CN113514187A - 集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器及其性能评估装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器及其性能评估装置。本发明集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器包括FBG传感器、环氧树脂膜片及两压板，压板的中部呈通孔状；FBG传感器粘接于环氧树脂膜片的第一表面，环氧树脂膜片夹紧于两压板之间且FBG传感器位于压板的中空部。本发明所提出的光纤光栅压力传感器具有较高的灵敏度和良好的精度。此外，该光纤光栅压力传感器具有体积小、成本低、结构简单、易于制造和安装等特点，在实际应用中具有良好的应用前景。

Description

集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器及其性能评估装置
技术领域
本发明属于光纤光栅传感检测技术领域，具体涉及一种集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器及其性能评估装置。
背景技术
在工程应用中，压力是结构安全监测的重要参数之一，开发精确和有效的传感器来测量液位或管道压力在各种行业中是必不可少的，如石油和化学行业。各种基于机械、电气和光学技术的传感方法已被提出用于压力和液位的评估。然而，传统的电子或机械压力传感器在恶劣环境下的能力有限，如系列电磁干扰、高温高压、危险化学品或爆炸事件。此外，传统的电气和机械压力传感器的单点测量不能远程传输和在线监测，进一步限制了其应用。光学精细传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、分布能力和遥感等明显优势，是一种有吸引力的替代器件。
光纤压力传感器有三种不同的类型：基于强度、基于光纤布拉格光栅(FBG)和基于法布里-珀罗腔。近年来，由于光纤光栅压力传感器的测量基于布拉格波长，而与光强、连接器或光纤损耗无关，因此得到了广泛的研究和应用。此外，光纤光栅传感器可以多路复用在一根光纤中，实现在线和准分布式监测。但是，裸光纤光栅传感器的压力灵敏度为3.04pm/MPa，这一灵敏度太低，无法用于实际应用。为了提高FBG的压力灵敏度，现有技术提出了几种与FBG传感技术相结合的机械系统，如将FBG嵌入到聚合物中，将FBG涂覆在圆柱体上，将FBG粘结在三角形悬臂上。然而，目前此类方法涉及到相对复杂的结构，不易制备和在单一光纤中复用。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器。
本发明还提供了一种集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器在性能评估装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器，包括FBG传感器、环氧树脂膜片及两压板，所述压板的中部呈通孔状；所述的FBG传感器粘接于所述环氧树脂膜片的第一表面，环氧树脂膜片夹紧于两压板之间且FBG传感器位于压板的中空部。
优选的，所述的压板采用亚克力材料制成，呈圆环状。
优选的，所述亚克力环形板的内径、外径分别为20～40mm、70～90mm。
优选的，两压板形成数个相对应的孔，相对应的孔拧入螺钉且两压板通过螺钉紧固连接。
优选的，所述孔的直径为2～6mm。
优选的，所述的环氧树脂膜片呈圆形，直径为40～60mm。
优选的，所述的环氧树脂膜片由环氧树脂经纺丝涂层工艺制成。
本发明还公开了一种上述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器性能评估装置，其包括宽带光源、单模光纤循环器、FBG模块化询问器及液体容器，宽带光源、单模光纤循环器、FBG模块化询问器、电脑依次相联；所述的单模光纤循环器与所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器相联；液体容器内盛装液体，液体容器的底部伸入环形亚克力板的中空部并与圆形环氧树脂膜片的第二表面相触。
优选的，所述的液体容器中圆柱状，直径为3～5cm，长度为40～60cm。
优选的，所述的液体容器由丙烯酸材料制成。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明所提出的光纤光栅压力传感器具有较高的灵敏度和良好的精度。此外，该光纤光栅压力传感器具有体积小、成本低、结构简单、易于制造和安装等特点，在实际应用中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为一种优选的FBG压力传感器的结构示意图。
图2为传感器性能评估时测量静压压力和液位的示意图。
图中，A-FBG压力传感器、1-环形亚克力板、2-螺钉、3-圆形环氧树脂模片、4-FBG传感器、5-环形亚克力板、6-宽带光源、7-单模光纤循环器、8-FBG模块化询问器、9-电脑、10-容器、11-水。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面详细介绍本发明的优选实施例。
实施例1
本实施例FBG压力传感器A的基本结构如图1所示。该压力传感器结构包括一个圆形环氧树脂膜片3、两块圆环形亚克力板1、5和FBG光纤光栅传感器4，直径50mm的圆形环氧树脂膜片3由环氧树脂经纺丝涂层工艺制成。FBG传感器4粘贴于圆形环氧膜片3的下表面中心位置。
圆环形亚克力板1、5采用亚克力材料制成，圆环形亚克力板1、5的中部为空，内、外半径分别为30mm、80mm。两块环形亚克力板1、5上有相对应的四个直径为4mm的孔。
粘贴有FBG传感器4圆形环氧树脂膜片3被放置并夹紧于两块环形亚克力板1、5之间，两块环形亚克力板1、5之间通过四个螺钉2紧固。
图2显示了用于评估上述实施例中FBG压力传感器A的性能原理图，其包括一个宽带光源6、一个单模光纤循环器7、FBG模块化询问器8、电脑9等；宽带光源6与单模光纤循环器7连接，单模光纤循环器7与FBG模块化询问器连接，FBG模块化询问器与电脑连接；单模光纤循环器7还与FBG压力传感器A相联。FBG压力传感器A装于一个由丙烯酸材料制成的液体容器10的底部，液体容器10中圆柱状，其底部伸入环形亚克力板1的中空部并与圆形环氧树脂膜片3的上表面相触。液体容器的直径为4cm、高度为50cm。FBG压力传感器的灵敏度取决于由液体11重量产生静水压力而引起的膜片偏转，液体重量是液体高度和密度的函数。当基于FBG压力传感器放置于液体容器底部时，静液压力对膜片产生压缩，从而产生切向应变和径向应变。径向应变使FBG传感器扩展，导致布拉格波长偏移，由此可以确定压力。
为了研究膜片厚度对光纤光栅传感器压力灵敏度的影响，本实施例制备了厚度为0.5mm的环氧膜片。光纤光栅传感器的精度还依赖于膜片厚度，减小膜片厚度可提高测量精度。当膜片厚度为0.5mm时，在水位30cm时，测量误差为0.83％。FBG传感器的压力灵敏度为175.5pm/kPa。可用于监测灵敏度为16.2pm/cm的水平面。FBG传感器的压力灵敏度随膜片厚度的减小而增大，厚度较薄的膜片集成光纤光栅传感器的高灵敏度是由于其在静压变形过程中具有较高的柔性。
实施例2
本实施例FBG压力传感器A的基本结构如图1所示。该压力传感器结构包括一个圆形环氧树脂膜片3、两块圆环形亚克力板1、5和FBG光纤光栅传感器4，直径50mm的圆形环氧树脂膜片3由环氧树脂经纺丝涂层工艺制成。FBG传感器4粘贴于圆形环氧膜片3的下表面中心位置。
圆环形亚克力板1、5采用亚克力材料制成，圆环形亚克力板1、5的中部为空，内、外半径分别为30mm、80mm。两块环形亚克力板1、5上有相对应的四个直径为4mm的孔。
粘贴有FBG传感器4圆形环氧树脂膜片3被放置并夹紧于两块环形亚克力板1、5之间，两块环形亚克力板1、5之间通过四个螺钉2紧固。
图2显示了用于评估上述实施例中FBG压力传感器A的性能原理图，其包括一个宽带光源6、一个单模光纤循环器7、FBG模块化询问器8、电脑9等；宽带光源6与单模光纤循环器7连接，单模光纤循环器7与FBG模块化询问器连接，FBG模块化询问器与电脑连接；单模光纤循环器7还与FBG压力传感器A相联。FBG压力传感器A装于一个由丙烯酸材料制成的液体容器10的底部，液体容器10中圆柱状，其底部伸入环形亚克力板1的中空部并与圆形环氧树脂膜片3的上表面相触。液体容器的直径为4cm、高度为50cm。FBG压力传感器的灵敏度取决于由液体11重量产生静水压力而引起的膜片偏转，液体重量是液体高度和密度的函数。当基于FBG压力传感器放置于液体容器底部时，静液压力对膜片产生压缩，从而产生切向应变和径向应变。径向应变使FBG传感器扩展，导致布拉格波长偏移，由此可以确定压力。
为了研究膜片厚度对光纤光栅传感器压力灵敏度的影响，本实施例制备了厚度为0.7mm的环氧膜片。光纤光栅传感器的精度还依赖于膜片厚度，减小膜片厚度可提高测量精度。当膜片厚度为0.7mm时，在水位30cm时，测量误差为0.94％。FBG传感器的压力灵敏度为89.5pm/kPa。可用于监测灵敏度为8.2pm/cm的水平面。FBG传感器的压力灵敏度随膜片厚度的减小而增大，厚度较薄的膜片集成光纤光栅传感器的高灵敏度是由于其在静压变形过程中具有较高的柔性。
实施例3
本实施例FBG压力传感器A的基本结构如图1所示。该压力传感器结构包括一个圆形环氧树脂膜片3、两块圆环形亚克力板1、5和FBG光纤光栅传感器4，直径50mm的圆形环氧树脂膜片3由环氧树脂经纺丝涂层工艺制成。FBG传感器4粘贴于圆形环氧膜片3的下表面中心位置。
圆环形亚克力板1、5采用亚克力材料制成，圆环形亚克力板1、5的中部为空，内、外半径分别为30mm、80mm。两块环形亚克力板1、5上有相对应的四个直径为4mm的孔。
粘贴有FBG传感器4圆形环氧树脂膜片3被放置并夹紧于两块环形亚克力板1、5之间，两块环形亚克力板1、5之间通过四个螺钉2紧固。
图2显示了用于评估上述实施例中FBG压力传感器A的性能原理图，其包括一个宽带光源6、一个单模光纤循环器7、FBG模块化询问器8、电脑9等；宽带光源6与单模光纤循环器7连接，单模光纤循环器7与FBG模块化询问器连接，FBG模块化询问器与电脑连接；单模光纤循环器7还与FBG压力传感器A相联。FBG压力传感器A装于一个由丙烯酸材料制成的液体容器10的底部，液体容器10中圆柱状，其底部伸入环形亚克力板1的中空部并与圆形环氧树脂膜片3的上表面相触。液体容器的直径为4cm、高度为50cm。FBG压力传感器的灵敏度取决于由液体11重量产生静水压力而引起的膜片偏转，液体重量是液体高度和密度的函数。当基于FBG压力传感器放置于液体容器底部时，静液压力对膜片产生压缩，从而产生切向应变和径向应变。径向应变使FBG传感器扩展，导致布拉格波长偏移，由此可以确定压力。
为了研究膜片厚度对光纤光栅传感器压力灵敏度的影响，本实施例制备了厚度为1.0mm的环氧膜片。光纤光栅传感器的精度还依赖于膜片厚度，减小膜片厚度可提高测量精度。当膜片厚度为1.0mm时，在水位30cm时，测量误差为1.35％。FBG传感器的压力灵敏度为43.7pm/kPa。可用于监测灵敏度为4.2pm/cm的水平面。FBG传感器的压力灵敏度随膜片厚度的减小而增大，厚度较薄的膜片集成光纤光栅传感器的高灵敏度是由于其在静压变形过程中具有较高的柔性。
在上述实施例中，宽带光源、单模光纤循环器、FBG模块化询问器、电脑等均可采取现有技术。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器，其特征是包括FBG传感器、环氧树脂膜片及两压板，所述压板的中部呈通孔状；所述的FBG传感器粘接于所述环氧树脂膜片的第一表面，环氧树脂膜片夹紧于两压板之间且FBG传感器位于压板的中空部。
2.如权利要求1所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述的压板采用亚克力材料制成，呈圆环状。
3.如权利要求2所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述亚克力环形板的内径、外径分别为20～40mm、70～90mm。
4.如权利要求1-3任一项所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器，其特征是，两压板形成数个相对应的孔，相对应的孔拧入螺钉且两压板通过螺钉紧固连接。
5.如权利要求4所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述孔的直径为2～6mm。
6.如权利要求1所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述的环氧树脂膜片呈圆形，直径为40～60mm。
7.如权利要求1或6所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述的环氧树脂膜片由环氧树脂经纺丝涂层工艺制成。
8.一种如权利要求1-7任一项所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器性能评估装置，其特征是，包括宽带光源、单模光纤循环器、FBG模块化询问器及液体容器，宽带光源、单模光纤循环器、FBG模块化询问器、电脑依次相联；所述的单模光纤循环器与所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器相联；液体容器内盛装液体，液体容器的底部伸入环形亚克力板的中空部并与圆形环氧树脂膜片的第二表面相触。
9.如权利要求8所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器性能评估装置，其特征是，所述的液体容器中圆柱状，直径为3～5cm，长度为40～60cm。
10.如权利要求8或9所述集成环氧膜片的光纤光栅压力传感器性能评估装置，其特征是，所述的液体容器由丙烯酸材料制成。
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