CN114910136A - 一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器 - Google Patents

一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及潮位监测领域，公开了一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，包括压力外壳，所述压力外壳底部设置弹性膜片，所述压力外壳内顶部设置温补柱，所述温补柱和弹性膜片之间设置菱形支架，所述菱形支架中部设置横梁，所述压力外壳的内侧壁上固定有水平支架，所述水平支架穿过横梁下方的菱形支架空间；光纤的一端固定于水平支架上，另一端在横梁上设置固定点后穿出压力外壳，位于水平支架和横梁之间的光纤上写制有测压光栅，所述测压光栅处于无外应力伸直状态。本发明所公开的潮位传感器通过非预拉伸的光纤光栅进行压力测量，并进行温度补偿，实现潮位的长期定点准确测量的目的。

Description

一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器
技术领域
本发明涉及潮位监测领域，特别涉及一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器。
背景技术
潮位测量是海洋环境监测中不可或缺的一部分，传统的压力式潮位测量装置大多采用电子式压力传感器进行压力测量，在水下长期测量潮位需要谨慎选择材料，避免电子器件受到海水腐蚀。
光纤布拉格光栅压力传感器具有不受电磁干扰、耐腐蚀、体积小等优点，被广泛应用于土压力监测、液位测量等领域。大多光纤布拉格光栅压力传感器制作过程中会对光栅进行预拉伸处理，当压力作用于弹性元件导致光栅产生轴向应变时，光纤布拉格光栅中心波长蓝移，中心波长漂移量随外界压力变化而变化，从而通过光纤布拉格光栅中心波长的漂移量来反映外界压力的变化。但进行预拉伸处理的光栅寿命有限，不适用于潮位的长期定点测量需求。
专利CN2648416Y公开了一种光纤光栅液位传感器，通过非预拉伸的光纤光栅进行液位传感，其中第二固定区域固定于弹性感压膜片，压力作用至弹性感压膜片，弹性感压膜片再将压力信息传递到第二固定区域，而第二固定区域是一个矩形架，压力传递过程中会出现能量耗损的情况。
同时，现有的光纤光栅压力传感器大多采用参考光栅的方法对测压光栅进行温度补偿，这种方法采用差动式测量，温度作为共模信号被自动剔除掉，但往往出现测压光栅温度灵敏度高于参考光栅温度灵敏度，两光栅对温度的响应不一致导致压力测量误差的问题。
因此，需要设计一种非预拉伸的并且能够避免能量耗损、实现温度补偿的光纤布拉格光栅压力传感器。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，通过非预拉伸的光纤光栅进行压力测量，并进行温度补偿，实现潮位的长期定点准确测量的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，包括压力外壳，所述压力外壳底部设置弹性膜片，所述压力外壳内顶部设置温补柱，所述温补柱和弹性膜片之间设置菱形支架，所述菱形支架中部设置横梁，所述压力外壳的内侧壁上固定有水平支架，所述水平支架穿过横梁下方的菱形支架空间；光纤的一端固定于水平支架上，另一端在横梁上设置固定点后穿出压力外壳，位于水平支架和横梁之间的光纤上写制有测压光栅，所述测压光栅处于无外应力伸直状态。
上述方案中，所述压力外壳顶部固定有温度外壳，所述温度外壳通过中间的隔板分为上下两部分，上部为进水腔，下部为隔压腔，所述光纤从压力外壳穿出后依次穿过隔压腔和进水腔后从温度外壳穿出，位于压力外壳内的光纤上写制有第一测温光栅，位于进水腔内的光纤上写制有第二测温光栅，所述进水腔的温度外壳上开设进水孔。
上述方案中，所述温补柱材料为铝，半径为1-6mm，高度为4-16mm。
上述方案中，所述弹性膜片为铍青铜材料，半径为1-6mm，厚度为0.3-1.5mm。
上述方案中，所述弹性膜片中心通过激光焊接有连接墩，所述菱形支架的两端分别通过激光焊接于温补柱和连接墩上。
进一步的技术方案中，所述测压光栅、第一测温光栅和第二测温光栅的中心波长不同，栅区长度为1-12mm。
上述方案中，所述水平支架中心开设过纤孔一，所述横梁中心开设过纤孔二，所述菱形支架顶端开设过纤孔三，所述温补柱中心开设过纤孔四，所述压力外壳中心开设过纤孔五，所述光纤通过胶水分别固定于过纤孔一和过纤孔二内，然后依次穿过过纤孔三、过纤孔四和过纤孔五后，由焊接于压力外壳顶部的尾纤保护套一穿出。
上述方案中，所述水平支架中心开设过纤孔一，所述横梁中心开设过纤孔二，所述压力外壳非轴心位置开设过纤孔六，所述隔板上开设过纤孔七，所述温度外壳上开设过纤孔八，所述光纤通过胶水分别固定于过纤孔一和过纤孔二内，然后依次穿过过纤孔六、过纤孔七和过纤孔八后，由焊接于温度外壳顶部的尾纤保护套二穿出。
进一步的技术方案中，所述压力外壳的内侧壁上相对开设凹槽一和凹槽二，所述水平支架的两端嵌于凹槽一和凹槽二内。
进一步的技术方案中，所述压力外壳的顶部内壁上开设凹槽三，所述温补柱通过激光点焊于凹槽三内。
通过上述技术方案，本发明提供的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器具有如下有益效果：
1、本发明通过固定于压力外壳上的水平支架固定测压光栅的下端、通过菱形支架的横梁中心固定测压光栅的上端，当压力作用于弹性膜片上时，弹性膜片中心位移带动刚性的连接墩及刚性的菱形支架产生向上位移，从而拉伸连接于横梁上的测压光栅，使测压光栅中心波长红移，测压光栅中心波长的漂移量即对应外界海水的压力，通过海水压力与水深的关系即可得到实时的海水潮位，刚性传递结构的设置避免了测压光栅预拉伸处理步骤，使传感器可长期置于海水中进行潮位监测。
2、本发明在传感器内部设置温补柱，由于光纤光栅对压力和温度同时敏感，在用其进行压力测量时需补偿温度对其影响导致的中心波长漂移量，且传感器制作材料本身为对温度敏感的金属，通过合理设置温补柱的尺寸，补偿温度对光栅以及传感器结构受温度影响进而对光栅波长漂移量产生的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1所公开的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器主视图；
图2为本发明实施例1所公开的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器侧视图；
图3为本发明实施例1所公开的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器内部结构图；
图4为本发明实施例2所公开的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器主视图；
图5为本发明实施例2所公开的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器侧视图；
图6为本发明实施例所公开的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器测量光路图。
图中，1、压力外壳；2、弹性膜片；3、温补柱；4、菱形支架；5、横梁；6、水平支架；7、光纤；8、测压光栅；9、凹槽一；10、凹槽二；11、凹槽三；12、连接墩；13、过纤孔一；14、过纤孔二；15、过纤孔三；16、过纤孔四；17、过纤孔五；18、尾纤保护套一；19、温度外壳；20、隔板；21、进水腔；22、隔压腔；23、第一测温光栅；24、第二测温光栅；25、进水孔；26、过纤孔六；27、过纤孔七；28、过纤孔八；29、尾纤保护套二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1、图2和图3所示，一种推挽式光纤7光栅海水潮位传感器，包括压力外壳1，压力外壳1底部通过激光点焊设置弹性膜片2，压力外壳1内顶部设置温补柱3，温补柱3和弹性膜片2之间设置菱形支架4，菱形支架4中部设置横梁5，压力外壳1的内侧壁上固定有水平支架6，水平支架6穿过横梁5下方的菱形支架4空间；光纤7的一端固定于水平支架6上，另一端在横梁5上设置固定点后穿出压力外壳1，位于水平支架6和横梁5之间的光纤7上写制有测压光栅8，测压光栅8处于无外应力伸直状态。
压力外壳1的内侧壁上相对开设凹槽一9和凹槽二10，水平支架6的两端嵌于凹槽一9和凹槽二10内。压力外壳1的顶部内壁上开设凹槽三11，温补柱3通过激光点焊于凹槽三11内。弹性膜片2中心通过激光焊接有连接墩12，菱形支架4的两端（D点和C点）分别通过激光焊接于温补柱3和连接墩12上。
温补柱3为圆柱型，材料为铝，半径为1-6mm，高度为4-16mm。其材料、形状及高度可根据传感器内部结构及温补程度进行调整。
弹性膜片2为铍青铜材料，半径为1-6mm，厚度为0.3-1.5mm，其材料、半径及厚度可根据压力测量灵敏度需求进行调整。
测压光栅8为飞秒激光写制，栅区长度为1-12mm。
具体的，水平支架6中心开设过纤孔一13，横梁5中心开设过纤孔二14，菱形支架4顶端开设过纤孔三15，温补柱3中心开设过纤孔四16，压力外壳1中心开设过纤孔五17，光纤7通过胶水分别固定于过纤孔一13（A点）和过纤孔二14（B点）内，然后依次穿过过纤孔三15、过纤孔四16和过纤孔五17后，由焊接于压力外壳1顶部的尾纤保护套一18穿出。
潮位传感器置于水下测得压力为海水压力和大气压力之和，可在岸边设置同结构不同量程的压力传感器进行气压补偿。
海水潮位变化时，作用至弹性膜片2上压力会发生变化，导致弹性膜片2中心点处挠度发生变化，此挠度变化传递到连接墩12，连接墩12带动与之连接的菱形支架4向上位移，由于测压光栅8下端与水平支架6连接固定，而上端固定于横梁5上随菱形支架4产生向上位移，测压光栅8由此产生轴向应变，导致测压光栅8的中心波长发生漂移，由测压光栅8中心波长漂移量可得到实时的海水潮位变化。
测压光栅8对海水压力和温度同时敏感，当压力外壳1中的温度发生变化时，温度升高会导致其中心波长红移，而温度升高会导致温补柱3产生向下位移，作用至菱形支架4，菱形支架4上的横梁5随之向下移动，测压光栅8下端（A点）固定，上端（B点）随横梁5向下移动，测压光栅8产生轴向应变，测压光栅8的中心波长蓝移。温补柱3由温度引起的位移导致测压光栅8中心波长的漂移量与测压光栅8本身温度敏感导致中心波长的漂移量大小相等，漂移方向相反，由此可实现对测压光栅8的温度补偿。
如图6所示，光纤7光栅解调仪内置光源不断发出光，通过光缆传递到潮位传感器，潮位传感器中的测压光栅8将特定波长（中心波长）的光反射，经光缆传回光纤7光栅解调仪，解调后通过网线传递到电脑进行光谱显示。当海水潮位变化时，作用至弹性膜片2上的压力会发生变化，测压光栅8由此产生轴向应变，导致测压光栅8的中心波长漂移，温补柱3实时对测压光栅8进行温度补偿，最终测压光栅8中心波长的变化可体现在电脑端的光谱图中。潮位升高时测压光栅8中心波长红移，潮位降低时测压光栅8中心波长蓝移，由测压光栅8中心波长漂移量即可得到实时的海水潮位变化。
实施例2
如图4和图5所示，在实施例1的基础上，压力外壳1顶部固定有温度外壳19，温度外壳19通过中间的隔板20分为上下两部分，上部为进水腔21，下部为隔压腔22，光纤7从压力外壳1穿出后依次穿过隔压腔22和进水腔21后从温度外壳19穿出，位于压力外壳1内的光纤7上写制有第一测温光栅23，位于进水腔21内的光纤7上写制有第二测温光栅24，进水腔21的温度外壳19上开设进水孔25。
具体的，水平支架6中心开设过纤孔一13，横梁5中心开设过纤孔二14，压力外壳1非轴心位置开设过纤孔六26，隔板20上开设过纤孔七27，温度外壳19上开设过纤孔八28，光纤7通过胶水分别固定于过纤孔一13和过纤孔二14内，然后依次穿过过纤孔六26、过纤孔七27和过纤孔八28后，由焊接于温度外壳19顶部的尾纤保护套二29穿出。
测压光栅8、第一测温光栅23和第二测温光栅24为飞秒激光在同一根光纤7上写制的三个不同中心波长的光栅，光栅之间的间隔可根据总体尺寸设计进行调整。
温度外壳19和压力外壳1通过激光密封焊接在一起，中间形成密闭隔压腔22，隔压腔22可避免海水自进水孔25进入温度外壳19后产生压强对压力外壳1内的压力测量产生影响。
第一测温光栅23用于测量压力外壳1内部温度，第二测温光栅24用于测量海水温度。通过测量上述温度，可提高测量海水压力的准确度。
上述实施例1中的光纤7也可以采用与实施例2中相同的方式从非轴心的过纤孔穿出。
本发明实施例中的测压光栅和第一测温光栅、第二测温光栅包括但不限于：均匀光纤光栅、倾斜光纤光栅、啁啾光纤光栅、长周期光纤光栅等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，包括压力外壳，所述压力外壳底部设置弹性膜片，所述压力外壳内顶部设置温补柱，所述温补柱和弹性膜片之间设置菱形支架，所述菱形支架中部设置横梁，所述压力外壳的内侧壁上固定有水平支架，所述水平支架穿过横梁下方的菱形支架空间；光纤的一端固定于水平支架上，另一端在横梁上设置固定点后穿出压力外壳，位于水平支架和横梁之间的光纤上写制有测压光栅，所述测压光栅处于无外应力伸直状态。
2.根据权利要求1所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述压力外壳顶部固定有温度外壳，所述温度外壳通过中间的隔板分为上下两部分，上部为进水腔，下部为隔压腔，所述光纤从压力外壳穿出后依次穿过隔压腔和进水腔后从温度外壳穿出，位于压力外壳内的光纤上写制有第一测温光栅，位于进水腔内的光纤上写制有第二测温光栅，所述进水腔的温度外壳上开设进水孔。
3.根据权利要求1所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述温补柱材料为铝，半径为1-6mm，高度为4-16mm。
4.根据权利要求1所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述弹性膜片为铍青铜材料，半径为1-6mm，厚度为0.3-1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述弹性膜片中心通过激光焊接有连接墩，所述菱形支架的两端分别通过激光焊接于温补柱和连接墩上。
6.根据权利要求2所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述测压光栅、第一测温光栅和第二测温光栅的中心波长不同，栅区长度为1-12mm。
7.根据权利要求1所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述水平支架中心开设过纤孔一，所述横梁中心开设过纤孔二，所述菱形支架顶端开设过纤孔三，所述温补柱中心开设过纤孔四，所述压力外壳中心开设过纤孔五，所述光纤通过胶水分别固定于过纤孔一和过纤孔二内，然后依次穿过过纤孔三、过纤孔四和过纤孔五后，由焊接于压力外壳顶部的尾纤保护套一穿出。
8.根据权利要求2所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述水平支架中心开设过纤孔一，所述横梁中心开设过纤孔二，所述压力外壳非轴心位置开设过纤孔六，所述隔板上开设过纤孔七，所述温度外壳上开设过纤孔八，所述光纤通过胶水分别固定于过纤孔一和过纤孔二内，然后依次穿过过纤孔六、过纤孔七和过纤孔八后，由焊接于温度外壳顶部的尾纤保护套二穿出。
9.根据权利要求1或2所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述压力外壳的内侧壁上相对开设凹槽一和凹槽二，所述水平支架的两端嵌于凹槽一和凹槽二内。
10.根据权利要求1或2所述的一种推挽式光纤光栅海水潮位传感器，其特征在于，所述压力外壳的顶部内壁上开设凹槽三，所述温补柱通过激光点焊于凹槽三内。
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