CN202974546U - 基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒，主要包括平膜片、外壳、应变传递装置、光纤光栅及光纤引出孔；所述的外壳的上端设有平膜片，外壳的下端设有两个光纤引出孔，所述的光纤光栅从一个光纤引出孔进，从另一个光纤引出孔出，所述的平膜片通过应变传递装置连接到光纤光栅；所述的应变传递装置有两个，对称设置于平膜片的下方，上面与平膜片接触，下面与光纤光栅接触。本实用新型的有益效果是：制作工艺简单，可实现完整的外部制作，降低产品成本；拓展性好，可通过改变应变传递装置臂长实现不同规格量程、不同精度的测量；可靠性高，重复性好。

Description

基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒

技术领域

本实用新型涉及工程量具，特别涉及一种用于小量程、高灵敏度的基于杠杆原理的FBG压力测量。

背景技术

光纤光栅以其抗干扰能力强、电绝缘性能好、耐腐蚀、体积小、传输损耗小等独特的优势越来越受到重视。但是裸光栅的压力敏感系数仅仅为3pm/Mpa，这并不能满足普通压力测量的灵敏度的要求。

专利（CN101206150A）公开了一种基于膜片挠度的光纤压强传感器，包括：一支撑筒，该支撑筒的下端为用于感受压强的膜片，其侧壁开有两圆孔；一光纤光栅，该光纤光栅安装于支撑筒内，其两端穿过支撑筒侧壁的两圆孔，用于测量压强；一端盖，该端盖安装在支撑筒的上端，以密封该支撑筒；一杠杆，该杠杆概似一L形，该杠杆通过一轴平行于光纤光栅安装于支撑筒内部的中间，该杠杆的一端与膜片的中心点接触，该杠杆的另一端有一凸起，该杠杆用于传递压强。但是其传感器结构中的杠杆及弹簧组成的应变传递结构中弹簧与传感器外壳内壁相连，这加大了传感器加工难度，亦有可能增加传感器制作成本。本实用新型所涉及传感器制作工艺简单，可实现完整的外部制作，降低产品成本。

实用新型内容

本实用新型针对裸光栅压力敏感系数低下的问题，结合平面膜片及杠杆结构两种光栅增敏提出一种基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒。

为实现上述目的本实用新型采用的方案为：

基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒，主要包括平膜片、外壳、应变传递装置、光纤光栅及光纤引出孔；所述的外壳的上端设有平膜片，外壳的下端设有两个光纤引出孔，所述的光纤光栅从一个光纤引出孔进，从另一个光纤引出孔出，所述的平膜片通过应变传递装置连接到光纤光栅；所述的应变传递装置有两个，对称设置于平膜片的下方，上面与平膜片接触，下面与光纤光栅接触。

所述的两个应变传递装置之间设有一个弹簧。

所述的两个应变传递装置为两个铰接在一起的概似L型的杠杆。

所述的应变传递装置通过支架与外壳相连。

平膜片及应变传递装置主要的功能是实现光纤光栅压力敏感系数的增大。光纤引出孔的主要作用为实现光纤的引出及压力盒的组网。

所述的基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：通过光纤光栅解调装置，检测光纤光栅中心波长的变化量Δλ_B.。

步骤2：推倒Δλ_B与光纤光栅轴向应变ε_λ之间的数学关系，关系式为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε_λ

式中P_e为光纤光栅的有效弹光系数，λ_B为光纤光栅中心波长。

步骤3：推倒膜片中心处应变ε与光纤光栅轴向应变ε_λ之间的数学关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{L1}{L2}\·\frac{\mathrm{\ϵ}}{\cos \mathrm{\θ}}$

式中θ膜片中心处应变ε与应变传递装置转动应变ε₁之间的夹角，L1为应变传递装置上臂长度，L2为应变传递装置下臂长度。

步骤4：推倒膜片中心处应变ε与外界压强P之间的对应关系为：

$\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_t{|}_{r=0}=\frac{3p}{{8\mathrm{Eh}}^2}(1-{\mathrm{\υ}}^2)(R^2-r^2)=\frac{{3\mathrm{pR}}^2(1-{\mathrm{\υ}}^2)}{{8\mathrm{Eh}}^2}$

式中：p为膜片所受外界压力，E为膜片的弹性模量，u为泊松比，h为厚度，R为膜片半径，r为距离膜片中心距离。

步骤5：根据1-4得光纤光栅中心波长变化量与外界压强P之间的数学关系表达式为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B={\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)\·\frac{L1}{L2}\·\frac{1}{\cos }\·\frac{{3R}^2(1-{\mathrm{\υ}}^2)}{{8\mathrm{Eh}}^2}\·P=K_P\·P$

式中K_P为该压力盒的压力敏感系数。

步骤6：重复上述步骤，即可得到外界压强P的实时数值。

本实用新型的有益效果是：制作工艺简单，可实现完整的外部制作，降低产品成本；拓展性好，可通过改变应变传递装置臂长实现不同规格量程、不同精度的测量；可靠性高，重复性好。

附图说明

图1为该压力盒的剖视图；

图2为支架3的俯视图；

图3为应变传递装置的工作原理示意图。

图中：1-平膜片，2-外壳，3-支架，4-应变传递装置，5-弹簧，6-光纤光栅，7-光纤引出孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

本实用新型主要包括平膜片1、外壳2、应变传递装置4、光纤光栅6及光纤引出孔4；所述的外壳2的上端设有平膜片1，外壳1的下端设有两个光纤引出孔7，所述的光纤光栅6从一个光纤引出孔7进，从另一个光纤引出孔7出，所述的平膜片1通过应变传递装置4连接到光纤光栅6；所述的应变传递装置4有两个，对称设置于平膜片的下方，上面与平膜片1接触，下面与光纤光栅6接触。两个应变传递装置4之间设有一个弹簧5。两个应变传递装置4概似L型。应变传递装置4通过支架3与外壳2相连。

本实用新型是通过平膜片1将外界压强P转换为膜片中心处的应变值ε。进而通过应变转换装置将膜片应变值ε放大后转换为光纤光栅的应变ε_λ。检测光纤光栅的中心波长的变化Δλ_B，适当地计算之后即可得出外界压强P的大小。具体步骤如下：

步骤1：通过光纤光栅解调装置，检测光纤光栅中心波长的变化量Δλ_B.。

步骤2：由光纤光栅基础知识的得到Δλ_B与光纤光栅轴向应变ε_λ之间的数学关系为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε_λ

式中P_e为光纤光栅的有效弹光系数，λ_B为光纤光栅中心波长。

步骤3：由附图3得出膜片中心处应变ε与光纤光栅轴向应变ε_λ之间的数学关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{L1}{L2}\·\frac{\mathrm{\ϵ}}{\cos \mathrm{\θ}}$

式中各个参数的含义见附图3所示；

步骤4：由元器件设计基础得出膜片中心处应变ε与外界压强P之间的对应关系为：

$\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_t{|}_{r=0}=\frac{3p}{{8\mathrm{Eh}}^2}(1-{\mathrm{\υ}}^2)(R^2-r^2)=\frac{{3\mathrm{pR}}^2(1-{\mathrm{\υ}}^2)}{{8\mathrm{Eh}}^2}$

式中：p为膜片所受外界压力，E为膜片的弹性模量，u为泊松比，h为厚度，R为膜片半径，r为距离膜片中心距离。

步骤5：整理上述步骤1-4可得光纤光栅中心波长变化量与外界压强P之间的数学关系表达式为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B={\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)\·\frac{L1}{L2}\·\frac{1}{\cos }\·\frac{{3R}^2(1-{\mathrm{\υ}}^2)}{{8\mathrm{Eh}}^2}\·P=K_P\·P$

式中K_P为该压力盒的压力敏感系数。由上式可以看出，该压力盒在光纤光栅中心波长的变化量Δλ_B与外界压强P具有良好的线性关系。

步骤6重复上述步骤，即可得到外界压强P的实时数值。

Claims (4)

1.基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒，主要包括平膜片、外壳、应变传递装置、光纤光栅及光纤引出孔；其特征在于：所述的外壳的上端设有平膜片，外壳的下端设有两个光纤引出孔，所述的光纤光栅从一个光纤引出孔进，从另一个光纤引出孔出，所述的平膜片通过应变传递装置连接到光纤光栅；所述的应变传递装置有两个，对称设置于平膜片的下方，上面与平膜片接触，下面与光纤光栅接触。 

2.如权利要求1所述的基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒，其特征在于：所述的两个应变传递装置之间设有一个弹簧。 

3.如权利要求1所述的基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒，其特征在于：所述的两个应变传递装置为两个铰接在一起的L型的杠杆。 

4.如权利要求1所述的基于杠杆原理的布拉格光栅压力盒，其特征在于：所述的应变传递装置通过支架与外壳相连。 

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