纤编号为一号光纤，将粘贴在阴面金属片的内侧壁的光纤编号为二号光纤；
取余下的两根光纤中的一根为三号光纤，将三号光纤沿所述密封腔纵轴线方向穿过所述测温光栅增敏件，并粘贴在测温光栅增敏件凹面的纵轴线位置，在三号光纤和测温光栅增敏件相粘连位置刻制光栅，三号光纤上的光栅特征值和一号或二号光纤上的光栅特征值相同，且三号光纤和测温金属片的两端位置粘连设置，以保证密封腔内的三号光纤处于松弛状态，所述松弛状态包括光纤上设置松弛环；所述松弛环，包括至少一圈的光纤绕折；
制作测温密封腔：随后将所述测温金属片的翘起端与阳面金属片的筋槽粘贴或焊接在一起，在密封腔内填充流体的导热介质后进行密封处理，使密封腔完全密闭；在阳面金属片的外侧中轴线粘贴四号光纤，在阳面金属片中部位置的四号光纤表面刻制光栅，所述四号光纤上的光栅和三号光纤上的光栅特征值相同；
S4：制作气囊：使用吹制气球的方法将惰性气体充入气囊中，每一批次的气囊大小相同，保证两金属片压缩至平面时不破裂；
S5：组装传感器主体：将气囊放置在粘贴好光纤光栅的阴面金属片的内凹位置，将两个中部设有限位环的金属棒分别放入阴面金属片两端的连接孔内，将阳面金属片对应孔穿入两个金属棒的另一端，再将两个金属片的支撑部对应粘贴，使设置有光纤光栅的两个金属片形成一个内置气囊的传感器主体，所述测温金属片表面的测温金属丝从传感器主体延伸穿出设置在外界，两端金属棒的中间的限位环用于连接牵引绳；两端金属棒伸出金属片的部分打结设置，打结部分用于固定两金属片的首尾两端，打结形成的圆环部用于连接抗扭绳，所述抗扭绳用于平衡光纤的扭转；
S6：组装光缆：制作具有连接四根光纤的光纤连接器，中间连接抗拉用的牵引绳，两侧对称设置抗扭绳的连接穿孔，四根光纤及牵引绳和光纤连接器相连，两侧的抗扭绳和光纤连接器相应部分进行连接；
S7：封装传感器主体和光缆：将上述传感器主体和四根光纤、牵引绳、金属棒进行封装，保证内部气囊不被破坏，四根光纤、牵引绳封装形成光缆；
S8：平衡测量：用油液悬置法测量传感器主体的漂浮平衡能力，用增减端部弹性体质量的办法进行漂浮平衡；
S9：整体封装：使用薄膜将传感器主体、光缆进行封装密封，使测温金属丝穿过传感器主体和表皮后向外延伸设置；将抗扭绳、光缆间挂制与油液兼容的薄膜，借助液流进行抗扭平衡。
进一步的，在步骤S6中组装光缆时，牵引绳的连接长度不大于光纤连接器和连接孔之间光纤的长度，以防止光纤被液流冲击而断裂；在步骤S6中，光缆的长度可以大于其前端的传感器主体或光纤连接器的纵向长度的十倍，可避免上游物体的后部紊流对下一个传感器的压力检测产生影响。
进一步的，在步骤S5中组装传感器主体时进行填充，使用填充物将两个金属片及测温金属片与气囊之间的空腔进行填充，保证传感器主体内的气囊、金属棒的位置固定，形成一具有仿鱼结构的传感器整体。
进一步的，在步骤S7进行整体封装后，从0MPa开始按每0.1MPa一标定的方法对传感器进行压力检测的标定，首先对每一压力数据进行采集，对应地采集一号光纤和二号光纤中各光栅中心波长漂移量的差值，存储每一个鱼型传感器的该漂移量的差值作为对应压力的标定关系，存储于计算机系统内用于每一个鱼型传感器对压力的测量，直到无中心波长漂移量的差值或者中心波长漂移量的差值不再变化时的压力P12为止，将P12/1.2后，得到的数据作为该传感器的阴面金属片的一号光纤和二号光纤上的光栅所能检测到的最大压力值Pmax；
对于三号光纤和四号光纤上的光栅，根据工程机械液压油温适宜温度在35℃至60℃，最低20℃最高不超过80℃的有关要求，作为传感器，从10℃(低于20℃时液压系统需要加热，至少要检测到10℃)开始到100℃(用于分析故障)，按每1℃一标定的方法对传感器上的三号光纤上的光栅的信息进行采集和标定，同时，在每一个温度区间内(10℃，11℃，12℃......100℃)，从Pmax值开始按每0.1MPa升压的这一标定的方法对四号光纤上的光栅信号进行采集和对应温度值的压力标定，当达到目前工程机械的液压系统的最高压力45MPa时,四号光纤上的光栅对该温度下的压力信号采集完成；然后，再升高1℃温度，按上述步骤，标定四号光纤上的光栅对该温度下的压力信号采集，最后，将三号光纤上的光栅的温度信号与温度数据形成一个对应表格，将三号光纤上的光栅的温度信号和四号光纤上的光栅的信号共同组成的温度和压力数据形成一个相对应的网状表格，将光纤传输出的光源信号的状态以及压力和温度与参数的对应关系存储到计算机系统中，完成对鱼型传感器的压力标定。
进一步的，步骤S9中使用的薄膜选用耐低温聚乙烯薄膜。
进一步的，所述填充物选用氟橡胶或耐油丁腈橡胶，以兼顾油液的兼容性和工作温度范围。
进一步的，当传感器外部的油液处于高压状态时，所述填充物可选用硫化橡胶或尼龙材料，使传感器具有相匹配的弹性模量。
进一步的，在步骤S4制作气囊时，使用高空气球的蒙皮材料，选用耐低温聚乙烯，如LDPE低密度聚乙烯，在惰性气体的环境中，将其加热融化至玻璃态，用吹制玻璃瓶的方法将惰性气体充入，形成内置惰性气体的气囊。
进一步的，在步骤S4制作气囊时，按照气球的制作方法制作气囊，所述气囊外形设为球形或对称椭球形，气囊的表面喷涂与填充物不相容的润滑剂。
进一步的，所述测温光栅增敏件设为铝片，所述测温金属丝设为纯铜或纯银材料，所述阳面金属片选用不小于0.2毫米厚度的工业钛片或钛合金片或不锈钢片。
本发明采用上述结构的有益效果是，根据鱼类体的仿生学原理，设计有鱼骨形的金属片，并且在金属片的中轴线内外两侧设置光纤光栅传感器，在低压时起到一个应变膜片的作用，在金属片的纵轴线(相当于鱼体的“鱼际线”)两侧位置设置两根光纤，利用两个光栅传感器正反变形原理消除温度影响，从而实现温度自补偿的压力的检测；并且充分利用计算机大容量高速度运算的特性，克服传感器标定中用线性拟合的方法造成的信息丢失而无法扩大检测量程的问题，从而扩大了目前的光纤光栅传感器检测压力的范围，解决了现有技术中存在的问题，并且利用了鱼体的亚对称结构，在另一侧通过突出到外侧的胡须状的测温金属丝将温度传导到内置于传感器主体内密封腔腔壁，再由密封腔腔壁上的隔板和密封腔腔内的导热硅油传导给测温光栅增敏件，而光纤光栅固定在测温光栅增敏件上，增强了光纤光栅对环境温度变化采集的及时性，提高了对温度信号的灵敏度系数；同时，由于隔板和密封腔腔壁的弹性模量远大于周围气囊和弹性体传感器主体的弹性模量，极大减缓了鱼体外部的压力应变对测温金属片内的测温光栅增敏件上的光栅的纵向变形的干扰，另一方面，又由于测温光栅增敏件仅一处弧形横截面和隔板固定连接，即使由于外在应力造成隔板有微小变形，也对弧形瓦状的测温光栅增敏件纵轴线上粘贴的光纤的纵向变形量造不成影响，从而避免了外在压力对测温金属片内的测温光栅增敏件上的光栅的纵向变形的干扰，进而克服了外在应力引起的变形对测量温度的光纤光栅的纵向信号的交叉干扰，再者，由于测温光栅增敏件纵向变形时仅一端固定，另一端自由悬置，克服了热胀冷缩引起的内在热应力引起的变形对测量温度的光纤光栅的纵向信号的交叉干扰，从而起到了光纤光栅对温度的高精度检测；最后，为了充分利用上述温度信号采集的信息，扩大阴面金属片两侧的光纤光栅组对压力的检测量程，利用阳面金属片外侧的光纤光栅能够同时检测管道内液体的压力和温度数据，并通过温度数据采集后的查表反算，实现了阳面金属片外侧的光纤光栅对压力的测量。
附图说明
图1为本发明的传感器主体主体结构的立体结构示意图。
图2为本发明的传感器主体主体结构的俯视结构示意图。
图3为本发明的传感器主体主体结构的侧视结构示意图。
图4为本发明组装后剖视结构示意图。
图5为本发明多个传感器组合状态的结构示意图。
图6为本发明阳面金属片的优化状态的结构示意图。
图7为本发明阴面金属片的优化状态的结构示意图。
图中，1、阴面金属片；2、筋槽；3、阳面金属片；4、空腔；5、气囊；6、填充物；7、一号光纤；8、二号光纤；9、测温金属片；10、密封腔；11、隔板；12、测温光栅增敏件；13、三号光纤；14、测温金属丝；15、四号光纤；16、光纤连接器；17、间隙；18、金属棒；19、牵引绳；20、抗扭绳；21、侧部槽沟；22、支撑部；23、端部槽沟；24、沟槽。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
如图1-7所示，一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，包括以下步骤：
S1：制作鱼型金属片：将金属片冲制成鱼骨形状，两端设置连接孔，并且将金属片冲压成中部外凸的流线型；其中一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设纵向沟槽，设定为阴面金属片1；取另一个金属片沿纵向中轴线两侧对称开设沿纵向外凸的筋槽2，设定为阳面金属片2；阴面金属片1和阳面金属片3的骨刺数量相同，且相互对称设置；
另外，可以进一步对金属片的结构进行优化设计，使每个金属片设有至少两个侧部槽沟21，侧部槽沟21关于金属片的纵向中轴线对称设置，使侧部槽沟21旁留下的部分形成多个相互配合的支撑部22；当传感器主体受到液体压力后，两个金属片对应的支撑部22能够相互抵接，以增加传感器主体的整体弹性模量；
S2：制作测温单元：
制作测温金属片：取一长条形金属片沿其纵轴线冲压成弧形，翘起的翻边剪制处理，金属片剪制后的翻边插入阳面金属片3的筋槽2内侧位置，保证长条形金属片纵轴线平直，使长条形金属片和阳面金属片3的筋槽2形成封闭的密封腔10，长条形金属片设为测温金属片9；
制作隔板：取至少两块金属片，按照密封腔10中轴线不同横剖面的形状，剪制成至少两块隔板11，隔板11的边缘剪制流通孔，中部冲制安装孔，将隔板设置在密封腔10内相应的截面处；
制作测温光栅增敏件：另取一长条形金属片沿其纵轴线按照隔板11中部安装孔大小冲压成弧形，其翘起的翻边剪制处理，使其能够穿进隔板11中部的安装孔，设为测温光栅增敏件12；在隔板11安装孔内放置测温光栅增敏件12，测温光栅增敏件12的一端和其中一个隔板11相固连，其他隔板11的安装孔位置和测温光栅增敏件12相抵接，使测温光栅增敏件12的另一端悬置设置；
制作测温金属丝：在测温金属片9的外部表面焊接至少一根测温金属丝14；
S3：制作光纤光栅：选取四根相同光纤，在阴面金属片1的内外两侧中轴线分别对称粘贴光纤，在每根光纤表面刻制相同特征值的光栅，保证阴面金属片1中部内外侧的光栅为相同特征的栅格周期，将粘贴在阴面金属片的外侧壁的光纤编号为一号光纤7，将粘贴在阴面金属片1的内侧壁的光纤编号为二号光纤8；
取余下的两根光纤中的一根为三号光纤13，将三号光纤13沿密封腔10纵轴线方向穿过测温光栅增敏件12，并粘贴在测温光栅增敏件12凹面的纵轴线位置，在三号光纤13和测温光栅增敏件12相粘连位置刻制光栅，三号光纤上的光栅特征值和一号或二号光纤上的光栅特征值相同，且三号光纤13和测温金属片9的两端位置粘连设置，以保证密封腔10内的三号光纤13处于松弛状态；松弛状态包括光纤上设置松弛环；松弛环，包括至少一圈的光纤绕折；
制作测温密封腔：随后将测温金属片9的翘起端与阳面金属片3的筋槽2粘贴或焊接在一起，在密封腔10内填充流体的导热介质后进行密封处理，使密封腔10完全密闭；在阳面金属片3的外侧中轴线粘贴四号光纤15，在阳面金属片3中部位置的四号光纤15表面刻制光栅，四号光纤15上的光栅和三号光纤13上的光栅特征值相同；需要说明的是，密封腔10内填充1/2至4/5的导热介质，导热介质选用导热硅油或导热硅脂，使整个密封腔10能够向测温光栅增敏件12传递温度，形成测温密封腔，其中密封腔10内部的导热介质不充满，并且使加热介质的容量控制在1/2至4/5范围，在确保导热能力的前提下，考虑到密封腔10外壁变形因素，以吸收应变的影响。
S4：制作气囊：使用吹制气球的方法将惰性气体充入气囊5中，每一批次的气囊5大小相同，保证两金属片压缩至平面时不破裂；
S5：组装传感器主体：将气囊5放置在粘贴好光纤光栅的阴面金属片1的内凹位置，将两个中部设有限位环的金属棒18分别放入阴面金属片1两端的连接孔内，将阳面金属片3对应孔穿入两个金属棒18的另一端，再将两个金属片18的支撑部对应粘贴，使设置有光纤光栅的两个金属片形成一个内置气囊5的传感器主体，测温金属片9表面的测温金属丝14从传感器主体延伸穿出设置在外界，两端金属棒18的中间的限位环用于连接牵引绳19；两端金属棒18伸出金属片的部分打结设置，打结部分用于固定两金属片的首尾两端，打结形成的圆环部用于连接抗扭绳20，抗扭绳20用于平衡光纤的扭转；
值得一提的是，两个金属片的纵向两端对称设有端部槽沟23，端部槽沟23旁留下的部分之间形成间隙17，中间连接环18能够和两个金属片的端部槽沟23旁留部分相互抵接，使间隙17的最小尺寸不小于光纤的直径尺寸，如附图3所示，金属片的两端部位置相比其他位置设置缺口，当整个传感器受到外界油液压力后，金属片的主体部位相互抵接时，两端的缺口位置能够确保间隙17尺寸大于光纤直径，保证两个金属片两端位置不会相互接触挤压光纤，保护光纤的安全；
S6：组装光缆：制作具有连接四根光纤的光纤连接器16，中间连接抗拉用的牵引绳19，两侧对称设置抗扭绳20的连接穿孔，四根光纤及牵引绳19和光纤连接器16相连，两侧的抗扭绳20和光纤连接器16相应部分进行连接；金属棒18两端打结位置连接抗扭绳20，使抗扭绳20和其他的传感器的金属棒18打结位置相连，以加强相邻传感器之间的连接稳定性。
S7：封装传感器主体和光缆：将上述传感器主体和四根光纤、牵引绳、金属棒进行封装，保证内部气囊5不被破坏，四根光纤、牵引绳19封装形成光缆；
S8：平衡测量：用油液悬置法测量传感器主体的漂浮平衡能力，用增减端部弹性体质量的办法进行漂浮平衡；
S9：整体封装：使用薄膜将传感器主体、光缆进行封装密封，使测温金属丝14穿过传感器主体和表皮后向外延伸设置；将抗扭绳、光缆间挂制与油液兼容的薄膜，借助液流进行抗扭平衡。
整体封装后形成光纤光栅温度和压力传感器，其中的隔板11和测温金属片9相连，能够更可靠地将测温金属丝14的热量经测温金属片9、隔板11传导至测温光栅增敏件12，测温光栅增敏件12其它部分可以在其它隔板11上悬置或活动连接，以保证测温光栅增敏件12受温度影响而发生自由的伸缩变形，测温光栅增敏件12能够同时接收导热介质和隔板11传递的热量，同时，隔板11还能对测温光栅增敏件12起到辅助支撑的作用，使测温光栅增敏件12保持姿态稳定，避免外界油液流动对传感器产生扰动后影响三号光纤13晃动而影响测温的检测精度。整个传感器根据鱼类对水压和温度感知的仿生学原理，设计有鱼骨形的金属片，并且在金属片的中轴线内外两侧设置光纤光栅传感器，在低压时起到一个应变膜片的作用，在金属片的纵向轴线(“鱼际线”)两侧位置设置两根光纤和内外对称设置的光纤光栅，，利用两个光栅正反变形原理消除温度影响，从而实现温度自补偿的压力的检测；充分利用计算机大容量高速度运算的特性，克服传感器标定中用线性拟合的方法造成的信息丢失而无法扩大检测量程的问题，从而扩大了目前的光纤光栅传感器检测压力的范围，解决了现有技术中存在的问题，并且利用了鱼体的亚对称结构，在另一侧通过突出到外侧的胡须状的测温金属丝14将温度传导到内置于传感器主体内测温金属片9，再由测温金属片9上的隔板11和密封腔腔内的导热硅油传导给测温光栅增敏件12，而光纤光栅固定在测温光栅增敏件12上，增强了光纤光栅对环境温度变化采集的及时性，提高了对温度信号的灵敏度系数；同时，由于隔板11和密封腔腔壁的弹性模量远大于周围气囊5和弹性体传感器主体的弹性模量，极大减缓了鱼体外部的压力应变对测温金属片9内的测温光栅增敏件12上的光栅的纵向变形的干扰，另一方面，又由于测温光栅增敏件12仅一处弧形横截面和隔板11固定连接，即使由于外在应力造成隔板11有微小变形，也对弧形瓦状的测温光栅增敏件12纵轴线上粘贴的光纤的纵向变形量造不成影响，从而避免了外在压力对测温金属片内的测温光栅增敏件12上的光栅的纵向变形的干扰，进而克服了外在应力引起的变形对测量温度的光纤光栅的纵向信号的交叉干扰，再者，由于测温光栅增敏件12纵向变形时仅一端固定，另一端自由悬置，克服了热胀冷缩引起的内在热应力引起的变形对测量温度的光纤光栅的纵向信号的交叉干扰，从而起到了光纤光栅对温度的高精度检测；最后，为了充分利用上述温度信号采集的信息，扩大阴面金属片1两侧的光纤光栅组对压力的检测量程，利用阳面金属片3外侧的光纤光栅能够同时检测管道内液体的压力和温度数据，并通过温度数据采集后的查表反算，实现了阳面金属片3外侧的光纤光栅对压力的测量。
在步骤S6中组装光缆时，牵引绳19的连接长度不大于光纤连接器16和连接孔之间光纤的长度，以防止光纤被液流冲击而断裂；在步骤S6中，光缆的长度可以大于其前端的传感器主体或光纤连接器16的纵向长度的十倍，可避免上游物体的后部紊流对下一个传感器的压力检测产生影响。
在步骤S5中组装传感器主体时进行填充，使用填充物6将两个金属片及测温金属片9与气囊5之间的空腔进行填充，保证传感器主体内的气囊5、金属棒18的位置固定，形成一具有仿鱼结构的传感器整体。
在步骤S7进行整体封装后，从0MPa开始按每0.1MPa一标定的方法对传感器进行压力检测的标定，首先对每一压力数据进行采集，对应地采集一号光纤7和二号光纤8中各光栅中心波长漂移量的差值，存储每一个鱼型传感器的该漂移量的差值作为对应压力的标定关系，存储于计算机系统内用于每一个鱼型传感器对压力的测量，直到无中心波长漂移量的差值或者中心波长漂移量的差值不再变化时的压力P12为止，将P12/1.2后，得到的数据作为该传感器的阴面金属片的一号光纤7和二号光纤8上的光栅所能检测到的最大压力值Pmax；
对于三号光纤13和四号光纤15上的光栅，根据工程机械液压油温适宜温度在35℃至60℃，最低20℃最高不超过80℃的有关要求，作为传感器，从10℃(低于20℃时液压系统需要加热，至少要检测到10℃)开始到100℃(用于分析故障)，按每1℃一标定的方法对传感器上的三号光纤13上的光栅的信息进行采集和标定，同时，在每一个温度区间内(10℃，11℃，12℃......100℃)，从Pmax值开始按每0.1MPa升压的这一标定的方法对四号光纤15上的光栅信号进行采集和对应温度值的压力标定，当达到目前工程机械的液压系统的最高压力45MPa时,四号光纤上的光栅对该温度下的压力信号采集完成；然后，再升高1℃温度，按上述步骤，标定四号光纤15上的光栅对该温度下的压力信号采集，最后，将三号光纤13上的光栅的温度信号与温度数据形成一个对应表格，将三号光纤13上的光栅的温度信号和四号光纤15上的光栅的信号共同组成的温度和压力数据形成一个相对应的网状表格，将光纤传输出的光源信号的状态以及压力和温度与参数的对应关系存储到计算机系统中，完成对鱼型传感器的压力标定。
步骤S9中使用的薄膜选用耐低温聚乙烯薄膜。
在优选的实施例中，填充物6选用氟橡胶或耐油丁腈橡胶，以兼顾油液的兼容性和工作温度范围。
可以理解的是，当传感器外部的油液处于高压状态时，填充物可选用硫化橡胶或尼龙材料，使传感器具有相匹配的弹性模量。
在步骤S4制作气囊5时，使用高空气球的蒙皮材料，选用耐低温聚乙烯，如LDPE低密度聚乙烯，在惰性气体的环境中，将其加热融化至玻璃态，用吹制玻璃瓶的方法将惰性气体充入，形成内置惰性气体的气囊。
在步骤S4制作气囊5时，按照气球的制作方法制作气囊5，气囊5外形设为球形或对称椭球形，气囊5的表面喷涂与填充物不相容的润滑剂。
值得一提的是，测温光栅增敏件12设为铝片，测温金属丝14设为纯铜或纯银材料，阳面金属片3选用不小于0.2毫米厚度的工业钛片或钛合金片或不锈钢片。
值得一提的是，阴面金属片1可以沿光纤的上下两侧开挖通透的沟槽24，使阴面金属片1在低压时能够快速变形响应，阴面金属片1的外侧设置一号光纤7，内侧设置二号光纤8；一号光纤7和二号光纤8上的光栅联合起来适于测量管道内液体压力，三号光纤13上的光栅适于测量管道内液体温度；四号光纤15上的光栅适于测量管道内液体压力和温度的综合值，并通过三号光纤13上的光栅的温度检测而间接测量压力；另外，通过标定设备也能够在给定压力下对三号光纤13上的光栅检测的温度值进行复验校核。
使用时，如附图5所示，多个封装后的传感器之间经光纤相互串联设置，使多个传感器形成组合状态使用，外侧的光栅连接外侧的，内侧的光栅连接内侧的，同侧的光栅保证成组，光纤连接器标识清楚，顺序规律。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制作鱼型金属片：将金属片冲制成鱼骨形状，两端设置连接孔，并且将金属片冲压成中部外凸的流线型；其中一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设纵向沟槽，设定为阴面金属片；取另一个金属片沿纵向中轴线两侧对称开设沿纵向外凸的筋槽，设定为阳面金属片；阴面金属片和阳面金属片的骨刺数量相同，且相互对称设置；
S2：制作测温单元：
制作测温金属片：取一长条形金属片沿其纵轴线冲压成弧形，翘起的翻边剪制处理，金属片剪制后的翻边插入阳面金属片的筋槽内侧位置，保证长条形金属片纵轴线平直，使长条形金属片和阳面金属片的筋槽形成封闭的密封腔，所述长条形金属片设为测温金属片；
制作隔板：取至少两块金属片，按照密封腔中轴线不同横剖面的形状，剪制成至少两块隔板，隔板的边缘剪制流通孔，中部冲制安装孔，将隔板设置在密封腔内相应的截面处；
制作测温光栅增敏件：另取一长条形金属片沿其纵轴线按照隔板中部安装孔大小冲压成弧形，其翘起的翻边剪制处理，使其能够穿进隔板中部的安装孔，设为测温光栅增敏件；在隔板安装孔内放置测温光栅增敏件，所述测温光栅增敏件的一端和其中一个隔板相固连，其他隔板的安装孔位置和测温光栅增敏件相抵接，使测温光栅增敏件的另一端悬置设置；
制作测温金属丝：在所述测温金属片的外部表面焊接至少一根测温金属丝；
S3：制作光纤光栅：选取四根相同光纤，在阴面金属片的内外两侧中轴线分别对称粘贴光纤，在每根光纤表面刻制相同特征值的光栅，保证阴面金属片中部内外侧的光栅为相同特征的栅格周期，将粘贴在阴面金属片的外侧壁的光纤编号为一号光纤，将粘贴在阴面金属片的内侧壁的光纤编号为二号光纤；
取余下的两根光纤中的一根为三号光纤，将三号光纤沿所述密封腔纵轴线方向穿过所述测温光栅增敏件，并粘贴在测温光栅增敏件凹面的纵轴线位置，在三号光纤和测温光栅增敏件相粘连位置刻制光栅，三号光纤上的光栅特征值和一号或二号光纤上的光栅特征值相同，且三号光纤和测温金属片的两端位置粘连设置，以保证密封腔内的三号光纤处于松弛状态，所述松弛状态包括光纤上设置松弛环；所述松弛环，包括至少一圈的光纤绕折；
制作测温密封腔：随后将所述测温金属片的翘起端与阳面金属片的筋槽粘贴或焊接在一起，在密封腔内填充流体的导热介质后进行密封处理，使密封腔完全密闭；在阳面金属片的外侧中轴线粘贴四号光纤，在阳面金属片中部位置的四号光纤表面刻制光栅，所述四号光纤上的光栅和三号光纤上的光栅特征值相同；
S4：制作气囊：使用吹制气球的方法将惰性气体充入气囊中，每一批次的气囊大小相同，保证两金属片压缩至平面时不破裂；
S5：组装传感器主体：将气囊放置在粘贴好光纤光栅的阴面金属片的内凹位置，将两个中部设有限位环的金属棒分别放入阴面金属片两端的连接孔内，将阳面金属片对应孔穿入两个金属棒的另一端，再将两个金属片的支撑部对应粘贴，使设置有光纤光栅的两个金属片形成一个内置气囊的传感器主体，所述测温金属片表面的测温金属丝从传感器主体延伸穿出设置在外界，两端金属棒的中间的限位环用于连接牵引绳；两端金属棒伸出金属片的部分打结设置，打结部分用于固定两金属片的首尾两端，打结形成的圆环部用于连接抗扭绳，所述抗扭绳用于平衡光纤的扭转；
S6：组装光缆：制作具有连接四根光纤的光纤连接器，中间连接抗拉用的牵引绳，两侧对称设置抗扭绳的连接穿孔，四根光纤及牵引绳和光纤连接器相连，两侧的抗扭绳和光纤连接器相应部分进行连接；
S7：封装传感器主体和光缆：将上述传感器主体和四根光纤、牵引绳、金属棒进行封装，保证内部气囊不被破坏，四根光纤、牵引绳封装形成光缆；
S8：平衡测量：用油液悬置法测量传感器主体的漂浮平衡能力，用增减端部弹性体质量的办法进行漂浮平衡；
S9：整体封装：使用薄膜将传感器主体、光缆进行封装密封，使测温金属丝穿过传感器主体和表皮后向外延伸设置；将抗扭绳、光缆间挂制与油液兼容的薄膜，借助液流进行抗扭平衡。
2.根据权利要求1所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，在步骤S6中组装光缆时，牵引绳的连接长度不大于光纤连接器和连接孔之间光纤的长度，以防止光纤被液流冲击而断裂；在步骤S6中，光缆的长度大于其前端的传感器主体或光纤连接器的纵向长度的十倍，可避免上游物体的后部紊流对下一个传感器的压力检测产生影响。
3.根据权利要求2所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，在步骤S5中组装传感器主体时进行填充，使用填充物将两个金属片及测温金属片与气囊之间的空腔进行填充，保证传感器主体内的气囊、金属棒的位置固定，形成一具有仿鱼结构的传感器整体。
4.根据权利要求3所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，在步骤S7进行整体封装后，从0MPa开始按每0.1MPa一标定的方法对传感器进行压力检测的标定，首先对每一压力数据进行采集，对应地采集一号光纤和二号光纤中各光栅中心波长漂移量的差值，存储每一个鱼型传感器的该漂移量的差值作为对应压力的标定关系，存储于计算机系统内用于每一个鱼型传感器对压力的测量，直到无中心波长漂移量的差值或者中心波长漂移量的差值不再变化时的压力P12为止，将P12/1.2后，得到的数据作为该传感器的阴面金属片的一号光纤和二号光纤上的光栅所能检测到的最大压力值Pmax；
对于三号光纤和四号光纤上的光栅，可从10℃开始到100℃按每1℃一标定的方法对传感器上的三号光纤上的光栅的信息进行采集和标定，同时，在每一个温度区间内，从Pmax值开始按每0.1MPa升压的这一标定的方法对四号光纤上的光栅信号进行采集和对应温度值的压力标定，当达到目前工程机械的液压系统的最高压力45MPa时,四号光纤上的光栅对该温度下的压力信号采集完成；然后，再升高1℃温度，按上述步骤，标定四号光纤上的光栅对该温度下的压力信号采集，最后，将三号光纤上的光栅的温度信号与温度数据形成一个对应表格，将三号光纤上的光栅的温度信号和四号光纤上的光栅的信号共同组成的温度和压力数据形成一个相对应的网状表格，将光纤传输出的光源信号的状态以及压力和温度与参数的对应关系存储到计算机系统中，完成对鱼型传感器的压力标定。
5.根据权利要求4所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，步骤S9中使用的薄膜选用耐低温聚乙烯薄膜。
6.根据权利要求5所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，所述填充物选用氟橡胶或耐油丁腈橡胶，以兼顾油液的兼容性和工作温度范围。
7.根据权利要求6所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，当传感器外部的油液处于高压状态时，所述填充物可选用硫化橡胶或尼龙材料，使传感器具有相匹配的弹性模量。
8.根据权利要求7所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，在步骤S4制作气囊时，使用高空气球的蒙皮材料，选用耐低温聚乙烯，在惰性气体的环境中，将其加热融化至玻璃态，用吹制玻璃瓶的方法将惰性气体充入，形成内置惰性气体的气囊。
9.根据权利要求7所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，在步骤S4制作气囊时，按照气球的制作方法制作气囊，所述气囊外形设为球形或对称椭球形，气囊的表面喷涂与填充物不相容的润滑剂。
10.根据权利要求8或9所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器的制作及封装方法，其特征在于，所述测温光栅增敏件设为铝片，所述测温金属丝设为纯铜或纯银材料，所述阳面金属片选用不小于0.2毫米厚度的工业钛片或钛合金片或不锈钢片。
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Denomination of invention: The fabrication and packaging method of a fish shaped fiber optic grating pressure and temperature sensor Granted publication date: 20220701 Pledgee: Qishang Bank Co.,Ltd. Weifang Anqiu sub branch Pledgor: Weifang Jiateng Hydraulic Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980000322 |
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