CN202305097U - 一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，属于光纤传感技术领域。该传感器是以圆柱形腔体中的一个薄壁端面为感受压力的弹性敏感体，利用两个不同中心波长的光纤光栅分别检测薄壁表面中心区域的正应力和靠近边缘区域的径向负应力，并以两光纤光栅的波长差作为压力测量的传感信号，来实现对压力的测量。该传感器具有：结构简单、测量精度高、不受温度影响、抗电磁干扰、本质安全防爆、信号传输距离远、容易实现多点分布式测量等优点。能广泛应用于工业设备、石油化工、航空航天、土木工程、水利等领域液体和气体压力的静态和动态测量以及远距离长期实时在线监测。

Description

一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，属于光纤传感技术领域。 

背景技术

光纤光栅是近年来发展最为迅速的光纤无源器件之一，具有尺寸小、重量轻、本质安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、寿命长等一系列优点，在光纤传感技术领域备受青睐。光纤光栅传感器，能够实现对温度、应变、压力、振动、位移、电流等多物理量、多参数的测量和长期在线监测，得到了广泛的研究和应用。 

目前用于液体和气体压力测量和监测的大多是机械式和电类压力传感器。机械式压力传感器多用于单点压力测量，测量数据无法传输到计算机中进行分析处理；电类压力传感器抗电磁干扰能力差，无法在易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣环境下长期安全可靠工作，而且测量信号远距离传输困难。光纤光栅压力传感器克服了传统压力传感器的缺点，具有本质安全防爆，耐腐蚀，抗电磁干扰能力强，信号传输距离远，易于实现压力的多点分布式测量和长期在线监测等优点。 

现有的光纤光栅压力传感器大多将光纤光栅一端固定在膜片中心，另一端固定在基础件上，利用膜片在压力作用下产生的中心位移，使处于张紧状态的光纤光栅的中心波长发生变化，从而实现对压力的测量。例如郭明金等人，王俊杰等人以及龙品等人设计的传感器(参看文献“两种不同膜片的光纤光栅压力传感器的研究”，《激光技术》，2005年12月，29卷第6期；文献“基于平面圆形薄板结构的光纤FBG动态压力传感器”，《武汉理工大学学报》，2006年3月，28卷第3期；专利号为CN201020130014.2的实用新型“光纤光栅压力传感器”)，这一类型的传感器灵敏度高，能实现对静态和动态压力的测量，但存在光纤光栅固定困难，多个传感器之间无法串接，测量结果易受温度影响等缺点。张文涛等人设计的光纤光栅压力传感器，利用一个L型的杠杆机构将膜片的中心挠度转换为光纤光栅的轴向应变，提高传感器的灵敏度，同时避免了直接对光栅栅区进行封装引起的引力分布不均匀，但是其结构较复杂，装配困难，不具有温度补偿功能，测量结果受温度影响。王宏亮等人设计的温度补偿式光纤光栅温度压力传感器，能实现对温度和压力的同时测量，但由于测温度的光纤光栅和测压力的光纤光栅不是粘贴在同一区域，温度补偿效果不理想，此外由于空间狭小，导致光强存在弯曲损耗，不便于多个传感器之间的串接。Chunguang Lan等人设计的双光纤光栅的液体压力传感器，利用一顶杆将膜片的中心挠度转化为正反面贴有光纤光栅的等强度梁的端部挠度，该传感器解决了温度补偿问题，但是测量结果的重复性比较差，测量精度不高(“A High Reliable Liquid Pressure Sensor Based on Dual FBGs”，Pacific Science Review，2007，9(1)：92-96)。 

专利号为US20110190640A1的美国专利“Pressure Sensor with an Interferometric Sensor and an In-fiber Bragg Grating Reference Sensor”，是利用干涉型的F-P传感器测量压力，利用 光纤光栅做温度补偿，该传感器属于微型传感器，用于医疗领域，传感器不能复用。专利号为CN200810227868.X的中国专利“光纤光栅压力传感器”，是将弹性膜片和悬臂梁组合在一起，光纤光栅粘贴在悬臂梁上，该传感器可用于测量狭小空间的压力差信号，但该传感器结构复杂，而且测量结果易受温度影响。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有光纤光栅压力传感器存在的不足，提出了一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器。 

本实用新型的目的是通过如下措施达到的： 

本实用新型所涉及光纤光栅压力传感器的结构主要是一个密闭的圆柱形腔体。其中腔体的一个端面与侧壁和另一个端面相比较薄，对腔体内的压力敏感，用于感测压力，称为薄壁敏感面；另一端面上固定一个管道接头，用于与待测量管道连通。被测液体或气体通过管道接头进入圆柱形腔体内部，在压力载荷作用下，腔体一端的薄壁会产生变形，在薄壁的中心区域分布有正应力，而在薄壁边缘区域分布的径向应力为负。将两个不同中心波长的光纤光栅粘贴在薄壁的相应区域上，即其中一个光纤光栅粘贴在薄壁的中心位置，检测薄壁上的中心正应力，另一个光纤光栅沿径向粘贴在距薄壁中心点半径除以 

到薄壁边缘之间，检测薄壁上的径向负应力，以两个光纤光栅波长差作为测量压力的传感信号。由于温度变化引起的两个光纤光栅的波长漂移方向相同，差动式的测量信号消除了温度对压力测量结果的影响，同时还提高了传感器的测量分辨率。通过选用不同的材料以及改变薄壁的直径和厚度等参数，可以设计成不同量程和灵敏度的光纤光栅压力传感器，以满足实际应用中的不同需求。两个光纤光栅串接后，信号传输光纤通过壳体从两端保护输出。 

本实用新型具体为：一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，它主要由圆柱形腔体、壳体、一号光纤光栅、二号光纤光栅、管道接头、薄壁、端盖、保护接头组成，所述的薄壁为周边带垂直凸台圆盘形，所述的圆柱形腔体由所述的管道接头和薄壁周边的垂直凸台焊接为一体形成，所述的壳体与所述的圆柱形腔体之间连接固定，所述的端盖固定在所述的壳体上面，所述的一号光纤光栅和二号光纤光栅分别粘贴在所述的薄壁的表面上，所述的二号光纤光栅粘贴在所述的薄壁的中心区域，所述的一号光纤光栅沿径向粘贴在所述的薄壁边缘到距中心点半径的 之间的区域，所述的一号光纤光栅和二号光纤光栅串接后，其光纤光栅的信号传输光纤经过所述的保护接头从所述的壳体两端输出。 

本实用新型中，所述的壳体3与圆柱形腔体之间通过螺纹连接固定。 

本实用新型中，所述的端盖9用螺钉固定在所述的壳体上面。 

本实用新型中，所述的一号光纤光栅和二号光纤光栅通过胶黏剂分别粘贴在所述的薄壁的表面上。 

本实用新型中，所述的薄壁、壳体和端盖三者之间的圆柱形空间，安放所述的一号光纤光栅和二号光纤光栅，及所述的光纤光栅的信号传输光纤。 

本实用新型发明与现有的压力测量和监测技术相比具有如下突出特点： 

1.以两光纤光栅的波长差作为测量传感信号，消除了温度对测量结果的影响，同时提高了压力测量分辨率。 

2.保留了光纤光栅两端的信号传输光纤，多个传感器间串接方便，易于实现压力的多点分布式测量。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图 

图2为本实用新型的光纤光栅粘贴位置示意图 

图中：1-光缆，2-光纤，3-壳体，4-一号光纤光栅，5-圆柱形腔体，6-二号光纤光栅，7-管道接头，8-薄壁，9-端盖，10-保护接头，11-不锈钢管，12-胶黏剂。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体内容作进一步说明： 

本实用新型的结构如图1所示，传感器主要由圆柱形腔体5、壳体3、一号光纤光栅4和二号光纤光栅6、管道接头7、薄壁8、端盖9、保护接头10和不锈钢管11组成。薄壁8为周边带垂直凸台圆盘形，圆柱形腔体5是由管道接头7和薄壁8周边的垂直凸台焊接为一体形成的，壳体3与圆柱形腔体5之间通过螺纹连接固定，端盖9用螺钉固定在壳体3上面。壳体3、薄壁8和端盖9形成了一个圆柱形空间，用来安放和保护光纤光栅及信号传输光纤。 

两个光纤光栅通过胶黏剂12分别粘贴在薄壁8的表面上，其中二号光纤光栅6粘贴在薄壁8的中心区域，一号光纤光栅4沿径向粘贴在薄壁8边缘到距中心点半径的 

之间的区域，其具体粘贴位置如图2所示。被测液体或气体通过管道接头7进入圆柱形腔体5中，压力载荷作用于薄壁8上，使其产生变形，中心区域的二号光纤光栅6受到正应力作用，中心波长向增大的方向移动，边缘区域的一号光纤光栅4受到负应力作用，中心波长向减小的方向移动，以这两个光纤光栅波长差作为测量压力的传感信号，由于温度变化引起的两个光纤光栅的波长漂移方向相同，差动式的信号检测消除了温度对测量结果的影响，同时提高传感器的测量分辨率。一号光纤光栅4和二号光纤光栅6串接后，其光纤光栅及信号传输光纤2两端经过保护接头10和不锈钢管11进行保护输出。 

本实用新型传感器具有：结构简单、测量精度高、不受温度影响、抗电磁干扰、本质安全防爆、信号传输距离远、容易实现多点分布式测量等优点。能广泛应用于工业设备、石油化工、航空航天、土木工程、水利等领域液体和气体压力的静态和动态测量以及远距离长期实时在线监测。 

Claims (5)

1.一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，其特征在于，它主要由圆柱形腔体(5)、壳体(3)、一号光纤光栅(4)、二号光纤光栅(6)、管道接头(7)、薄壁(8)、端盖(9)、保护接头(10)组成，薄壁(8)为周边带垂直凸台圆盘形，所述的圆柱形腔体由管道接头(7)和薄壁(8)周边的垂直凸台焊接为一体形成，壳体(3)与圆柱形腔体(5)之间连接固定，端盖(9)固定在壳体(3)上面，一号光纤光栅(4)和二号光纤光栅(6)分别粘贴在薄壁(8)的表面上，二号光纤光栅(6)粘贴在薄壁(8)的中心区域，一号光纤光栅(4)沿径向粘贴在薄壁(8)边缘到距中心点半径的

之间的区域，所述的一号光纤光栅(4)和二号光纤光栅(6)串接后，其光纤光栅的信号传输光纤(2)经过保护接头(10)从壳体(3)两端输出。

2.如权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的壳体(3)与圆柱形腔体(5)之间通过螺纹连接固定。

3.如权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的端盖(9)用螺钉固定在壳体(3)上面。

4.如权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，其特征在于，一号光纤光栅(4)和二号光纤光栅(6)通过胶黏剂(12)分别粘贴在薄壁(8)的表面上。

5.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，其特征在于：薄壁(8)、壳体(3)和端盖(9)三者之间的圆柱形空间，安放一号光纤光栅(4)和二号光纤光栅(6)，及所述的光纤光栅的信号传输光纤(2)。

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