CN114910200A - 一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，包括以下步骤：根据工程需要，确定材料的选型和压力传感器的直径，计算膜片的厚度及中心点最大挠度；根据光纤光栅传感器的波长精度和灵敏度计算中心点所需的最小挠度；采用ANSYS软件设计膜片的力学模型，遴选满足最小挠度要求的膜片模型并分级加载，然后选择满足最小挠度要求的膜片模型；对弹性体进行镂空处理，再确定压力传感器的机械结构并生产、组装。本发明通过理论优化设计，增加凸台高度，规避传统的直通方式，增加传感器对挠度变形的敏感度；在膜片顶部增加开槽设计，降低膜片的变形刚度，增加压力敏感度，在小体积的情况下实现大范围压力感测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法。
背景技术
压力传感器是工程应用中不可缺少的一部分，在土木工程、航空航天、石油电器、交通运输等领域都有广泛地应用。传统的电阻应变式和振弦式压力传感器由于其原理限制，多以电信号和电元件器作为传感元，因此无法在极端天气和强电磁辐射区域工作，此外，上述压力传感器多为点式传感器，无法实现分布式多点传感。
光纤光栅传感器由于其精度高、轻便、耐腐蚀、抗电磁干扰等一系列优点已被广泛应用于结构安全、安防监测等场合。但现有的光纤光栅压力传感器仍然存在灵敏度不够高的缺陷，无法满足特定高精度检测的应用情形。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，以解决现有光栅压力传感器灵敏度低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据工程对传感器体积和量程的需要，确定材料的选型和压力传感器的直径，计算膜片的厚度及中心点最大挠度；
步骤二：根据光纤光栅传感器的波长精度及灵敏度，计算中心点所需的最小挠度；
步骤三：采用ANSYS软件设计所述膜片的力学模型，在所述膜片的圆周方向设计不同宽度和深度的环形槽，均匀施加最大压力载荷，计算各种槽宽及深度对应的中心点挠度；
步骤四：遴选满足最小挠度要求的膜片模型，采用ANSYS软件分级加载，分析压力-挠度的线性度，选择线性度最佳、挠度最大的模型对应的宽度及深度的环形槽；
步骤五：遴选弹性体，将弹性体与膜片的两端连接，将第一超弱光纤光栅固定于弹性体上，对弹性体进行镂空处理；
步骤六：在所述膜片的底部中心点设计h高的凸台，将弹性体安装到传感器盒体内，并使膜片被所述凸台支撑，膜片产生挠度导致超弱光纤光栅上产生伸长ΔL：
其中，h为凸台高度，R为膜片半径，Δh为膜片中心的高度变化值；
步骤七：根据量程和灵敏度要求选择凸台的高度，确定机械结构，制作传感器实物。
优选的方案中，还包括：步骤八：将传感器实物置于加载盒中，在膜片表面加垫细砂，施加不同的重力载荷，测量光纤光栅传感器的波长变化，并记录不同压力值对应的波长值；
步骤九：分析压力-波长曲线，提取灵敏度和线性度，优化步骤三～步骤七的设计。
优选的方案中，步骤五中所述的镂空处理为在所述弹性体上开设多个用于减小其形变阻力的镂空槽。
优选的方案中，步骤五在所述弹性体上开设多个用于减小其形变阻力的镂空槽时，使多个镂空槽沿弹性体的中心线对称布置。
优选的方案中，步骤七中所述的机械结构包括容纳弹性体的压力盒和用于密封压力盒的密封盖。
优选的方案中，还包括：
步骤十：在压力盒外侧壁连接第一金属管和第二金属管，在所述第一金属管或第二金属管上设置凹型槽，并在所述凹型槽内安装第二超弱光纤光栅。
优选的方案中，所述第一超弱光纤光栅与第二超弱光纤光栅的波长间隔大于2nm。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明公布的一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，具有以下有益效果：
1.灵敏度高、体积小：本发明提供的方法，通过理论优化设计，增加凸台高度，规避传统的直通方式，增加传感器对挠度变形的敏感度；在膜片顶部增加开槽设计，降低膜片的变形刚度，增加压力敏感度，在小体积的情况下实现大范围压力感测。
2.强度高、可靠性好、温度补偿简单：本发明涉及的超弱光纤光栅无需剥皮，抗拉强度高，光栅的应变范围可以达到20000με以上；允许在同一根光纤上近距离刻写2个光栅，温度补偿方便。
3.易于组网：本发明的方法在压力传感器采用超弱光纤光栅作为敏感元件，可以直接接入分布式超弱光栅传感网络，组网方便。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
图2为本发明中膜片的俯视结构示意图。
图3为本发明中弹性体的立体结构示意图。
图4为本发明中弹性体的俯视结构示意图。
图5为本发明中弹性体的形变示意图。
上述附图中：1、压力盒；11、膜片；12、盒体；13、密封盖；14、凸台；15、第一金属管；16、第二金属管；17、第二超弱光纤光栅；18、环形槽；19、凹型槽；2、弹性体；21、镂空槽；3、第一超弱光纤光栅。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
作为本发明的优选实施方式，本发明提供了一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据工程对传感器体积和量程的需要，确定材料的选型和压力传感器的直径，计算膜片的厚度及中心点最大挠度；
步骤二：根据光纤光栅传感器的波长精度及灵敏度，计算中心点所需的最小挠度；
步骤三：采用ANSYS软件设计膜片11的力学模型，在所述膜片11的圆周方向设计不同宽度和深度的环形槽18，均匀施加最大压力载荷，计算各种槽宽及深度对应的中心点挠度；
步骤四：遴选满足最小挠度要求的膜片11模型，采用ANSYS软件分级加载，分析压力-挠度的线性度，选择线性度最佳、挠度最大的模型对应的宽度及深度的环形槽18；
步骤五：遴选弹性体2，将弹性体2与膜片11的两端连接，将第一超弱光纤光栅3固定于弹性体2上，对弹性体2进行镂空处理；
步骤六：在所述膜片11的底部中心点设计h高的凸台14，将弹性体2安装到传感器盒体12内，并使膜片11被所述凸台14支撑，膜片产生挠度导致超弱光纤光栅上产生伸长ΔL：
其中，h为凸台高度，R为膜片半径，Δh为膜片中心的高度变化值；
步骤七：根据量程和灵敏度要求选择凸台14的高度，确定机械结构，制作传感器实物。
本实施例中，参阅附图1-附图4，设计完成后的膜片光纤光栅压力传感器，它包括压力盒1和连接在压力盒1内的弹性体2，还包括第一超弱光纤光栅3，压力盒1包括膜片11、盒体12和密封盖13膜片11中央设置凸台14；第一超弱光纤光栅3施加预拉伸量后粘接在弹性体2上；弹性体2为双端固支梁结构，弹性体2的两端与所述盒体12的内壁粘接并被所述凸台14支撑后，使得第一超弱光纤光栅3呈三角形预拉伸状态；密封盖13与盒体1密封胶结。
本实施例中，以测量土压力为例，在实施时本实施例中第一超弱光纤光栅3与解调仪相连，第一超弱光纤光栅3的中心波长为1550nm，第二超弱光纤光栅17的中心波长为1530nm，土壤给予压力盒1压力，压力传递到承压膜片上，由于在设计时对承压膜片开设了环形槽18，降低了其材料的刚性，因而很小的压力便能导致膜片产生较大的形变，膜片11的形变传递到与之相接触的凸台14上，从而凸台14导致弹性体2发生形变，与此同时，固定在弹性体2上的第一超弱光纤光栅3也发生形变，从而将土压力转变为光纤光栅的形变，达成检测土压力的目的，本实施例中膜片11的环形槽18和弹性体2的镂空处理会降低材料的刚性，从而增大其变形量，进一步提高了传感器的灵敏度，具体分析过程如下。
参阅附图5，所述传感器受到外部压力F作用时，第一超弱光纤光栅3上产生的伸长ΔL为：
即
其中，h为凸台14的高度，R为膜片11的半径，Δh为压力作用下膜片中心点高度变化值。
当解调仪接收到信号后，可依据光栅的形变与波长的关系换算得到光栅的形变值，进而反推换算得到压力作用下的高度变化，再根据形变量与外部压力之间的关系换算推导得到其外部压力F的值，具体推导公式及计算过程已是光纤光栅压力传感器的公知常识，也不是本发明的发明内容所在，故本发明的描述中对这部分内容不再赘述。本实施例的意义在于，在膜片11上开设环形槽18，并在弹性体2上开设镂空槽21，减小了膜片11和弹性体2的形变阻力，从而可检测更大范围的压力值，并且可提高传感器的灵敏度。
在优选的实施例中，为了降压力传感器的体积，并提高精度，选用反射率低于0.1％的第一超弱光纤光栅，并且其长度小于10mm。
优选的方案中，还包括：步骤八：将传感器实物置于加载盒中，在膜片11表面加垫细砂，施加不同的重力载荷，测量光纤光栅传感器的波长变化，并记录不同压力值对应的波长值；
步骤九：分析压力-波长曲线，提取灵敏度和线性度，优化步骤三～步骤七的设计。
本实施例中，通过在制造出实物后，再一次加载检验传感器实物的检测性能，可与设计目标进行对比校正，当按照上述方法设计并生产的传感器实物的检测性能与设计目标存在较大出入时，可根据前述的设计步骤再次进行优化设计，以得到最符合工程需要的压力传感器，满足工程需要。
在另一种优选实施例中，为了降低温度误差，本实施例设计温度补偿机制，具体包括：
步骤十：在压力盒1外侧壁连接第一金属管15和第二金属管16，在所述第一金属管15或第二金属管16上设置凹型槽19，并在所述凹型槽19内安装第二超弱光纤光栅1。参阅附图1，将第一金属管15和第二金属管16设计到位于压力盒1的直径线上，用于传感光纤的引出，第一金属管15或第二金属管16上设置凹型槽19，所述凹型槽19内安装第二超弱光纤光栅17，本实施例中超弱光纤光栅压力传感器还包括了温度补偿设计，由于超弱光栅的可多点传感，选取与第一超弱光纤光栅3具有不同波长的第二超弱光纤光栅17作为温补光栅，利用金属管确保第二超弱光纤光栅17不会受到压力的影响，第一超弱光纤光栅3与第二超弱光纤光栅17处于同一环境下，当温度和压力同时变化时，可以第二超弱光纤光栅17作为温补光栅以确保压力传感器的正常使用。
在另一种优选实施例中，为保证光栅测量的准确性，所述第一超弱光纤光栅与第二超弱光纤光栅的波长间隔大于2nm。
在另一种优选实施例中，作为本压力传感器的一种具体实施方式，基于该超弱光纤光栅反射率低，复用率高的特点，本实施例在同一跟光纤上串联多个压力盒，将不同的压力盒置于不同位置，从而实现对不同位置压力的同时实时在线监测，以此重构该区域的压力场，全面分析待测域的情况。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：根据工程对传感器体积和量程的需要，确定材料的选型和压力传感器的直径，计算膜片的厚度及中心点最大挠度；
步骤二：根据光纤光栅传感器的波长精度及灵敏度，计算中心点所需的最小挠度；
步骤三：采用ANSYS软件设计所述膜片的力学模型，在所述膜片的圆周方向设计不同宽度和深度的环形槽，均匀施加最大压力载荷，计算各种槽宽及深度对应的中心点挠度；
步骤四：遴选满足最小挠度要求的膜片模型，采用ANSYS软件分级加载，分析压力-挠度的线性度，选择线性度最佳、挠度最大的模型对应的宽度及深度的环形槽；
步骤五：遴选弹性体，将弹性体与膜片的两端连接，将第一超弱光纤光栅固定于弹性体上，对弹性体进行镂空处理；
步骤六：在所述膜片的底部中心点设计h高的凸台，将弹性体安装到传感器盒体内，并使膜片被所述凸台支撑，膜片产生挠度导致超弱光纤光栅上产生伸长ΔL：
其中，h为凸台高度，R为膜片半径，Δh为膜片中心的高度变化值；
步骤七：根据量程和灵敏度要求选择凸台的高度，确定机械结构，制作传感器实物。
2.根据权利要求1所述的一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，其特征是，还包括：
步骤八：将传感器实物置于加载盒中，在膜片表面加垫细砂，施加不同的重力载荷，测量光纤光栅传感器的波长变化，并记录不同压力值对应的波长值；
步骤九：分析压力-波长曲线，提取灵敏度和线性度，优化步骤三～步骤七的设计。
3.根据权利要求1所述的一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，其特征是：步骤五中所述的镂空处理为在所述弹性体上开设多个用于减小其形变阻力的镂空槽。
4.根据权利要求3所述的一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，其特征是：步骤五在所述弹性体上开设多个用于减小其形变阻力的镂空槽时，使多个镂空槽沿弹性体的中心线对称布置。
5.根据权利要求1所述的一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，其特征是：步骤七中所述的机械结构包括容纳弹性体的压力盒和用于密封压力盒的密封盖。
6.根据权利要求1所述的一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，其特征是，还包括：
步骤十：在压力盒外侧壁连接第一金属管和第二金属管，在所述第一金属管或第二金属管上设置凹型槽，并在所述凹型槽内安装第二超弱光纤光栅。
7.根据权利要求1所述的一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，其特征是：选用反射率低于0.1％的第一超弱光纤光栅，且其长度小于10mm。
8.根据权利要求6所述的一种平膜片光纤光栅压力传感器的增敏设计方法，其特征是：使所述第一超弱光纤光栅与第二超弱光纤光栅的波长间隔大于2nm。
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