CN202255738U - 新型光纤光栅温度压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型光纤光栅温度压力传感器，其包括压力盒、光纤、测压光纤光栅、测温光纤光栅(10)和悬梁臂(8)，光纤上串接有测压光纤光栅和测温光纤光栅(10)，其中测压光纤光栅粘贴在悬梁臂(8)的表面，测温光纤光栅(10)贴于压力盒内壁上，悬梁臂(8)设于压力盒内部，其一端与顶杆(9)紧密接触，顶杆(9)设于压力盒内壁。本实用新型解决了传感器无法串联的问题，可实现高精度、大范围分布式测量。

Description

新型光纤光栅温度压力传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感领域温度与压力传感技术，尤其涉及一种高精度光纤光栅温度压力传感器。 

背景技术

近年来光纤传感，尤其是光纤光栅传感以其本质安全、抗干扰能力强、耐腐蚀、无源无电监测和分布式大范围测量等优点，越来越为人们所重视。这种传感器的工作原理是把待测参量转换为光纤光栅布拉格波长的变化，通过监测光纤光栅的波长变化即可获知待测参量的值。 

在石油、天然气管道、化工、能源等场所的生产和运输过程中，需要对管道内液体的压力、温度等参数进行实时监测。但目前主要使用的是传统的电类压力、温度传感器，由于电信号远距离传输不方便，需要在井下增加许多二次仪表、中继站和电源等设备，传输成本高；同时这类仪表无法在高温、高压、腐蚀、地磁和电干扰等恶劣环境下长期可靠的运行，难以满足实际工程测量和生产的需要。因此光纤光栅温度压力传感器日益得到青睐。 

目前大多数光纤光栅压力传感器采用悬浮式设计(可参见中国专利CN 200710051243.8、CN 200810010926.3、CN 200810014386.6)，其结构简图如图1所示：1.光纤光栅，2.光纤输出端口，3.薄片。其原理为：外界压力通过薄片使光纤光栅张拉或收缩，引起光纤光栅反射波长的变化，解调反射波长变化即可得外界压力的变化。但这种传感器的灵敏度较低，测量精度不易控制。尤其是这种方式无法串联，失去了光纤光栅传感器可进行分布式测量的优势。此外由于光纤光栅存在温度和压力交叉敏感，悬浮式传感器设计需要从结构上考虑压力传感光栅的温度补偿，增加了传感器的加工精度要求和难度。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种可串联分布式放置、压力量程和精度易于调整的新型光纤光栅温度压力传感器，其适用于管道内液体的温度和压力实时测量。 

本实用新型所采用的技术方案是：新型光纤光栅温度压力传感器，包括压力盒、光纤、测压光纤光栅、测温光纤光栅和悬梁臂，光纤上串接有测压光纤光栅和测温光纤光栅，其中测压光纤光栅粘贴在悬梁臂的表面，测温光纤光栅贴于压力盒内壁上，悬梁臂设于压力盒内部，其一端与顶杆紧密接触，顶杆设于压力盒内壁。 

所述的传感器，测压光纤光栅包括上表面光纤光栅和下表面光纤光栅，二者分别粘贴在悬梁臂的上下表面。 

所述的传感器，压力盒包括下端开口的金属外封装件和设于其内下部的金属薄片，测温光纤光栅贴于金属薄片的内表面，顶杆设于金属薄片的内表面中心上。 

所述的传感器，光纤的两端分别为引入压力盒内部的光纤入端和引出压力盒的光纤出端。 

所述的传感器，金属外封装件的下端开口处还设有阀门。 

本实用新型传感器具有以下突出特点： 

1.本质安全防爆； 

2.双光纤光栅测压精度高； 

3.可串联，实现大范围分布式测量。 

附图说明

图1是传统悬浮式光纤光栅压力传感器示意图。 

图2是本实用新型结构图。 

图3是本实用新型系统配置图。 

图4是本实用新型测得的压力曲线。 

其中，1：光纤光栅；2：光纤输出端口；3：薄片；4：光纤入端；5：光纤出端；6：上表面光纤光栅；7：下表面光纤光栅；8：悬梁臂；9：顶杆；10：测温光纤光栅；11：金属薄片；12：金属外封装件；13：阀门。 

具体实施方式

本实用新型中，采用一对光纤光栅分别粘贴在悬臂梁同一位置的上下表面，基于悬臂梁上下表面的温度梯度相同，且由温度而导致的热应力产生的变形也相同，该新型光纤光栅温度压力传感器可以抵消温度对其影响，使其测量精度提高一倍。同时将测温光纤光栅表贴于金属内壁表面，从而实现对管道内流体压力及温度的同步监测，该实用新型解决了传感器无法串联的问题，可实现高精度、大范围分布式测量。 

本实用新型是一种高精度光纤光栅温度压力传感器，其结构如图2所示。 

本实用新型采用悬臂梁测压设计，包括光纤入端4，光纤出端5，悬臂梁上表面的光纤光栅6，悬臂梁下表面的光纤光栅7，悬臂梁8，顶杆9，光纤光栅10，金属薄片11，金属外封装件12，阀门13。 

其中光纤光栅6和光纤光栅7分别粘贴在悬臂梁8的上下表面上，并在粘贴中施加相同预应力。 

其中光纤光栅10呈自由状态贴着金属内壁，两端用胶粘贴在内壁上，并在中间涂上导热硅脂。 

其中金属薄片11为高韧性、高屈服强度的不锈钢；悬臂梁8选用高屈服强度，表面做了防锈处理的弹簧钢。 

其中金属薄片11和金属外封装件12为圆柱形，顶杆9在金属薄片11圆心。 

将测温光纤光栅10粘于金属内壁靠下的部位，光纤光栅10两端用胶固定，中间处于自由放松状态并用导热硅胶覆盖； 

将光纤光栅6，7施加预应力后粘贴在悬臂梁8上下表面相同位置，旋转顶杆9预紧悬臂梁至一定变化量； 

入射光经光纤入端4进入悬臂梁上表面的光纤光栅6，再到光纤光栅10，接着到悬臂梁下表面光纤光栅7，最后到光纤出端5；如此可进入下一个传感器形成多个传感器串联，如图3所示。 

待测管道内的液体作用于压力盒内的金属薄片11上，作用力F通过顶杆传递给悬臂梁8， 由于顶杆将金属薄片11中心与悬臂梁8刚性连接，所以悬臂梁8距固支点a处挠度等于金属薄片11中心的挠度，可得到顶杆9中的集中力F为 

$F=q\frac{R^4/\left(64D\right)}{a^3/\left(3E{I}_z\right)+R^2/\left(16\mathrm{\πD}\right)}$

即 

F＝qA 

其中 $A=\frac{R^4/\left(64D\right)}{a^3/\left(3E{I}_z\right)+R^2/\left(16\mathrm{\πD}\right)}$

其中q为压力载荷，R为金属薄片的半径，D为金属薄片得柱面抗挠度，I_z为悬臂梁的惯性矩，E为悬臂梁材料的弹性模量。 

当悬臂梁受集中力F作用时，在距固支点x处的悬臂梁弯矩方程为 

M(x)＝F(a-x) 

距固支点x处的悬臂梁上、下表面的应变公式为： 

$\mathrm{\ϵ}\left(x\right)=m\frac{M\left(x\right)}{E{I}_z}\frac{h}{2}$

其中h分别为悬臂梁的厚度。 

可得 

$\mathrm{\ϵ}\left(x\right)=m\frac{F(a-x)}{E{I}_z}\frac{h}{2}=m\frac{\mathrm{qA}(a-x)}{E{I}_z}\frac{h}{2}$

可见悬臂梁上下表面的应变与管道内的流体压力存在一定的关系，因此通过测量悬臂梁上下表面的应变可以计算出管道内的流体压力。 

同时通过选取不同弹性模量的材料和材料厚度，可以实现不同的光纤光栅压力测量范围和精度。 

当阀门13开启时，待测管道内的液体进入，并在金属薄片11上产生压力作用，该压力使顶杆9向上运动，使悬臂梁上表面光纤光栅6压缩，悬臂梁下表面光纤光栅7拉伸。通过测量悬臂梁上表面光纤光栅6及下表面光纤光栅7的布拉格反射波长的变化量，可解调出当前液体压力，同时，利用解调光纤光栅10的布拉格反射波长的变化量，检测出金属薄片11的温度，即待测管道内的液体温度。 

系统检测原理如图4所示，由控制室中解调仪的宽带光源发出的光进入每一路的传感器中，当待测管道中液体压力变化时，传感器中光纤光栅6、7的布拉格反射波长随之发生变化，当待测管道中的液体温度发生变化时，传感器中的光纤光栅10的布拉格反射波长发生变化，通过对反射回解调仪的光信号的解调及连接的上位机分析计算，得出待测管道内的液体压力 值和实时温度值。典型的待测液体压强与波长变化测试曲线如图4所示。 

本实用新型光纤光栅压力传感器可实现测压精度高，可串联，可生产中维修和更换，极大的扩展了其使用领域。 

Claims (5)

1.新型光纤光栅温度压力传感器，其特征在于：包括压力盒、光纤、测压光纤光栅、测温光纤光栅(10)和悬梁臂(8)，光纤上串接有测压光纤光栅和测温光纤光栅(10)，其中测压光纤光栅粘贴在悬梁臂(8)的表面，测温光纤光栅(10)贴于压力盒内壁上，悬梁臂(8)设于压力盒内部，其一端与顶杆(9)紧密接触，顶杆(9)设于压力盒内壁。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：测压光纤光栅包括上表面光纤光栅(6)和下表面光纤光栅(7)，二者分别粘贴在悬梁臂(8)的上下表面。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：压力盒包括下端开口的金属外封装件(12)和设于其内下部的金属薄片(11)，测温光纤光栅(10)贴于金属薄片(11)的内表面，顶杆(9)设于金属薄片(11)的内表面中心上。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：光纤的两端分别为引入压力盒内部的光纤入端(4)和引出压力盒的光纤出端(5)。

5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：金属外封装件(12)的下端开口处还设有阀门(13)。 

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