CN115046661A - 一种小型超弱光纤光栅压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种小型超弱光纤光栅压力传感器，它包括压力盒和连接在所述压力盒内的弹性体，还包括第一超弱光纤光栅，所述压力盒包括膜片、盒体和密封盖，所述膜片中央设置凸台；所述第一超弱光纤光栅施加预拉伸量后粘接在所述弹性体上；所述弹性体为双端固支梁结构，所述弹性体的两端与所述盒体的内壁粘接并被所述凸台支撑后，使得所述第一超弱光纤光栅呈三角形预拉伸状态。本发明通过在膜片与弹性体中间添加凸台结构，将膜片的纵向压力形变转变为弹性体的横向形变，从而增大第一超弱光纤光栅的应变值，提高了压力传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种小型超弱光纤光栅压力传感器。
背景技术
压力传感器作为工程安全监测的重要一环，在水利水电、铁路工程、生产自控、航空航天、石油、船舶、机床、管道等众多行业均有监测需求。传统的压力传感器可按照其原理的不同分为电阻应变式和振弦式，但这两种类型的压力传感器均是以电作为传感信号，因而易受电磁干扰，且无法在易燃易爆等恶劣环境中使用，更难以实现多点测量。
光纤光栅(FBG)作为一种新型的无源器件，具有体积小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、耐腐蚀等优点，基于FBG传感技术的压力传感器已经广泛应用于土木工程监测。王花平等人提出了一种光纤光栅土压力传感器，将一根受力光栅粘贴于圆薄板中心处，通过圆薄板将土压力转换为光栅可测的应变量，但在薄板产生挠度时，易造成光栅的啁啾，引起光栅波峰的展宽或分裂，导致测量精度下降。胡志新等人设计了一种温度补偿式光纤光栅土压力传感器，选用具有硬中心的平膜片作为弹性元件，避免了光栅与膜片直接接触，但迟滞和静态误差比较大不适合长期使用。王晓洁等人设计了一种聚合物光栅传感技术的土压力传感器，将其用于沥青路面载荷的监测，该传感器灵敏度高、质量轻，但其线性度较差且未考虑温度补偿。印度国家技术学院的Sengupta等人设计了一种光纤光栅静态压力传感器用于液位的测量，传感器中装有两个光纤光栅，一个固定于弹簧管上，用于测量压力；另外一个用来测量温度，用于对压力测量光栅的温度补偿。但整个压力传感器的结构复杂，制作工艺复杂，多点串联困难，工程应用的价值不高。综上所述，国内外对压力传感器的研究表明FBG压力传感器普遍存在以下缺陷：
1.体积大、结构复杂，盒型的土压力计直径大于80mm，不便于钻孔埋设，而筒型土压力计为多层结构，直径长达245mm,直径也有50mm，价格昂贵，两者通用性较差；
2.灵敏度较低；
3.多点复用困难、功能单一，FBG单光纤上只能复用几十个，大范围组网困难。因此，研究一种小体积、组网方便、高灵敏度的压力计，是现有工程应用中的现实需求。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种小型超弱光纤光栅压力传感器，以解决现有光栅压力传感器体积大、多点复用困难、灵敏度低等问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种小型超弱光纤光栅压力传感器，包括压力盒和连接在所述压力盒内的弹性体，还包括第一超弱光纤光栅，所述压力盒包括膜片、盒体和密封盖，所述膜片中央设置凸台；所述第一超弱光纤光栅施加预拉伸量后粘接在所述弹性体上；所述弹性体为双端固支梁结构，所述弹性体的两端与所述盒体的内壁粘接并被所述凸台支撑后，使得所述第一超弱光纤光栅呈三角形预拉伸状态。
优选的方案中，所述膜片在承压面圆周方向上设置环形槽。
优选的方案中，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，多个所述镂空槽沿弹性体的中心线对称设置。
优选的方案中，还包括连接在压力盒外侧壁的第一金属管和第二金属管，所述第一金属管或第二金属管上设置凹型槽，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的反射率低于0.1％，长度小于10mm。
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。
优选的方案中，所述密封盖与所述盒体密封胶结。
优选的方案中，所述第一金属管和第二金属管位于压力盒的直径线上，用于传感光纤的引出。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过在膜片与弹性体中间添加凸台结构，将膜片的纵向压力形变转变为弹性体的横向形变，从而增大第一超弱光纤光栅的应变值，提高了压力传感器的灵敏度。
2、本发明对膜片和弹性体进行镂空处理，降低了膜片和弹性体形变的阻力，从而以增大其形变值，进一步提高了压力传感器的灵敏度。
3、本发明的压力传感器体积小，组网方便，降低了传感器的结构复杂性；为压力传感器的增敏设计提供了一种新思路，对工程应用中的通用压力传感器的研究和开发提供了一种新方法。
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。
超弱光纤光栅，其单波长上可复用数千个光栅，极大地提升了光纤光栅的复用容量。超弱光栅与FBG具有类似的工作原理，利用超弱光栅制作压力传感器，直接接入分布式超弱光栅传感网络，在增加压力测量的同时，也是对分布式超弱光栅传感网络功能和感测方式的有效补充。
参阅附图1-附图4，作为本发明的一种实施例，提出了一种小型超弱光纤光栅压力传感器，它包括压力盒1和连接在所述压力盒1内的弹性体2，还包括第一超弱光纤光栅3，所述压力盒1包括膜片11、盒体12和密封盖13，所述膜片11中央设置凸台14；所述第一超弱光纤光栅3施加预拉伸量后粘接在所述弹性体2上；所述弹性体2为双端固支梁结构，所述弹性体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，使得所述第一超弱光纤光栅3呈三角形预拉伸状态；密封盖13与所述盒体1密封胶结。
本实施例中，在膜片与弹性体中间添加了凸台14，将膜片11的纵向压力形变转变为弹性体2的横向形变，从而增大第一超弱光纤光栅的应变值，提高了压力传感器的灵敏度。
另一种优选实施例中，参阅附图2-附图4，所述膜片11在承压面圆周方向上设置环形槽18，所述弹性体2上开设多个用于减小其形变阻力的镂空槽21，为保证弹性体2的形变均匀性，多个所述镂空槽21沿弹性体2的中心线对称设置。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通过压力盒的第一金属管与解调仪相连，第一超弱光纤光栅3的中心波长为1550nm，第二超弱光纤光栅的中心波长为1530nm，土壤给予压力盒压力，压力传递到承压膜片上，由于承压膜片带有环形槽18，降低了其材料的刚性，因而很小的压力便能导致压力膜产生较大的形变，压力膜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，第一超弱光纤光栅压力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高度，R为膜片11半径，Δh为压力作用下膜片中心点的高度变化值。
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。
在另一种优选实施例中，为了提高传感器的精度，并减小传感器的体积，所述第一超弱光纤光栅3的反射率低于0.1％，长度小于10mm。
在另一种优选实施例中，参阅附图1，作为本发明超弱光纤光栅压力传感器的一种具体实施方式，还包括连接在压力盒外侧壁的第一金属管15和第二金属管16，所述第一金属管15和第二金属管16位于压力盒1的直径线上，用于传感光纤的引出，所述第一金属管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 (9)
1.一种小型超弱光纤光栅压力传感器，包括压力盒和连接在所述压力盒内的弹性体，还包括第一超弱光纤光栅和密封盖，其特征在于: 所述压力盒包括膜片、盒体和密封盖，所述膜片中央设置凸台；所述第一超弱光纤光栅施加预拉伸量后粘接在所述弹性体上；所述弹性体为双端固支梁结构，所述弹性体的两端与所述盒体的内壁粘接并被所述凸台支撑后，使得所述第一超弱光纤光栅呈三角形预拉伸状态。
2.根据权利要求1所述的一种小型超弱光纤光栅压力传感器，其特征是：所述膜片在承压面圆周方向上设置环形槽。
3.根据权利要求1所述的一种小型超弱光纤光栅压力传感器，其特征是：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所述的一种小型超弱光纤光栅压力传感器，其特征是：多个所述镂空槽沿弹性体的中心线对称布置。
5.根据权利要求1所述的一种小型超弱光纤光栅压力传感器，其特征是：还包括连接在压力盒外侧壁的第一金属管和第二金属管，所述第一金属管或第二金属管上设置凹型槽，所述凹型槽内安装第二超弱光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的一种小型超弱光纤光栅压力传感器，其特征是：所述第一超弱光纤光栅的反射率低于0.1%，长度小于10 mm。
7.根据权利要求5所述的一种小型超弱光纤光栅压力传感器，其特征是：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。
8.根据权利要求1所述的一种小型超弱光纤光栅压力传感器，其特征是：所述密封盖与所述盒体密封胶结。
9.根据权利要求5所述的一种小型超弱光纤光栅压力传感器，其特征是：所述第一金属管和第二金属管位于压力盒的直径线上，用于传感光纤的引出。
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