CN201348549Y - 光纤光栅压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤光栅压力传感器。该传感器包括：悬臂梁、第一弹性膜片和光纤，其中悬臂梁具有第一端和第二端，第一端固定，而第二端处于悬臂状态；第一弹性膜片固定连接有朝向所述悬臂梁的第一顶柱，该第一顶柱的端部与所述悬臂梁的第二端的一侧相顶触；所述光纤具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁上。本实用新型的光纤光栅压力传感器，能够有效缩小光纤受力方向的尺寸，从而可用于狭小空间的压力测量。并且，本实用新型还可进一步设置有第二弹性膜片，从而利用第一弹性膜片和第二弹性膜片对悬臂梁的共同作用，能够直接测量压力差信号。

Description

光纤光栅压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种应用于石油化工、水利、航空、航天、汽车、医疗等领域的压力、液位、流量测控装置，具体地讲，涉及一种光纤光栅压力传感器。

背景技术

传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，成为80年代中期以来国际市场上最走俏的商品之一。近些年来，在力、热、电压、磁、气、湿、光等七大类传感器中尤以光传感器中的光纤传感器备受青睐。光纤传感技术是光子与承载信息传输的导波光子技术的一个领域。光子技术是光子学与电子学结合而成的技术。随着科学技术的发展，作为信息载体的光子要比电子的速度容量与空间容量优越得多。光子响应速度比电子高三个数量级，光子的高并行处理能力和高信息率等特性，使其具有远高于电子信息容量与处理速度的潜力，必将推动光学信息与光子计算机的发展。

各种电类传感器用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量，存在不安全的因素(在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、电磁等的干扰下无法正常工作)。而光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在恶劣环境里的应用。

光纤光栅传感器在具有诸如抗电磁干扰、低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、耐腐蚀、防水、防火等固有的优点外，对温度和应力等重要测量参量具有极高的测量精度和线性度，以及充足的测量范围。

现有的光纤光栅压力增敏传感器主要有以下几种【宋丽娜.光纤Bragg光栅温度压力传感技术研究.西北大学硕士学位论文，2008.6.】：

(1)聚合物灌封光纤光栅压力增敏的光纤压力传感器10，是最常见的光纤光栅传感器，其结构如图1所示。这种传感器使用特殊聚合物材料101将光纤104的光纤光栅(FBG)102封装于金属套管103中，由于特殊聚合物材料101的弹性模量比裸光纤的弹性模量小，对压力具有较高的响应；因此，在相同应力作用下产生的应变将增大，应变的增大将会引起中心波长的相对变化量增加，这样则实现对应力的增敏。为了消除封装过程中由于聚合物固化收缩以及聚合物与套管壁粘接与摩擦产生的光纤光栅啁啾化，在金属套管预涂覆一层软弹性材料。经过封装的光纤光栅压力响应灵敏度为0.036nm/MP，是裸光纤光栅0.003nm/MPa的12倍，压力测量范围可达40MP以上。

但是，该种光纤压力传感器由于是采用聚合物来实现增敏的，其耐高温性能很差，并且为达到较高的灵敏度，需要聚合物与光纤有比较长的接触长度，从而使得该种光纤压力传感器虽然较细但其在光纤受力方向的尺寸即长度尺寸一般在7cm以上，无法用于狭小空间的压力测量。并且，该种光纤传感器只能用于测量压力信号，而不能用于测量压力差。

(2)圆柱筒-活塞式光纤压力传感器20，其结构如图2所示。在一个由圆柱形容器(圆柱筒201)和活塞202组合成的活塞式结构中充入气体，在圆柱筒201的左端有一个阀门203，用以控制充入气体的量。当外界压力使圆柱筒201和活塞202相对运动时，就会使光纤204的光纤光栅(FBG)205产生应变，布拉格波长发生移动。为减小摩擦和防止活塞202运动时气体的泄露，在圆柱筒201和活塞202之间涂有润滑油。为了使光纤光栅205在测量范围内保持拉伸状态，测量前先使光纤光栅205产生一定的预应变。这种光纤光栅压力增敏结构灵敏度可达1078.8nm/MPa，是裸光纤的3.515×10⁵倍。

该种光纤光栅压力增敏传感器，可以通过改变圆柱筒201内所充气体的初始参数，来改变装置的灵敏度和测量范围，但存在如下尚待改进之处：一方面在满足灵敏度高的条件下，就不能满足其测量范围，其测量范围仅为0-0.0045MPa；另一方面这种结构的传感器比较适用于低压下气压、液压的传感测量，当温度变化较大时，由于气体受温度的影响较大，此时的传感器不但对压力变化敏感，而且对温度变化敏感，使用时需要进行温度去敏或补偿；另外，由于需要保证活塞202的移动空间，该传感器在光纤受力方向的尺寸(长度尺寸)一般在10cm以上，不能用于狭小空间的压力测量；并且该传感器不能密封，不能应用于带有腐蚀性的气体或液体中；最后，该传感器不能够测量两个空间中的压力差。

(3)金属管组合压力增敏的光纤光栅压力传感器30，其结构如图3所示。该传感器是使用一个机械结构将流体压力转换成具有一定数量级的光纤轴向应变。该结构具传感管301和支持管302，光纤303的光栅304粘贴于传感管301和支撑管302之间，传感管301用于感受流体的压强，当流体进入传感管301，传感管301将被拉伸并使粘贴于传感管301和支撑管302之间的光栅304也相应的被拉伸，从而使光栅304中心反射波长发生漂移，通过监测波长的变化即可感知流体压强的大小。

该种传感器受结构和传感管301弹性模量的影响，为了获得传感管301与支撑管302比较大的相对移动距离，需要比较大的尺寸，该传感器的光纤受力方向的尺寸一般在10cm以上，其尺寸比较大，不利于在狭小空间内的压力测量。另外，该传感器对加工技术要求较高，成本高。并且该传感器也只能检测压力，不能测量压力差。

(4)波纹管和梯形梁光纤光栅压力增敏的光纤光栅压力传感器40，其结构如图4所示。该种光纤光栅压力传感器是由波纹管401感受压力，通过其他机构传递给光纤402的光栅403产生应变的增敏装置。如梯形梁-波纹管光纤光栅压力传感器，将光纤光栅403粘贴在梯形梁404上，再安装在密闭容器405中，密闭容器405壁上装有波纹管401，波纹管401的移动端与梯形梁404相连。外界压力作用在波纹管401上时，梯形梁404上将形成集中载荷，使梁发生形变，从而引起光纤光栅403产生纵向的应变，导致布拉格反射峰值波长发生变化。此种梯形梁-波纹管光纤光栅压力传感器的灵敏度可以达到8.73nm/MPa，是裸光纤光栅的7455倍。但由于波纹管401本身耐压不高，一般低于10MPa，所以，该光纤光栅压力传感器耐压范围不能高于10MPa。

该种传感器受波纹管加工工艺以及灵敏度的影响，波纹管401的尺寸比较大，使得该传感器的光纤受力方向的尺寸(厚度尺寸)不薄于6cm，不能用于狭小空间的压力测量。并且，由于采用梯形梁结构，不能消除光纤光栅啁啾效应，会造成测量的信号失真，影响测量灵敏度。另外，波纹管401直接施力给梯形梁404，未通过滑动装置，摩擦力比较大，使得灵敏度受限。并且，该传感器也只能测量压力信号，不能检测两个空间的压力差信号。

综上所述，现有的光纤光栅压力传感器都存在传感器尺寸比较大，不能够用于狭小空间，并且不能测量不同空间的压力差信号的问题。

因此，有必要提供一种新的光纤光栅传感器结构，来克服现有光纤光栅压力传感器存在的上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种光纤光栅压力传感器，其采用弹性膜片和悬臂梁结构，能够有效缩小光纤受力方向的尺寸，从而可用于狭小空间的压力测量。

本实用新型的目的还在于，提供一种光纤光栅压力传感器，其能够直接测量压力差信号。

本实用新型的上述目的可采用如下技术方案来实现：一种光纤光栅压力传感器，其包括：

悬臂梁，具有第一端和第二端，其中第一端固定，而第二端处于悬臂状态；

第一弹性膜片，其固定连接有朝向所述悬臂梁的第一顶柱，该第一顶柱的端部与所述悬臂梁的第二端的一侧相顶触；

光纤，其具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁上。

在本实用新型的一个可选实施方式中，所述的光纤光栅压力传感器还包括：第二弹性膜片，其与第一弹性膜片相对设置，并固定连接有朝向悬臂梁的第二顶柱，该第二顶柱与所述悬臂梁的第二端上与第一顶柱的一侧相对的另一侧相顶触。

在本实用新型的一个可选例子中，所述光纤光栅传感器还包括有壳体，该壳体形成有容置腔，并在壳体外侧上形成有第一安装槽，在该第一安装槽的底部具有连通于所述容置腔的第一通孔；所述的悬臂梁设置于所述壳体的容置腔内，该悬臂梁的第一端固定支撑在壳体上，所述的第一膜片周边密封安装在壳体的第一安装槽上，所述的第一顶柱穿过所述第一安装槽底部的第一通孔而与所述悬臂梁的第二端相顶触。

在一个可选的例子中，所述的壳体外侧与第一安装槽相对的位置上还设置有第二安装槽，在该第二安装槽的底部设有连通于所述容置腔的第二通孔；所述第二膜片周边密封安装在所述第二安装槽上，所述第二顶柱穿过所述第二通孔而与所述悬臂梁相顶触。

在本实用新型中，所述第一顶柱上设置有微型滚动轴承，所述第一顶柱通过该微型滚动轴承顶触于所述悬臂梁的第二端。

在本实用新型中，所述第二顶柱上设置有微型滚动轴承，所述的第二顶柱通过该微型滚动轴承顶触于所述悬臂梁的第二端。

利用该微型滚动轴承，在顶柱受到横向力作用时，该顶柱可以在悬臂梁上进行微小的滚动，从而极大地减少顶柱与悬臂梁之间的摩擦，从而能够在进行压力测量时提高测量的准确度。

在本实用新型中，所述的悬臂梁为等强度悬臂梁。采用该等强度悬臂梁，可以有效消除光纤光栅啁啾效应，提高测量灵敏度。

在本实用新型中，所述的光纤光栅粘贴固定在悬臂梁上。

在本实用新型中，在所述壳体的容置腔内设置有支撑部，所述悬臂梁的第一端支撑在该支撑部上，一压块压设在悬臂梁的第一端上，并通过紧固件固定于支撑部上，从而将悬臂梁的第一端压紧固定在所述支撑部上。在该例子中，所述压块上可设置有供光纤穿过的穿槽。

在本实用新型中，所述的第一弹性膜片由不锈钢材料制成。所述的第二弹性膜片也由不锈钢材料制成。

在本实用新型中，所述的悬臂梁由铍青铜材料制成。

在本实用新型中，在所述的第一弹性膜片的边缘形成有环形凸缘部，该环形凸缘部的外侧与所述的第一安装槽密封连接在一起，从而实现第一弹性膜片与第一安装槽的密封连接。

在本实用新型中，在所述的第二弹性膜片的边缘形成有环形凸缘部，该环形凸缘部的外侧与所述的第二安装槽密封连接在一起，从而实现第二弹性膜片与第二安装槽的密封连接。

在本实用新型中，为方便悬臂梁与光纤光栅在壳体内的装配，所述壳体包括主壳体和封接于主壳体端部的封盖，在所述封盖上形成有供所述光纤通过的孔，所述封盖与光纤之间采用聚合物密封。

采用本实用新型的上述结构，本实用新型的效果是显著的：1)由于本实用新型采用弹性膜片和悬臂梁来实现光纤光栅的增敏，弹性膜片的尺寸可以做得很小，从而使得本实用新型的光纤光栅压力传感器在光纤受力方向(壳体的厚度方向)的尺寸可以做得很薄，例如其厚度可薄到12mm，从而有利于安装在狭小空间内，来对狭小空间的压力进行压力测量。并且，本实用新型的光纤光栅压力传感器可以根据测量环境的需要，通过改变弹性膜片和悬臂梁的厚度来实现测量范围的改变，也可以通过传感器外壳的尺寸来实现大面积的测量，从而使得其应用更为广泛。2)由于本实用新型的光纤光栅传感器在壳体外侧安装有两片弹性膜片，该两片弹性膜片可以分别通过顶柱将压力传递给悬臂梁，压迫悬臂梁向压力小的一侧移动，光纤光栅可以感知此形变，从而使得本实用新型的光纤光栅压力传感器可以测量两个不同空间或同一空间动态环境的压力差信号。3)由于本实用新型的传感器外壳可以将形成为一个密封器件，从而使得传感器对恶劣环境有很好的抗腐蚀性能。并且传感器内部测量所用的光纤光栅，能够抗电磁干扰，低损耗、体积小、重量轻、成本低、耐腐蚀、防水防火等。

附图说明

图1为现有的灌封式封装光纤光栅的光纤光栅压力传感器结构示意图；

图2为现有的圆柱筒-活塞式光纤光栅压力传感器结构示意图；

图3为现有的金属管组合式光纤光栅压力传感器结构示意图；

图4为现有的波纹管和梯形梁光纤光栅压力传感器结构示意图；

图5为本实用新型的实施例1的光纤光栅压力传感器正视结构示意图；

图6为图5的A-A剖视结构示意图；

图7为本实用新型的等强度悬臂梁的数学分析结构示意图；

图8为本实用新型的实施例1的光纤光栅压力传感器的力学结构示意图；

图9为本实用新型的实施例1的实验例的传感器I的光纤光栅反射波长与载重的变化关系示意图；

图10为本实用新型的实施例1的实验例的传感器II的光纤光栅反射波长与载重的变化关系示意图；

图11为本实用新型实施例1的一个应用例示意图；

图12为本实用新型实施例2的光纤光栅压力传感器正视结构示意图；

图13为图12的B-B剖视结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图5-图10所示为本实施例的光纤光栅传感器50的示意图。如图5、图6所示，本实施例的光纤光栅传感器50包括：悬臂梁51、第一弹性膜片521、第一顶柱531、第二弹性膜片522、第二顶柱532以及光纤54。其中，悬臂梁51具有第一端511和第二端512，第一端511固定，而第二端512处于悬臂状态；所述第一顶柱531与第一弹性膜片521固定连接，并朝向所述悬臂梁51伸出，该第一顶柱531的端部与所述悬臂梁51的第二端512的一侧相顶触，从而将第一弹性膜片521受到的径向压力传递给悬臂梁51；第二膜片522设置在与第一膜片521相对的位置，第二顶柱532固定连接于第二弹性膜片522，并也朝向悬臂梁51伸出，该第二顶柱532与所述悬臂梁51第二端512上的与第一顶柱531的一侧相对的另一侧相顶触，从而将与第一膜片521相对侧的第二膜片522受到的径向压力也传递给悬臂梁51，而光纤54具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁51上。使用时，将第一弹性膜片521和第二弹性膜片522设置于两个不同空间或者同一空间的的动态环境中，悬臂梁51两侧的第一膜片521、第二膜片522受到压力时，通过第一顶柱531和第二顶柱532分别把压力传递给悬臂梁51的第二端512的相对两侧，压迫悬臂梁51的第二端512向压力小的一侧移动，固定在悬臂梁51上的光纤光栅感知到悬臂梁51的该形变，输出信号发生变化，从而测量两个不同空间或同一空间动态环境中的压力差信号。

在本实施例中，由于是采用第一弹性膜片521、第二弹性膜片522和悬臂梁51来实现光纤54的增敏的，第一弹性膜片521和第二弹性膜片522的尺寸可以做得很小，从而使得本实用新型的光纤光栅压力传感器50在光纤54受力方向的尺寸可以做得很薄，例如其厚度可薄到12mm，从而可以放置在狭小空间内，对狭小空间的压力差进行测量。并且，本实施例的光纤光栅压力传感器可以根据测量环境的需要，通过改变第一弹性膜片521、第二弹性膜片522和悬臂梁的厚度来实现测量范围的改变，也可以通过增大第一弹性膜片521和第二弹性膜片522的尺寸来实现大面积的测量，从而使得其应用范围更为广泛。

如图5、图6所示，在本实施例的一个具体例子中，所述光纤光栅传感器50还包括有壳体55，该壳体55形成有容置腔550，并在壳体55外侧的相对位置上分别形成有第一安装槽551和第二安装槽552，所述的第一弹性膜片521和第二弹性膜片522分别周边密封安装在该第一安装槽551和第二安装槽552上。在该第一安装槽551和第二安装槽552的底部分别具有连通于所述容置腔550的第一通孔553和第二通孔554；所述的悬臂梁51设置于所述壳体55的容置腔550内，该悬臂梁51的第一端511固定支撑在壳体55上，固定连接于第一膜片521的第一顶柱531穿过所述第一安装槽551底部的第一通孔553而与所述悬臂梁51的第二端512的一侧相顶触，从而将第一膜片521受到的径向压力传递给悬臂梁51的第二端512；固定连接于第二膜片522的第二顶柱532穿过所述第二通孔554而与所述悬臂梁51的第二端512的另一侧相顶触，从而将第二膜片522受到的径向压力传递给悬臂梁51的第二端512。

在本实施例的一个例子中，所述第一顶柱531上可设置有微型滚动轴承561，该第一顶柱531通过该微型滚动轴承561顶触于所述悬臂梁51的第二端512。在所述第二顶柱532上也可设置有微型滚动轴承562，该第二顶柱532通过该微型滚动轴承562顶触于所述悬臂梁51的第二端512。这样，利用该微型滚动轴承561、562，在第一顶柱531、第二顶柱532受到横向力作用时，该第一顶柱531和第二顶柱532可以通过微型滚动轴承561、562在悬臂梁51上进行微小的滚动，从而极大地减少第一顶柱531、第二顶柱532与悬臂梁51之间的摩擦，提高在进行压力差测量时的准确度。

在实施例的一个具体例子中，为了保证在测量范围内传感光纤54的光栅波长漂移的线性度，避免光纤光栅产生啁啾效应，如图5所示，所述的悬臂梁51可采用等强度悬臂梁，以提高测量灵敏度和准确度。其中，如果变截面梁设计得使梁的各截面上的最大正应力都达到材料的许用应力值，则这样的梁就称为等强度梁。

在本实用新型的一个可选例子中，如图5、图6所示，在所述壳体55的容置腔550内设置有支撑部556，所述悬臂梁51的第一端511支撑在该支撑部556上，一压块557压设在悬臂梁51的第一端511上，并通过紧固件558将压块557固定于支撑部556上，从而将悬臂梁51的第一端511压紧固定在所述支撑部556上。在该例子中，所述压块557上可设置有供光纤54穿过的穿槽5571。

在本实施例的一个具体例子中，所述的第一弹性膜片521、第二弹性膜片522以及壳体55可由不锈钢材料制成。所述的第一顶柱531可与第一弹性膜片521一体加工。所述的第二顶柱531可与第二弹性膜片521一体加工。所述的悬臂梁51可由铍青铜材料制成，该种材料的弹性模量相对小，形变恢复比较好。所述的光纤54的光纤光栅可以粘贴固定在悬臂梁51上。

在实施例的一个具体例子中，所述的第一弹性膜片521、第二弹性膜片522的边缘可分别形成有环形凸缘部5211、5221，该环形凸缘部5211的外侧与所述的第一安装槽551密封连接在一起，从而实现第一弹性膜片521与第一安装槽551的密封连接；该环形凸缘部5221的外侧与所述的第二安装槽552密封连接在一起，从而实现第二弹性膜片522与第二安装槽552的密封连接。

在本实施例中，由于是采用弹性膜片与悬臂梁来实现光纤光栅54的增敏的，不需要像现有的圆柱筒-活塞式光纤光栅压力传感器30和金属管组合式光纤光栅压力传感器40那样需要有相对运动，因而壳体55可以在安装完各部件后，形成为密封器件，从而使得本实用新型的光纤光栅传感器50对恶劣环境有很好的抗腐蚀性能。在本实施例中，为方便悬臂梁51与光纤光栅54在壳体55内的装配，所述壳体55包括主壳体581和封接于主壳体581端部的封盖582，在所述封盖582上形成有供所述光纤54的尾纤通过的孔583，所述封盖582与光纤54的尾纤之间采用聚合物密封，从而使得该光纤光栅压力传感器50在装配后形成为密封器件。

下面通过理论分析和实验例来进一步说明本实施例的测量压力差的光纤光栅压力传感器50。

本实施例中的经过应力增敏封装的应变光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁51上；在壳体55两侧用第一弹性膜片521和第二弹性膜片522密封，该第一膜片521和第二膜片522分别附有第一顶柱531和第二顶柱532与等强度悬臂梁51紧密接触；当两侧受到的压力不同时两侧第一膜片521、第二膜片522就会向悬臂梁51的方向发生位移，压迫等强度悬臂梁51向压力小的一侧移动产生形变，该形变引起的光纤光栅54中心反射波长的变化，从而由解调仪进行检测压力差。

首先光纤光栅的中心反射波长λ_B可由光纤光栅的布拉格(Bragg)公式确定：λ_B＝2n_effΛ_B    (1)

可见λ_B取决于两个因素：有效折射率n_eff和光栅周期Λ_B，任何一个因素的变化都会引起λ_B的改变。当应力作用于光纤光栅时，可以同时引起Λ_B的变化和由弹光效应造成的n_eff的变化，其表达式为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

式中Δλ_B为应力引起的光纤光栅反射波长变化量，ε为光纤光栅的应变量，P_e为光纤有效弹光系数。

为了保证在测量范围内传感光纤光栅波长漂移的线性度，避免光纤光栅产生啁啾效应，因此本实用新型的传感器采用了等强度悬臂梁结构。等强度悬臂梁51如图7所示，等强度悬臂梁51为等腰三角形，厚h，底边b₀，长L，其x处的宽度b(x)为：

b(x)＝b₀(1-x/L)(3)

在外界应力作用下等强度悬臂梁x处的挠度为：

$y\left(x\right)=\frac{\mathrm{fL}}{2E_1{I}_0}{x}^2---\left(4\right)$

f为外界作用在等强度悬臂梁51的x处的垂直向下的集中应力，E₁为材料的弹性模量，I₀＝b₀h³/12为0点处等强度悬臂梁51的横截面的惯性矩。

由式(4)可知等强度悬臂梁51的顶点处挠度最大：

$y=\frac{{\mathrm{fL}}^3}{2E_1{I}_0}=\frac{{6L}^3}{E_1{b}_0{h}^3}f---\left(5\right)$

等强度悬臂梁51的顶点处的应变为：

为了适应恶劣的环境，本实用新型传感器需要密封，以确保等强度悬臂梁51和光纤光栅的传感特性，所以采取了弹性膜片(第一弹性膜片521和第二弹性膜片522)密封结构。作为一个具体的例子，在该分析中第一弹性膜片521和第二弹性膜片522均采用周边固定的圆形膜片，其中圆形膜片的中心挠度y_c表达式为：

$y_c=\frac{3P(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{16E_2{t}^3}{R}^4---\left(7\right)$

可得膜片受压强P公式：

$P=\frac{16E_2{t}^3{y}_c}{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)R^4}---\left(8\right)$

式中μ为不锈钢膜片材料的泊松比，t为不锈钢膜片厚度，E₂为膜片材料的弹性模量，R为圆形膜片半径。本实施例中的测量压力差的光纤光栅压力传感器50的工作原理是：弹性膜片感受外界压力，并通过顶柱传递给等强度悬臂梁51，等强度悬臂梁51的形变带动光纤54的光纤光栅发生形变，这样由式(2)、(5)、(6)得等强度悬臂梁的顶点处挠度公式：

$y=\frac{L^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{(1-P_e)h{\mathrm{\λ}}_B}---\left(9\right)$

把式(6)代入式(2)中，得等强度悬臂梁单面受力f公式：

$f=\frac{b_0{h}^2{E}_1{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{6(1-P_e)L{\mathrm{\λ}}_B}---\left(10\right)$

对传感器50进行受力分析(如图8)，第一弹性膜片521和第二弹性膜片522有效受力面积相等且为S，受压力分别为P₁、P₂(取P₁＞P₂)，第一弹性膜片521形变力大小为f₁，第二弹性膜片522形变力大小为f₂，等强度悬臂梁51的形变力为f，则系统受力平衡公式为：

P₁S-P₂S-f₁-f₂-f＝0(11)

代入式(8)、(9)及(10)得：

$(P_1-P_2)S=f_1+f_2+f$

$\mathrm{\ΔPS}=2\mathrm{PS}+\frac{b_0{h}^2{E}_1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{6(1-P_e)L{\mathrm{\λ}}_B}$

$\mathrm{\ΔPS}=\frac{32E_2{t}^{3}y}{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)R^4}S+\frac{b_0{h}^2{E}_1{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{6(1-P_e)L{\mathrm{\λ}}_B}---\left(12\right)$

$\mathrm{\ΔP}=[\frac{32E_2{t}^3{L}^2}{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)(1-P_e)R^{4}h}+\frac{b_0{h}^2{E}_1}{6(1-P_e)\mathrm{LS}}]\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}$

式中ΔP为本实施例的传感器50的两侧压强差，为该传感器主要性能参数。

传感器50采用的是不锈钢膜片和铍青铜材料的等强度悬臂梁，设计了膜片厚度不同的两种传感器，第一弹性膜片521、第二弹性膜片522厚度为0.3mm的简称传感器I，第一弹性膜片521、第二弹性膜片522厚度为0.4mm的简称传感器II。式(12)各参数为：

(1)不锈钢膜片：弹性模量E₂＝206GPa、传感器I膜片厚度t＝0.3mm、传感器II膜片厚度t＝0.4mm、泊松比μ＝0.3、圆形膜片半径R＝14mm、膜片有效受力面积S＝7.85×10^-5m²(实验中砝码与传感器的接触面均为直径1cm的圆)；

(2)等强度悬臂梁51：底边b₀＝6mm、厚h＝0.4mm、弹性模量E₁＝128GPa、梁长L＝30mm；

(3)光纤光栅54：光纤有效弹光系数P_e＝0.22、传感器I光纤光栅中心反射波长λ_B＝1559.192nm、传感器II光纤光栅中心反射波长λ_B＝1555.099nm。

数据带入公式(12) $\mathrm{\ΔP}=[\frac{32E_2{t}^3{L}^2}{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)(1-P_e)R^{4}h}+\frac{b_0{h}^2{E}_1}{6(1-P_e)\mathrm{LS}}]\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}$ 得，

传感器I

$\mathrm{\ΔP}=4.907\×{10}^9\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}---\left(13\right)$

传感器II

$\mathrm{\ΔP}=11.62\×{10}^9\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}---\left(14\right)$

实验中传感器一侧空载，另一侧放置质量M不同的砝码(砝码与传感器的接触面均为直径1cm的圆)，由此产生不同的压强差ΔP，依据公式(13)和(14)以及光纤光栅中心反射波长数据，我们得到传感器波长信号与砝码质量的数学关系：

传感器I

λ＝-3.9668×10^-5M+1559.192(15)

传感器II

λ＝1.6707×10^-5M+1555.099(16)

其中M是实验中加力的砝码质量，单位为g，λ是传感器光纤光栅反射波长，单位为nm。

传感器的悬臂梁选用铍青铜材料的等强度悬臂梁51，传感器尺寸：长62mm，宽30mm，高12mm；对膜片厚度为0.3mm和0.4mm的两种传感器的技术性能分别进行测试，其载重和波长变化之间的关系如图9和图10。

由图9和图10可见，两传感器波长随压力差(载重)的变化呈较好的线性关系，符合理论公式(12)。可以看出传感器I在小于150N和大于1000N时线性度较差，在压力差1500N至10000N之间线性度和稳定性较好(即为该传感器的最佳工作范围)；图9直线的拟合曲线为：

λ＝-8.0×10^-5M+1559.654(17)

斜率-8.0×10^-5，为负值，说明实验中传感器的光纤光栅受力压缩；表1给出了该传感器的应变响应数据，由此可以看出该传感器性能良好，其负应变是光纤光栅受力被压缩的结果。

表1.传感器I对不同压力差的应变响应数据

压力/g	138.5	238.5	338.5	438.5	538.5	638.5	738.5	838.5	938.5	1038.5
											应力/με	-1.27	-9.50	-21.14	-26.96	-29.87	-35.69	-37.69	-40.90	-46.11	-48.82

传感器II曲线总体成直线，部分数据偏离，可见其灵敏度低，适合粗略测量压力差信号，不适合精密测量；图10直线的拟合曲线为：

λ＝1.0×10^-5M+1163.756(18)

斜率为1.0×10^-5，符号正值说明实验中该传感器的光纤光栅受力拉伸。

实验中还测定了传感器在水中施加不同流量水力冲击时应力和中心反射波长的变化曲线，发现传感器I的驰豫时间短，响应速度快，对压力以及流量有很好的线性响应，可用于精密动态测量；而传感器II的驰豫时间相当长(大于20秒)，适合静态粗略测量场合。

由式(15)与(17)及(16)与(18)比较可知，理论值和实验值有些区别(相应斜率不一致)，但是斜率差在误差范围之内，这也证明了该传感器的可靠性。其误差原因在于：未考虑光纤光栅的胶粘系数，以及不锈钢膜片加工不够精细等。

下面通过一个本实施例的光纤光栅压力传感器50的一个应用例，来进一步说明本实施例在测量压力差中的应用。

如图11所示，管道7破损后管道液体向外渗漏，可将灵敏度高的本实施例的光纤光栅传感器50放入，两个弹性膜片(第一弹性膜片521、第二弹性膜片522)正对漏洞71时，由于液体外漏，第二弹性膜片522受到液体冲击力，所以第一弹性膜片521和第二弹性膜片522所处同一环境中但受力不同，该光纤光栅传感器50便能感受出此压力差，从而可以进一步分析该漏洞71情况。

实施例2

如图12、图13为本实施例的光纤光栅传感器60的结构示意图。本实施例的基本结构和工作原理与实施例1相同，其与实施例1的主要区别在于，在本实施例中，仅设置有一个弹性膜片(例如仅具有第一弹性膜片621)，因而仅能测量压力信号，而不能测量压力差信号。

如图12、图13所示，本实施例的光纤光栅传感器60包括：悬臂梁61、第一弹性膜片62、第一顶柱63以及光纤64。其中，悬臂梁61具有第一端611和第二端612，第一端611固定，而第二端612处于悬臂状态；所述第一顶柱63与第一弹性膜片62固定连接，并朝向所述悬臂梁61伸出，该第一顶柱63的端部与所述悬臂梁61的第二端612的一侧相顶触，从而将第一弹性膜片62受到的径向压力传递给悬臂梁61；而光纤64具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁61上。使用时，悬臂梁61一侧的第一膜片62受到压力，该压力通过第一顶柱63传递给悬臂梁61的第二端612的一侧，压迫悬臂梁61的第二端612向另一侧移动，固定在悬臂梁61上的光纤光栅感知到悬臂梁61的该形变，输出信号发生变化，从而测量压力信号。

在本实施例中，由于是采用第一弹性膜片62和悬臂梁61来实现光纤64的光纤光栅的增敏的，第一弹性膜片62的尺寸可以做得很小，从而使得本实用新型的光纤光栅压力传感器60在光纤64受力方向的尺寸可以做得很薄，例如其厚度可薄到12mm，从而可以放置在狭小空间内，对狭小空间的压力进行测量。并且，本实施例的光纤光栅压力传感器60可以根据测量环境的需要，通过改变第一弹性膜片62和悬臂梁61的厚度来实现测量范围的改变，也可以通过增大第一弹性膜片62的尺寸来实现大面积的测量，从而使得其应用范围更为广泛。

如图12、图13所示，在本实施例的一个具体例子中，所述光纤光栅传感器60还包括有壳体65，该壳体65形成有容置腔650，并在壳体65外侧形成有第一安装槽651，所述的第一弹性膜片62周边密封安装在该第一安装槽651上。在该第一安装槽651的底部分别具有连通于所述容置腔650的第一通孔653；所述的悬臂梁61设置于所述壳体65的容置腔650内，该悬臂梁61的第一端611固定支撑在壳体65上，固定连接于第一膜片62的第一顶柱63穿过所述第一安装槽651底部的第一通孔653而与所述悬臂梁61的第二端612的一侧相顶触，从而将第一膜片62受到的径向压力传递给悬臂梁61的第二端612。

在本实施例的一个例子中，如图13所示，所述第一顶柱63上可设置有微型滚动轴承661，该第一顶柱63通过该微型滚动轴承661顶触于所述悬臂梁61的第二端612。这样，利用该微型滚动轴承661，在第一顶柱63受到横向力作用时，该第一顶柱63可以通过微型滚动轴承661在悬臂梁61上进行微小的滚动，从而极大地减少第一顶柱63与悬臂梁61之间的摩擦，提高在进行压力测量时的准确度。

在实施例的一个具体例子中，为了保证在测量范围内传感光纤光栅波长漂移的线性度，避免光纤光栅产生啁啾效应，如图5所示，所述的悬臂梁51可采用等强度悬臂梁，以提高测量灵敏度和准确度用该等强度悬臂梁。其中，如果变截面梁设计得使梁的各截面上的最大正应力都达到材料的许用应力值，则这样的梁就称为等强度梁。

在本实用新型的一个可选例子中，如图13所示，在所述壳体65的容置腔650内设置有支撑部656，所述悬臂梁61的第一端611支撑在该支撑部656上，一压块657压设在悬臂梁61的第一端611上，并通过紧固件658将压块657固定于支撑部656上(如图12所示)，从而将悬臂梁61的第一端611压紧固定在所述支撑部656上。在该例子中，与实施例1相类似，所述压块657上可设置有供光纤光栅穿过的穿槽6571(如图12所示)。

在本实施例的一个具体例子中，与实施例1相类似，所述的第一弹性膜片62以及壳体65可由不锈钢材料制成，所述的第一顶柱63可与第一弹性膜片62一体加工。所述的悬臂梁61可由铍青铜材料制成，该种材料的弹性模量相对小，形变恢复比较好。所述光纤64的光纤光栅可以粘贴固定在悬臂梁61上。

在实施例的一个具体例子中，如图13所示，所述的第一弹性膜片62的边缘可形成有环形凸缘部621，该环形凸缘部621的外侧与所述的第一安装槽651密封连接在一起，从而实现第一弹性膜片62与第一安装槽651的密封连接。

在本实施例中，由于是采用弹性膜片与悬臂梁来实现光纤光栅54的增敏的，不需要像现有的圆柱筒-活塞式光纤光栅压力传感器30和金属管组合式光纤光栅压力传感器40那样需要有相对运动，因而壳体65可以在安装完各部件后，形成为密封器件，从而使得本实用新型的光纤光栅传感器60对恶劣环境有很好的抗腐蚀性能。在本实施例中，为方便悬臂梁61与光纤光栅64在壳体65内的装配，所述壳体65包括主壳体681和封接于主壳体681端部的封盖682，在所述封盖682上形成有供所述光纤光栅64的尾纤通过的孔683，所述封盖682与尾纤之间采用聚合物密封，从而使得该光纤光栅传感器60在装配后形成为密封器件。

本实用新型的上述描述仅为示例性的属性，因此没有偏离本实用新型要旨的各种变形理应在本实用新型的范围之内。这些变形不应被视为偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (16)

1、一种光纤光栅压力传感器，其包括：

悬臂梁，具有第一端和第二端，其中第一端固定，而第二端处于悬臂状态；

第一弹性膜片，其固定连接有朝向所述悬臂梁的第一顶柱，该第一顶柱的端部与所述悬臂梁的第二端的一侧相顶触；

光纤，其具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁上。

2、如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的光纤光栅压力传感器还包括：第二弹性膜片，其与第一弹性膜片相对设置，并固定连接有朝向悬臂梁的第二顶柱，该第二顶柱与所述悬臂梁第二端上的与第一顶柱的一侧相对的另一侧相顶触。

3、如权利要求1或2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅压力传感器还包括有壳体，该壳体形成有容置腔，并在该壳体外侧上形成有第一安装槽，在该第一安装槽的底部具有连通于所述容置腔的第一通孔；所述的悬臂梁设置于所述壳体的容置腔内，该悬臂梁的第一端固定支撑在壳体上，所述的第一膜片周边密封安装在壳体的第一安装槽上，所述的第一顶柱穿过所述第一安装槽底部的第一通孔而与所述悬臂梁的第二端相顶触。

4、如权利要求3所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的壳体外侧与第一安装槽相对的位置上还设置有第二安装槽，在该第二安装槽的底部设有连通于所述容置腔的第二通孔；所述第二膜片周边密封安装在所述第二安装槽上，所述第二顶柱穿过所述第二通孔而与所述悬臂梁相顶触。

5、如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第一顶柱上设置有微型滚动轴承，所述第一顶柱通过该微型滚动轴承顶触于所述悬臂梁的第二端。

6、如权利要求2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第二顶柱上设置有微型滚动轴承，所述的第二顶柱通过该微型滚动轴承顶触于所述悬臂梁的第二端。

7、如权利要求1或2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的悬臂梁为等强度悬臂梁。

8、如权利要求1或2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的光纤光栅粘贴固定在所述悬臂梁上。

9、如权利要求3所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，在所述壳体的容置腔内设置有支撑部，所述悬臂梁的第一端支撑在该支撑部上，一压块压设在悬臂梁的第一端上，并通过紧固件固定于支撑部上，从而将悬臂梁的第一端压紧固定在所述支撑部上。

10、如权利要求9所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压块上设置有供所述光纤穿过的穿槽。

11、如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的第一弹性膜片由不锈钢材料制成。

12、如权利要求2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的第二弹性膜片由不锈钢材料制成。

13、如权利要求1或2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的悬臂梁由铍青铜材料制成。

14、如权利要求3所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，在本实用新型中，在所述的第一弹性膜片的边缘形成有环形凸缘部，该环形凸缘部的外侧与所述的第一安装槽密封连接在一起，从而实现第一弹性膜片与第一安装槽的密封连接。

15、如权利要求4所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，在所述的第二弹性膜片的边缘形成有环形凸缘部，该环形凸缘部的外侧与所述的第二安装槽密封连接在一起，从而实现第二弹性膜片与第二安装槽的密封连接。

16、如权利要求3所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述壳体包括主壳体和封接于主壳体端部的封盖，在所述封盖上形成有供所述光纤通过的孔，所述封盖与光纤之间采用聚合物密封。

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