CN114323410B - 一种轮辐式光纤光栅压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮辐式光纤光栅压力传感器，包括轮辐式应变梁，所述应变梁包括一对或多对对称设置的悬臂，压力荷载使得悬臂侧面产生切向应变；带有光纤光栅的光纤，其栅区紧贴悬臂侧面，用于感受悬臂侧面的切向应变，栅区至少一侧的光纤绕至栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，并引出。本发明提供的轮辐式光纤光栅压力传感器，通过光纤绕线避开与轮辐式传感器悬臂接触挤压导致的微弯，减小光纤损耗，避免光纤绕纤弯折导致光信号衰减严重，无法检测信号而传感器失效。

Description

一种轮辐式光纤光栅压力传感器
技术领域
本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种轮辐式光纤光栅压力传感器。
背景技术
轮辐式压力传感器是指利用感压元件对固体、气体和液体的压力进行测量的剪辐式传测压设备，表现出低外形、精度高、线性好、抗偏载、能实现过载保护等许多综合性优点。
光纤光栅是一种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，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在传感领域得到了广泛的应用。
然而轮辐式光纤光栅压力传感器，经常发生光纤绕纤弯折导致光信号衰减严重，无法检测信号而传感器失效的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轮辐式光纤光栅压力传感器，其目的在于通过光纤绕线，避开与轮辐式传感器悬臂接触挤压导致的微弯，减小光纤损耗，由此解决光纤绕纤弯折导致光信号衰减严重，无法检测信号而传感器失效的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括轮辐式应变梁，所述应变梁包括一对或多对对称设置的悬臂，压力荷载使得悬臂侧面产生切向应变；带有光纤光栅的光纤，其栅区紧贴悬臂侧面，用于感受悬臂侧面的切向应变，栅区至少一侧的光纤绕至栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，并引出。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述光纤光栅其栅区另一侧的光纤直接通过顶部引出。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述光纤光栅与悬臂中性面成45度。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述光纤光栅离心侧的光纤绕制栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述带有光纤光栅的光纤，其栅区至少一侧的光纤绕制栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，并绕制不小于其弯曲半径的圈，引出。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述悬臂的较近底面具有光纤固定件，用于固定光纤绕制的圈。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述设有光纤光栅的悬臂侧面上设置有梯形凹槽，用于固定栅区。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述轮辐式应变梁的至少一个悬臂，两侧面分别设有光纤光栅。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述悬臂两侧设置的光纤光栅相互垂直。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述轮辐式应变至少一对对称设置的悬臂，其侧面设有中心对称光纤光栅。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述光纤光栅串联或并联，优选串联。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述轮辐式应变梁具有一体成型的悬臂和外轮；或
所述轮辐式应变梁包括悬臂和外轮，所述悬臂按照受力方向架设在外轮上。
优选地，所述轮辐式光纤光栅压力传感器，其所述轮辐式应变梁包括悬臂和外轮，所述悬臂按照受力方向架设在外轮上；
所述轮辐式光纤光栅压力传感器，还包括顶盖；所述顶盖与所述外轮配合，压紧所述悬臂；所述顶盖具有用于光纤穿出的通孔。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的轮辐式光纤光栅压力传感器，通过光纤绕线避开与轮辐式传感器悬臂接触挤压导致的微弯，减小光纤损耗，避免光纤绕纤弯折导致光信号衰减严重，无法检测信号而传感器失效。
优选方案，作为一种小体积的光纤光栅液气压力传感器，设置有第一光纤光栅和第二光纤光栅，分别固定在该应变梁悬臂端的左右两个侧面，即可有效地起到温度补偿的作用，又可提高该光纤光栅液气压力传感器灵敏度和准确度。
附图说明
图1是本发明提供的轮辐式光纤光栅压力传感器光纤绕缠示意图；其中，1为一种光纤顺势绕法，2为另一种光纤顺势绕法，3为本发明采用的光纤绕法；
图2是本发明实施例提供的光纤光栅液气压力传感器沿应变梁中心线的剖视图；
图3是本发明实施例提供的光纤光栅液气压力传感器正视图；
图4是本发明实施例提供的光纤光栅液气压力传感器主体和应变梁的剖视图；
图5是本发明实施例提供的光纤光栅液气压力传感器主体和应变梁的俯视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101为顶盖，102为中间部件，103为压力连接头，104为光纤引出孔，105为压力传导通道，201为承压膜片，202为传压杆，203为侧壁，204为端盖，205为凹槽，301为固定端，302为悬臂端，303为承压柱，304为第一光纤光栅，305为第二光纤光栅，401为环薄壁，402为圆环柱体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的轮辐式光纤光栅压力传感器，包括轮辐式应变梁，所述应变梁包括一对或多对对称设置的悬臂，压力荷载使得悬臂侧面产生切向应变；带有光纤光栅的光纤，其栅区紧贴悬臂侧面，用于感受悬臂侧面的切向应变；
所述栅区至少一侧的光纤绕至栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，优选绕制不小于其弯曲半径的圈，并引出，如图1中光纤3的缠绕示意。由于切应变能够实现更大量程的测量以及有更低的滞后、更高的精确度和很强的抗偏载能力，因此使光纤光栅感应悬臂侧向产生的切向应变，与轮辐式应变梁轴向方向保持大体一致，带有光纤光栅的光纤须引出与光纤光栅解调仪连接，故光纤引出时至少一侧需要绕开轮辐式应变梁的悬臂。然而光纤如果顺势越过悬臂，如图1中光纤1、2的绕缠示意，则难以避免光纤与悬臂接触挤压，并在挤压处形成微弯，严重时导致光信号严重衰减，甚至导致光纤断裂，我们发现这是导致轮辐式光纤光栅压力传感器，经常发生光信号波峰监测不到的问题的一大因素。通过将光纤光栅一侧的光纤，优选光纤光栅的离心侧，即轮辐应变梁中轴距离较远的一侧，反向绕至栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，则光纤处于相邻悬臂之间，呈自由弯曲形态，并且在底面固定处于底面呈平行姿态，不会由于与底面接触受到挤压并形成微弯，很好的避免了由于微弯导致的光信号过度衰减的问题，大幅降低了传感器的封装难度以及提高了成品率、精确度和使用寿命。同时在底面绕至呈不小于弯曲半径的圈，可传感器的光纤损毁机率需要预留一定长度的光纤，预留的光纤在底部沿轮辐式应变梁绕成环形，这样便于传感器的检修。
所述栅区另一侧的光纤，优选光纤光栅的近心侧，即光纤光栅离轮辐应变梁中轴较近的一侧，直接通过顶部引出，减少光纤弯曲。
光纤绕制的圈可直接通过胶状固定，或所述悬臂的较近底面具有光纤固定槽，用于胶状固定光纤绕制的圈。
优选方案，光纤光栅与悬臂中性面成45度。悬臂的侧面上，与中性面成45度方向上的切向应变最大，并且最大切向应变与压力载荷成线性关系，提高测量的准确度和灵敏度。
所述设有光纤光栅的悬臂侧面，优选为矩形，矩形悬臂能够产生平行四边形变形，形成与外力成正比的切应变，所述悬臂侧面设置有梯形凹槽，用于固定光纤光栅，所述栅区通过专用胶水固定。
所述轮辐式应变梁的至少一个悬臂，两侧面分别设有光纤光栅，优选所述悬臂两侧设置的光纤光栅相互垂直。所述相互垂直的光纤光栅能够产生正负切应力，由于光栅对的和差特性，温度干扰的变化量相互抵消。
根据力学知识可知，温度和应力的变化引起的波长λB的漂移可表示为
Figure BDA0003452952020000051
简化为
ΔλB＝(KTΔT+Kεε)λB
其中，ε为应力，Pij为光压系数，ν为泊松比，α为热胀系数，ΔT为温度变化；KT为温度灵敏度系数，Kε为压力灵敏度系数。
根据和差特性，
Figure BDA0003452952020000061
当两根互相垂直的光纤光栅的热胀和热光系数相同时，有
KT1＝KT耀＝KT
KT1ΔTλB1-KT耀ΔTλB耀≈0
故环境温度引起的波长间隔变化微小，可以忽略不计。
优选方案，所述轮辐式应变至少一对对称设置的悬臂，优选所有对称设置的悬臂，其侧面设有中心对称光纤光栅。由于光栅对的和差特性，干扰的变化量均相互抵消，实现均衡负载，因此，所述轮辐式压力传感器具有很强的抗干扰能力。
故上面两种情况：抵消温度影响和实现均衡负载均使用到多个光纤光栅，所述多个光纤光栅串联或并联，优选串联。所述光纤光栅串联会减少传感器的连接头数量，从而能够通过传感器串联实现分布式多点测量。
所述轮辐式应变梁具有一体成型的悬臂和外轮；或所述轮辐式应变梁包括悬臂和外轮，所述悬臂按照受力方向架设在外轮上。在较小结构中，如小体积液气压力传感器，采用一体成型的悬臂和外轮不便于光纤光栅的粘贴固定和光纤在内部的绕线，故采用分体式轮辐式应变梁。当采用分体设计的悬臂和外轮时，需要解决所述悬臂与所述外轮的安装固定问题。本发明采用顶盖，所述顶盖与所述外轮配合，压紧所述悬臂；所述顶盖具有用于光纤穿出的通孔。
以下为实施例：
参照图1至图5，本实施例提供一种光纤光栅液气压力传感器，包括保护外壳、主体、应变梁和固定环。该保护外壳包括顶盖101、中间部件102和压力连接头103，该顶盖101中心设置有光纤引出孔104，该压力连接头103中心设置有压力传导通道105，该顶盖101设置在中间部件102的一端，该压力连接头103设置在中间部件102另一端。该主体包括承压膜片201、传压杆202、侧壁203和端盖204，该侧壁为环状薄壁，该承压膜片201设置在该侧壁203一端，该端盖204设置在侧壁203的另一端，该侧壁203内部设置有凹槽205，该传压杆202设置在承压膜片201正中心。该应变梁包括固定端301、悬臂端302和承压柱303，该固定端设301置在该侧壁203内侧的凹槽205中，该应变梁至少一个悬臂端302的一侧设置有第一光纤光栅304，该悬臂端的另一侧设置有第二光纤光栅305，该承压柱303设置在应变梁中心，该承压柱303顶端与该传压杆202一端重合接触且位于同一垂线上。该固定环包括圆环薄壁401和圆环柱体402，该圆环薄壁401一端与所述端盖204接触，该圆环柱体402侧面与保护外壳连接。
所述光纤光栅液气压力传感器至少设置有第一光纤光栅304和第二光纤光栅305，分别固定在该应变梁一个悬臂端的左右两个侧面，既可有效起到温度补偿作用，又可提高该光纤光栅液气压力传感器灵敏度。
所述光纤光栅液气压力传感器通过改变承压膜片201和应变梁的尺寸来调整该光纤光栅液气压力传感器的灵敏度和量程。
本实施例中该中间部件102、该端盖204、该传压杆202和该承压柱303均设置为圆柱形。
本实施例中该承压膜片201设置为圆饼形，该承压膜片201与该侧壁203设置为一体化结构。
本实施例中该传压杆202设置在该承压膜片201的中心，该应变梁的承压柱303与该传压杆202位于同一轴线上，将传压杆202设置在中心能够精准的传递上覆压力，受力结构更加稳定。
本实施例中该应变梁设置为“十字”轮辐式结构，该悬臂端302截面为矩形。带有光纤光栅的光纤，其栅区紧贴悬臂侧面，用于感受悬臂侧面的切向应变；
所述栅区至少一侧的光纤绕至栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，优选绕制不小于其弯曲半径的圈，并引出。由于切应变能够实现更大量程的测量以及有更低的滞后、更高的精确度和很强的抗偏载能力，因此使光纤光栅感应悬臂侧向产生的切向应变，与轮辐式应变梁轴向方向保持大体一致，带有光纤光栅的光纤须引出与光纤光栅解调仪连接，故光纤引出时至少一侧需要绕开轮辐式应变梁的悬臂。光纤光栅的离心侧，即轮辐应变梁中轴距离较远的一侧，反向绕至栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，则光纤处于相邻悬臂之间，呈自由弯曲形态，并且在底面固定处于底面呈平行姿态，不会由于与底面接触受到挤压并形成微弯，很好的避免了由于微弯导致的光信号过度衰减的问题，同时在底面绕至呈不小于弯曲半径的圈3圈。
本实施例中该顶盖101通过螺纹与该中间部件102连接。
本实施例中该侧壁203设置有一圈凹槽206，该侧壁203通过“O型”密封圈与中间部件102进行密封。
本实施例中该端盖204中心设置有光纤引出孔104，该引出孔处设置有保护套。
本发明工作原理是：
本发明提供的一种光纤光栅液气压力传感器的工作原理为，当液气通过该压力传导通道105时，该承压膜片201受到液气压力发生挠度形变，该承压膜片201给予该传压杆202、承压柱303和悬臂端302向下的压力，直至该传压杆202、该承压柱303、该悬臂端302与该承压膜片201受力平衡，该悬臂端302受到上覆压力后发生形变，带动该第一光纤光栅304和第二光纤光栅305的波长漂移，由于悬臂端302的侧面上与中性面成45度方向上的切向应变最大，并且最大切向应变与压力载荷成线性关系，从而实现液气上覆压力的精准测量。
所述保护顶盖为六边形筒形结构，中间部件为柱状筒形结构，压力连接头为圆柱形结构；所述承压膜片设置为为饼状圆柱形。所述传压杆设置在所述承压膜片的中心。所述应变梁设置为“十字”轮辐式结构，每个悬臂相同且设置为矩形结构，所述应变梁的承压柱与传压杆接触。所述光纤光栅与悬臂中性面成45度，两侧面光纤光栅相互垂直。所述主体设置为柱状筒形结构，所述侧壁内部设置有凹槽，所述应变梁固定端可拆卸地设置在所述凹槽中。所述端盖设置为带有凸台的饼状圆柱形结构，所述端盖用来固定所述应变梁，所述端盖通过螺丝与所述主体连接。所述固定环通过螺纹连接，所述固定环抵接端盖上用来固定主体部分。所述保护顶盖通过螺纹连接。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括保护外壳、以及轮辐式应变梁；
所述保护外壳包括顶盖，该顶盖中心设置有用于光纤穿出的通孔，即光纤引出孔；
所述应变梁包括一对或多对对称设置的悬臂，压力荷载使得悬臂侧面产生切向应变；带有光纤光栅的光纤，其栅区紧贴悬臂侧面，用于感受悬臂侧面的切向应变，栅区至少一侧的光纤绕至栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，并从光纤引出孔引出；
所述光纤光栅与悬臂中性面成45度；所述光纤光栅离心侧的光纤绕制栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，光纤处于相邻悬臂之间，呈自由弯曲形态，并且在底面固定处于底面呈平行姿态，不会由于与底面接触受到挤压并形成微弯。
2.如权利要求1所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅其栅区另一侧的光纤直接通过顶部引出。
3.如权利要求1所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述带有光纤光栅的光纤，其栅区至少一侧的光纤绕制栅区所在侧面相邻的悬臂的较近底面，并绕制不小于其弯曲半径的圈，引出。
4.如权利要求1所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述悬臂的较近底面具有光纤固定件，用于固定光纤绕制的圈。
5.如权利要求1所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，设有光纤光栅的悬臂侧面上设置有梯形凹槽，用于固定栅区。
6.如权利要求1至5任意一项所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述轮辐式应变梁的至少一个悬臂，两侧面分别设有光纤光栅。
7.如权利要求6所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述悬臂两侧设置的光纤光栅相互垂直。
8.如权利要求2所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述轮辐式应变至少一对对称设置的悬臂，其侧面设有中心对称光纤光栅。
9.如权利要求6至8任意一项所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅串联或并联。
10.如权利要求1所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述轮辐式应变梁具有一体成型的悬臂和外轮；或
所述轮辐式应变梁包括悬臂和外轮，所述悬臂按照受力方向架设在外轮上。
11.如权利要求10所述的轮辐式光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述轮辐式应变梁包括悬臂和外轮，所述悬臂按照受力方向架设在外轮上；
所述顶盖与所述外轮配合，压紧所述悬臂。
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