CN114878038A - 双光纤光栅膜片式压力传感器及其低压标定系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双光纤光栅膜片式压力传感器及其低压标定系统与方法。所述双光纤光栅膜片式压力传感器包括带有敞口空腔的基座，在空腔敞口面安装双光纤光栅低压膜片，在基座位于空腔底面的一侧设有带引压孔的介质引入接头，在引压孔的空腔端设有高压膜片，在引压孔侧面设有通向空腔换流孔，并设有换压阀；所述低压标定系统包括压力信号解调模块、液位测量装置和水槽，该标定系统可以标定一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器，本发明的压力传感器以这两个光纤光栅波长差作为测量压力的传感信号，消除了温度对测量结果的影响，提高了测量分辨率；且标定方法其标定精度高，有效的解决了在超低压条件下压力传感器标定的难点。

Description

双光纤光栅膜片式压力传感器及其低压标定系统与方法

技术领域

本发明属于光纤压力/液位测量领域，具体涉及一种高灵敏双光纤光栅膜片式压力传感器及其液位标定测试装置与方法。

背景技术

随着我国经济和技术的迅速发展，人们对输送水、石油、天然气等流体的管道以及工业设备、大型机械装备上复杂管路的安全运行提出了越来越高的要求，特别是易燃易爆气/液管道或容器内部的压力或液位高精度监测领域。传统压力传感器大多是机械式和电磁类压力传感器。机械式压力传感器多用于单点压力的测量显示，测量数据无法传输到计算机中进行分析处理；电类压力传感器通常抗电磁干扰能力较差，无法在高温、强电磁干扰等恶劣环境下长期安全可靠工作，测量信号远距离传输困难，传感器间由于无法串接，在大规模的多点压力监测系统中，需要大量的数据传输信号线。

基于上述这种高精度、分布式的压力或液位测量需求，在目前已研发的压力传感器类型中，压阻/压电式、微波谐振式等压力传感器在低压仍存在电信号传输与提取精度不高的问题，而光纤传感器由于不受电磁干扰、测量精度高、耐腐蚀等诸多优点而受到广泛研究，特别是光纤FBG型压力传感器，以其物理结构简单可靠、尺寸小及温度自动补偿等优势，特别适合工作于高温、辐射等恶劣环境。然而，目前针对低压、分布式FBG压力传感器的测试装置和系数标定方法的研究工作目前还比较少。且都存在一些明显的缺陷，比如传感器与测试装置的接口，存在不易拆卸，容易损坏传感器、结构复杂等问题；此外在压力系数标定方面，目前尚无相关规范，而且容易忽视光纤FBG温度压力交叉敏感的问题。

发明内容

为了解决工业对超灵敏、分布式压力监测的需求，以及光纤FBG型压力传感器的测试装置和系数标定方法问题，本发明专利提出了一种高灵敏双光纤光栅膜片式压力传感器结构及其液位标定测试装置与方法，该传感器的膜片结构具有灵敏度设计，且双光栅具有自温度补偿和差分放大功能，标定测试装置可以进行自动批量化传感器系数标定功能。

为了实现是上述目的，本发明提供了一种双光纤光栅膜片式压力传感器，其特征在于：所述双光纤光栅膜片式压力传感器包括基座和安装在基座上的测压光栅组件，所述基座内设有敞口式空腔，在基座位于空腔底面的一侧设有介质引入接头，并在介质引入接头内设有与空腔连通的引压孔，在引压孔侧面设有通向空腔的换流孔，并在换流孔上设有换压阀；所述测压光栅组件包括高压膜片和粘黏有两个相互串联的光纤光栅的低压膜片，所述低压膜片水平置于空腔的腔口，并通过密封压盖密封压接固定在空腔内，所述低压膜片上的光纤光栅两端分别引出基座，分别连接有FC/APC接头，所述高压膜片固定在引压孔的出口端，并将引压孔的端口密封遮挡，在高压膜片上表面设有与低压膜片接触的凸块。

本发明较优的技术方案：所述基座位圆锥形结构，所述空腔为设置在基座中部的圆柱形空腔，其腔口开设在基座底面，并在腔口设有密封槽和低压膜片安装槽，在密封槽内放置有密封圈，所述低压膜片安装在低压膜片安装槽内，并通过密封压盖密封压接；所述介质引入接头设置在基座顶部中心位置，并在介质引入接头端口设有螺纹连接口。

本发明较优的技术方案：所述低压膜片上的两个光纤光栅通过PI光纤连接，其中光纤光栅A固定在低压膜片的中心位置，光纤光栅B通过胶黏剂沿着径向粘贴在应变与光纤光栅A应变相反的位置。

本发明较优的技术方案：所述密封压盖与基座通过螺钉连接或焊接或胶粘剂的方式连接；所述基座与密封压盖采用不锈钢或铝合金材料；所述光纤光栅为纯二氧化硅，所述密封圈采用丁晴NBR或聚四氟乙烯材料；所述低压膜片和高压膜片均为圆形不锈钢或铝合金膜片，且高压膜片的厚度为1.5～2.5mm,低压膜片的厚度为0.4～0.6mm；高压膜片直径小于低压膜片。

本发明还提供了一种双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定系统，其特征在于：所述低压标定系统包括压力信号解调模块、光纤跳线、液位测量装置、水槽和一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器，一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器通过FC/APC接头相互串联后，通过光纤跳线与压力信号解调模块的信号输入端连接；所述液位测量装置为带精确刻度的开放式容器，底部设有与双光纤光栅膜片式压力传感器数量相匹配的螺纹接头，每个螺纹接头分别与对应的双光纤光栅膜片式压力传感器的介质引入接头连通，并在每个连通管道上设有直通阀；水槽通过注水管道与液位测量装置连通，在注水管道临近水槽的一端设有水泵，并在水泵出水端设有控制阀，在注水管道临近液位测量装置的一端设有液位微调阀。

本发明较优的技术方案：所述压力信号解调模块包括PC终端和光纤光栅解调仪，一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器通过光纤跳线形成分布式多点测量及远距离连接解调仪；所述光纤光栅解调仪用于采集压力引起的光纤FBG波长差改变引起的光谱变化，并将光谱变化信号输送到PC终端，PC终端用于光谱变化转化为压力值的运算及结果显示。

本发明较优的技术方案：所述水泵设有电机控制系统，所述电机控制系统包括电源开关、电机接线、水流方向控制键及流速控制阀；所述电源开关用来控制水泵电机的启停功能；所述电机接线用来连接控制系统和水泵电机；所述水流方向控制键用来改变注水管道内水流方向，从而实现加压和降压；所述流速控制阀用来控制流速大小从而控制注水管道内压强大小。

本发明提供了一种双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定方法，其特征在于使用上述低压标定系统对所述的双光纤光栅膜片式压力传感器进行低压标定，具体步骤如下：

(1)检查样品的外观完整性，将待标定的双光纤光栅膜片式压力传感器通过其介质引入接头与低压标定系统的液位测量装置的螺纹接头拧紧连接，并检查其密封性；

(2)将待标定的双光纤光栅膜片式压力传感器的FC/APC接头连接光纤跳线，并将换压阀拧松，使得介质可以直接接触低压膜片；

(3)开启水泵，开始向液位测量装置内注水，首先调整液位测量装置的水位至某一刻度的位置，作为初始压力，待波长稳定后，记录当前波长即初始波长；

(4)继续通过水泵向液位测量装置内注水至第一个标定点刻度，待波长稳定，记录测量装置内水位位于第一个标定点刻度时对应的波长；

(5)重复操作步骤(4)依次记录测量装置内水位位于第二至第n标定点刻度时的波长，n＝10～15,然后开始降压；

(6)首先将管内液位降至第n-1个标定点刻度位置，待波长稳定，记录当前波长；

(7)重复步骤(6)，直到液位降至起始位置，依次记录第n-2至第一个标定点刻度时的波长；

(8)将第一至第n个标定点刻度对应的液位值换算成压强得到一组压强值P，同时根据步骤(3)至步骤(7)中记录的每个标定点刻度值对应的波长计算出相邻两个标定点的波长差Δλ，用excel拟合成一条灵敏度曲线，曲线的横坐标为压强P，纵坐标为波长差的变化量Δλ，得出Δλ与P的关系式，经计算Δλ与P为一次线性关系，其比例系数K为压力系数，完成一个循环的压力系统标定；

(9)重复步骤(3)至(8)进行3个循环的压力系数标定即完成了在室温下的低量程系数标定过程。

本发明进一步的技术方案：所述步骤(8)中液位值换算成压强的过程如下：

根据压强公式：

F＝mg ②

m＝ρ·v＝ρ·s·h ③

P＝ρ·g·h ④

其中：F为总压力；s为受力面积；m为液体总重量；ρ为液体密度；

g为重力加速度常量；v为液体体积；h为液位高度；

通过公式④可以看出液体介质内的压强只与液体高度与介质密度有关；利用此条件可以将液位装置内的液位高度直接换算成压强，用作压力标定的数据。

本发明较优的技术方案：所述步骤(3)、步骤(4)和步骤(6)中液位测量装置内液位调整是先通过水泵将水位抽至标定点刻度的附近，然后使用液位微调阀将液位稳定精准的标定刻度处。

本发明的采用有限元分析软件Comsol对双光纤光栅压力传感器中的平面圆膜片在被测压力作用下，表面应变分布情况进行了仿真分析计算，仿真分析计算中对平面圆膜片采用四周固定的方式进行完全约束。传感器的膜片表面在均匀压力载荷作用下，某直径线上的应变分布情况可以看出膜片的中心正应变最大，越靠近边缘负应变越大，在中心点和边线连接的中心处，应变为0。经过仿真计算可以得出，不同厚度的膜片会在相同压力线产生不同的形变，由此可以推算出改变膜片的厚度，就能够测试不同量程的压力，利用这个结论来设计多量程光纤传感器。

本发明的压力传感器中，被测液体载荷作用于膜片上，会使其产生变形，中心区域的光纤光栅受到正应变波长增大，边缘区域的光纤光栅受到负应力波长减小。以这两个光纤光栅波长差作为测量压力的传感信号，由于温度变化引起的两个光纤光栅的波长漂移方向相同，差动式的信号检测消除了温度对测量结果的影晌，同时提高传感器的测量分辨率。

本发明中的标定方法其标定精度高，可同时标定多支传感器，测试装置搭建方便，操作简单，有效的解决了在超低压条件下压力传感器标定的难点。

附图说明

图1是本发明中压力传感器的结构示意图；

图2是本发明中传感器的双光栅封装示意图；

图3是本发明传感器中膜片轴向应变图；

图4是本发明传感器中膜片总应变图；

图5是本发明中低压标定系统的结构示意图；

图6是本发明中电机控制系统示意图；

图7是实施例3中拟合曲线；

图8是本发明中高压标定系统的结构示意图。

图中：1—压力信号解调模块，101—PC终端，102—光纤光栅解调仪，2—光纤跳线，3—直通阀，4—双光纤光栅膜片式压力传感器，401—FC/APC接头，402—低压膜片，403—密封压盖，404—密封槽，405—空腔，406—介质引入接头，407—引压孔，408—基座，409—高压膜片，410—换压阀，411—换流孔，5—液位测量装置，6—液位微调阀，7—注水管道，8—控制阀，9—电机控制系统，901—电源开关，902—电机接线，903—水流方向控制键，904—流速控制阀，10—水泵，11—水槽，12—旋拧阀，13—砝码托盘，14—压力变送器，15—油杯，16—管道，17—加压手轮。

具体实施例方式

下面结合附图和实施例对本发明型作进一步说明。附图1至图7均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明型的范围。基于本发明型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明型保护的范围。

在本发明型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1提供了一种双光纤光栅膜片式压力传感器，如图1所示，所述双光纤光栅膜片式压力传感器4包括基座408和安装在基座408上的测压光栅组件，所述基座408位圆锥形结构，基座408内设有敞口式空腔405，所述空腔405为设置在基座408中部的圆柱形空腔，其腔口开设在基座408底面，并在腔口设有密封槽404和低压膜片安装槽，在密封槽404内放置有密封圈，在基座408顶面中部设有介质引入接头406，在介质引入接头406内设有与空腔405连通的引压孔407，在引压孔407侧面设有通向空腔405的换流孔411，并在换流孔411上设有换压阀410，在介质引入接头406端口设有螺纹连接口。所述测压光栅组件包括高压膜片409和粘黏有两个相互串联的光纤光栅的低压膜片402，所述低压膜片402水平置于空腔405的腔口的低压膜片安装槽内，并通过密封压盖403密封压接固定在空腔405内，所述低压膜片402上的光纤光栅两端均引出基座408，分别连接有FC/APC接头401，所述高压膜片409固定在引压孔407的出口端，并将引压孔407的端口密封遮挡，在高压膜片409上表面设有与低压膜片402接触的凸块412。如图2所示，所述低压膜片402上的两个光纤光栅通过PI光纤连接，其中光纤光栅A固定在低压膜片402的中心位置，光纤光栅B通过胶黏剂沿着径向粘贴在应变与光纤光栅A应变相反的位置。

实施例中的双光纤光栅膜片式压力传感器，所述密封压盖403与基座408通过螺钉连接或焊接或胶粘剂的方式连接；所述基座408与密封压盖403采用不锈钢或铝合金材料；所述光纤光栅为纯二氧化硅，所述密封圈采用丁晴NBR或聚四氟乙烯材料；所述低压膜片402和高压膜片409均为圆形不锈钢或铝合金膜片，且高压膜片的厚度为2mm,低压膜片的厚度为0.5mm。所述换压阀410用来调节在不同量程范围内测试压力，当测量量程为低压时，将其拧松，使介质能够直接作用于低压膜片，使其产生应变。当测量量程为高压时，将换压阀拧紧使介质压力作用于高压膜片，使其产生微小应变并通过顶部凸起部分间接作用于低压膜片，利用低压膜片的应变来使膜片上光栅波长变化来测量压力。

本发明中的采用有限元分析软件Comsol对双光纤光栅压力传感器中的平面圆膜片在被测压力作用下，表面应变分布情况进行了仿真分析计算，仿真分析计算中对平面圆膜片采用四周固定的方式进行完全约束；图3为膜片表面在均匀压力载荷作用下，某直径线上的应变分布情况图，由该图可以看出膜片的中心正应变最大，越靠近边缘负应变越大，在中心点和边线连接的中心处，应变为0。在该压力传感器中，被测液体载荷作用于膜片上，会使其产生变形，中心区域的光纤光栅受到正应变波长增大，边缘区域的光纤光栅受到负应力波长减小。以这两个光纤光栅波长差作为测量压力的传感信号，由于温度变化引起的两个光纤光栅的波长漂移方向相同，差动式的信号检测消除了温度对测量结果的影响，同时提高传感器的测量分辨率。

本发明中的压力传感器在进行封装过程中，如图2，首先将膜片表面用酒精清洁，找出膜片的圆心位置；再根据力学仿真的结果找出与圆心位置应变大小相同、方向相反的点，做好标记。然后将两个光纤光栅粘贴在膜片的表面，其中光纤光栅A粘贴在膜片的中心区域，光纤光栅B通过胶黏剂沿着径向粘贴在应变与光栅A应变相反的位置。粘黏光栅时，应接入光纤光栅解调仪，给光纤一定预应力，使光栅波长增大1nm，然后再将胶黏剂均匀涂在光栅上，使光纤光栅与膜片粘黏。

实施例2提供了一种双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定系统，如图5和图6所述，所述低压标定系统包括压力信号解调模块1、光纤跳线2、液位测量装置5、水槽11和一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器4，一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器4通过FC/APC接头401相互串联后，通过光纤跳线2与压力信号解调模块1的信号输入端连接；所述压力信号解调模块1包括PC终端101和光纤光栅解调仪102，一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器4通过光纤跳线2形成分布式多点测量及远距离连接解调仪102；所述光纤光栅解调仪102用于采集压力变化引起感压膜片改变进而引起的FBG波长差改变引起的光谱变化，并将光谱变化信号输送到PC终端101，PC终端101用于光谱变化转化为压力值的运算及结果显示。

所述液位测量装置5为带精确刻度的开放式容器，具有标准液位刻度，用于测量液位值，底部设有与双光纤光栅膜片式压力传感器4数量相匹配的螺纹接头501，可同时标定多支传感器，每个螺纹接头501分别与对应的双光纤光栅膜片式压力传感器4的介质引入接头406连通，并在每个连通管道上设有直通阀3，通过开关控制阀3用来选择所需要标定的传感器。所述水槽11用来盛放一定量的纯净水，水槽11通过注水管道7与液位测量装置5连通，在注水管道7临近水槽11的一端设有水泵10，水泵10用来改变水柱高度，从而改变压强，并在水泵10出水端设有控制阀8，所述控制阀8为球阀，，用来配合液位微调阀6阻断右侧水流；在注水管道7临近液位测量装置5的一端设有液位微调阀6，所述液位微调阀6用来微调水柱高度。所述水泵10设有电机控制系统9，所述电机控制系统包括电源开关901、电机接线902、水流方向控制键903及流速控制阀904；所述电源开关901用来控制水泵电机的启停功能；所述电机接线902用来连接控制系统和水泵电机；所述水流方向控制键903用来改变注水管道7内水流方向，从而实现加压和降压；所述流速控制阀904用来控制流速大小从而控制注水管道7内压强大小。

实施例3：使用实施例2中的标定系统对实施例1中的双光纤光栅膜片式压力传感器4进行低压标定，其中双光纤光栅膜片式压力传感器4的低压膜片402采用316不锈钢，半径为50mm，厚度为0.5mm；高压膜片409用316不锈钢，半径为50mm，厚度为2mm；标定系统中液位测量装置5规格为外径28mm，内径20mm，长2000mm，螺纹接口为M20*1.5内螺纹，材料为亚克力管；直通阀3为Q91SA仿美直通面板式阀，材料为316不锈钢；液位微调阀6为ZA-YBS-系列，微调精度为0.1mm；注水管7为535FT单管；控制阀8为ZC-400阀，材料为304不锈钢，水泵的电机型号为K121-5系列。

步骤一、检查样品的外观完整性，将待标定的双光纤光栅膜片式压力传感器通过其介质引入接头与低压标定系统的液位测量装置的螺纹接头拧紧连接，并检查其密封性；

步骤二、将待标定的双光纤光栅膜片式压力传感器的FC/APC接头连接光纤跳线，并启动压力信号解调模块，记录常压下零点初始输出值，然后每隔10min记录一次零点输出值，从开始记录起连续记录时间不少于1h，完成零漂指标测试；

步骤三、对待标定的双光纤光栅膜片式压力传感器的灵敏度和精度指标进行测试；

步骤四、在步骤三中的测试过程完成后，用液位测试装置进行压力标定，标定量程为0～20KPa，具体标定过程如下：

(1).使用测试装置时,先将液位测量装置内液位调整在起始位置0cm刻度位置，待波长稳定后，记录当前波长；

(2).使用水泵将水位抽至18cm刻度位置，再使用液位微调阀将液位稳定在20cm刻度处，待波长稳定后，记录当前波长；

(3).继续向管内注水，抽水至40cm左后，再使用液位微调阀将液位稳定在40cm刻度处，待波长稳定后，记录当前波长；

(4).继续向管内注水，每次按照步骤(3)中的操作使水位上升20cm，至使水位升至200cm刻度位置，依次记录60cm、80cm、100cm…160cm、180cm、200cm刻度对应的波长，然后开始降压；

(5).调整电机控制系统使水泵具有抽水功能，将水位抽至182cm刻度位置，再使用液位微调阀将液位稳定在180cm刻度处，待波长稳定后，记录当前波长；

(6).继续从管内抽水至160cm刻度左右，再使用液位微调阀将液位稳定在160cm刻度处，待波长稳定后，记录当前波长；

(7).继续从管内抽水,每次按照步骤(6)中的操作使水位下降20cm，至使水位下降至0cm刻度位置，依次记录140cm、120cm、100cm…40cm、20cm、0cm刻度对应的波长；

(8).将上述液位刻度值按照以下方式换成压强得到一组压强值P：

根据压强公式：

F＝mg ②

m＝ρ·v＝ρ·s·h ③

P＝ρ·g·h ④

其中：F为总压力；s为受力面积；m为液体总重量；ρ为液体密度；

g为重力加速度常量；v为液体体积；h为液位高度；

通过公式④可以看出液体介质内的压强只与液体高度与介质密度有关；利用此条件可以将液位装置内的液位高度直接换算成压强，按照步骤(1)至步骤(8)中记录的每个标定点刻度值对应的波长计算出相邻两个标定点的波长差Δλ，用Excel拟合成一条灵敏度曲线，如图8所示，曲线的横坐标为压强P，纵坐标为波长差的变化量Δλ，得出Δλ与P的关系式，经计算Δλ与P为一次线性关系，其比例系数K为压力系数，完成一个循环的压力系统标定；其Excel拟合数据如下标：

(9).重复进行3个循环的压力系数标定即完成了在室温下的压力系数标定过程。

本发明中的双光纤光栅膜片式压力传感器4的高压标定可以采用高压活塞式压力计标定装置，具体结构如图8所示，包括旋拧阀12、砝码托盘13、压力变送器14、油杯15、双光纤光栅膜片式压力传感器4、光纤跳线2、压力解调系统1、管道16、加压手轮17；高压标定设备为活塞式压力计型号为ZC-YFT-02；高压标定的压力表型号为罗斯蒙特3051压力变送器；高压标定过程如下

(1)检查待双光纤光栅膜片式压力传感器的外观完整性，将双光纤光栅膜片式压力传感器4的接头与活塞式压力计的接头拧紧，检查密封性；

(2)将双光纤光栅膜片式压力传感器4的后端连接头连接至光纤FBG解调仪测量通道，启动测试软件，记录常压下零点初始输出值；

(3)接着进行传感器灵敏度、精度等指标测试，打开待测压力传感器、参考压力表；

(4)打开待测压力传感器、参考压力表、油杯阀门；逆时针旋转加压手轮17，使泵内腔充满油液；

(5)关闭油杯阀口，顺时针旋转砝码托盘13，然后顺时针旋转加压手轮17，产生初压，使托盘升至到其底面与指示板面相平齐为止，此时压力为托盘自身压力；

(6)装载砝码0.5MPa，并顺时针旋转砝码托盘，使之产生定点压力，砝码应以不小于30r/min的角速度旋转，以克服摩擦力矩的影响；

(7)顺时针旋转手轮，当砝码盘旋转稳定且托盘地面与指示板顶面相平齐时，进行待测压力传感器的校准读数；

(8)按照步骤(6)和(7)继续装载砝码，完成所有检定点的正行程校准；

(9)反行程校准时，应该先逆时针旋转手轮降压至接近被检定分度线，在卸下0.5MPa砝码；

(10)旋转加压手轮17，当砝码盘旋转稳定且托盘地面与指示板顶面相平齐时，进行待测压力传感器的校准读数；

(11)按照步骤(9)、(10)继续卸载砝码，完成所有检定点反行程校准；

(12)校准完成后，打开油杯阀门，顺时针旋转手轮至顶端，取出样品。高压标定数据直接通过罗斯蒙特压力变送器读取，将标定的数据用Excel拟合成一条灵敏度曲线，曲线的横坐标为压强P，纵坐标为波长差的变化量Δλ。并得出Δλ与P的关系式，经计算Δλ与P为一次线性关系，比例系数K为压力灵敏度。然后利用光纤跳线2将各个独立的光纤FBG压力传感器连接，进而可以用来做成分布式多点测量。

以上所述，只是本发明的实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双光纤光栅膜片式压力传感器，其特征在于：所述双光纤光栅膜片式压力传感器包括基座(408)和安装在基座(408)上的测压光栅组件，所述基座(408)内设有敞口式空腔(405)，在基座(408)位于空腔(405)底面的一侧设有介质引入接头(406)，并在介质引入接头(406)内设有与空腔(405)连通的引压孔(407)，在引压孔(407)侧面设有通向空腔(405)的换流孔(411)，并在换流孔(411)上设有换压阀(410)；所述测压光栅组件包括高压膜片(409)和粘黏有两个相互串联的光纤光栅的低压膜片(402)，所述低压膜片(402)水平置于空腔(405)的腔口，并通过密封压盖(403)密封压接固定在空腔(405)内，所述低压膜片(402)上的光纤光栅两端分别引出基座(408)，分别连接有FC/APC接头(401)，所述高压膜片(409)固定在引压孔(407)的出口端，并将引压孔(407)的端口密封遮挡，在高压膜片(409)上表面设有与低压膜片(402)接触的凸块(412)。

2.根据权利要求1所述的一种双光纤光栅膜片式压力传感器，其特征在于：所述基座(408)位圆锥形结构，所述空腔(405)为设置在基座(408)中部的圆柱形空腔，其腔口开设在基座(408)底面，并在腔口设有密封槽(404)和低压膜片安装槽，在密封槽(404)内放置有密封圈，所述低压膜片(402)安装在低压膜片安装槽内，并通过密封压盖(403)密封压接；所述介质引入接头(406)设置在基座(408)顶部中心位置，并在介质引入接头(406)端口设有螺纹连接口。

3.根据权利要求1或2所述的一种双光纤光栅膜片式压力传感器，其特征在于：所述低压膜片(402)上的两个光纤光栅通过PI光纤连接，其中光纤光栅A固定在低压膜片(402)的中心位置，光纤光栅B通过胶黏剂沿着径向粘贴在应变与光纤光栅A应变相反的位置。

4.根据权利要求2所述的一种双光纤光栅膜片式压力传感器，其特征在于：所述密封压盖(403)与基座(408)通过螺钉连接或焊接或胶粘剂的方式连接；所述基座(408)与密封压盖(403)采用不锈钢或铝合金材料；所述光纤光栅为纯二氧化硅，所述密封圈采用丁晴NBR或聚四氟乙烯材料；所述低压膜片(402)和高压膜片(409)均为圆形不锈钢或铝合金膜片，且高压膜片的厚度为1.5～2.5mm,低压膜片的厚度为0.4～0.6mm；高压膜片(409)直径小于低压膜片(402)。

5.一种权利要求1至4中任意一项所述的双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定系统，其特征在于：所述低压标定系统包括压力信号解调模块(1)、光纤跳线(2)、液位测量装置(5)、水槽(11)和一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器(4)，一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器(4)通过FC/APC接头(401)相互串联后，通过光纤跳线(2)与压力信号解调模块(1)的信号输入端连接；所述液位测量装置(5)为带精确刻度的开放式容器，底部设有与双光纤光栅膜片式压力传感器(4)数量相匹配的螺纹接头(501)，每个螺纹接头(501)分别与对应的双光纤光栅膜片式压力传感器(4)的介质引入接头(406)连通，并在每个连通管道上设有直通阀(3)；水槽(11)通过注水管道(7)与液位测量装置(5)连通，在注水管道(7)临近水槽(11)的一端设有水泵(10)，并在水泵(10)出水端设有控制阀(8)，在注水管道(7)临近液位测量装置(5)的一端设有液位微调阀(6)。

6.根据权利要求5所述的一种双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定系统，其特征在于：所述压力信号解调模块(1)包括PC终端(101)和光纤光栅解调仪(102)，一个或两个或两个以上的双光纤光栅膜片式压力传感器(4)通过光纤跳线(2)形成分布式多点测量及远距离连接解调仪(102)；所述光纤光栅解调仪(102)用于采集压力引起的光纤FBG波长差改变引起的光谱变化，并将光谱变化信号输送到PC终端(101)，PC终端(101)用于光谱变化转化为压力值的运算及结果显示。

7.根据权利要求5所述的一种双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定系统，其特征在于：所述水泵(10)设有电机控制系统(9)，所述电机控制系统包括电源开关(901)、电机接线(902)、水流方向控制键(903)及流速控制阀(904)；所述电源开关(901)用来控制水泵电机的启停功能；所述电机接线(902)用来连接控制系统和水泵电机；所述水流方向控制键(903)用来改变注水管道(7)内水流方向，从而实现加压和降压；所述流速控制阀(904)用来控制流速大小从而控制注水管道(7)内压强大小。

8.一种权利要求1至4中任意一项所述的双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定方法，其特征在于使用权利要求5中的低压标定系统对所述的双光纤光栅膜片式压力传感器进行低压标定，具体步骤如下：

(1)检查样品的外观完整性，将待标定的双光纤光栅膜片式压力传感器通过其介质引入接头与低压标定系统的液位测量装置的螺纹接头拧紧连接，并检查其密封性；

(2)将待标定的双光纤光栅膜片式压力传感器的FC/APC接头连接光纤跳线，并将换压阀拧松，使得介质可以直接接触低压膜片；

(3)开启水泵，开始向液位测量装置内注水，首先调整液位测量装置的水位至某一刻度的位置，作为初始压力，待波长稳定后，记录当前波长即初始波长；

(4)继续通过水泵向液位测量装置内注水至第一个标定点刻度，待波长稳定，记录测量装置内水位位于第一个标定点刻度时对应的波长；

(5)重复操作步骤(4)依次记录测量装置内水位位于第二至第n标定点刻度时的波长，n＝10～15,然后开始降压；

(6)首先将管内液位降至第n-1个标定点刻度位置，待波长稳定，记录当前波长；

(7)重复步骤(6)，直到液位降至起始位置，依次记录第n-2至第一个标定点刻度时的波长；

(8)将第一至第n个标定点刻度对应的液位值换算成压强得到一组压强值P，同时根据步骤(3)至步骤(7)中记录的每个标定点刻度值对应的波长计算出相邻两个标定点的波长差Δλ，用Excel拟合成一条灵敏度曲线，曲线的横坐标为压强P，纵坐标为波长差的变化量Δλ，得出Δλ与P的关系式，经计算Δλ与P为一次线性关系，其比例系数K为压力系数，完成一个循环的压力系统标定；

(9)重复步骤(3)至(8)进行3个循环的压力系数标定即完成了在室温下的低量程系数标定过程。

9.根据权利要求8所述的一种双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定方法，其特征在于所述步骤(8)中液位值换算成压强的过程如下：

根据压强公式：

F＝mg ②

m＝ρ·v＝ρ·s·h ③

P＝ρ·g·h ④

其中：F为总压力；s为受力面积；m为液体总重量；ρ为液体密度；

g为重力加速度常量；v为液体体积；h为液位高度；

通过公式④可以看出液体介质内的压强只与液体高度与介质密度有关；利用此条件可以将液位装置内的液位高度直接换算成压强，用作压力标定的数据。

10.根据权利要求8所述的一种双光纤光栅膜片式压力传感器的低压标定方法，其特征在于：所述步骤(3)、步骤(4)和步骤(6)中液位测量装置内液位调整是先通过水泵将水位抽至标定点刻度的附近，然后使用液位微调阀将液位稳定精准的标定刻度处。

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