CN203163913U - 具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器 - Google Patents

具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器 Download PDF

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蔡安
常晓东
甘太国
王丹
董雷
印新达
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Abstract

本实用新型提供一种具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，它包括膜片、光纤光栅和毛细金属管；其中光纤光栅由一根光纤上设置第一光栅和第二光栅构成，第一光栅的中心波长比第二光栅的中心波长小；毛细金属管包括第一毛细金属管和第二毛细金属管，其中第一毛细金属管包覆在第一光栅外侧，第二毛细金属管包覆在光纤外侧并使得第二光栅位于第一毛细金属管和第二毛细金属管之间，第二毛细金属管的外端与膜片内侧连接，膜片外侧与外界接触。本实用新型通过设置第一光栅和第二光栅，具有温度补偿结构，以及温度光栅实时修正，测量精度高；毛细金属管的受热膨胀不导致光纤光栅被拉断，使用寿命长。

Description

具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器
技术领域
本实用新型属于传感器领域，尤其是一种具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器。
背景技术
工程上常用的压力测量方法主要有液柱式、电测式和机械式。液柱式压力计是利用流体静力学原理，用液柱高度表示相应压力，但量程受到液体密度的限制以及只能以垂直安装方式等缺点已趋于淘汰；电测式压力计的原理是将压力信号转变成为某种电信号，动态响应好，灵敏度高，不足之处在于测量准确度易受到温度的影响；机械式压力计主要原理是弹性元件在压力的作用下变形产生位移或应变，经机械机构放大转变为可读的压力值，具有价格低廉，量程宽，精度高等优点，但不适用于做瞬态或脉动压力的测量使用中。
光纤光栅传感器作为一种新型的无源传感器件，一经提出就凭借其绝缘性好、精度高、抗电磁干扰以及波长编码等优势在多领域的高压、高温和安全性能检测中得到了广泛的应用。通过不同的封装形式，使其能够测量压力、温度以及其它一些物理参量。正是由于光纤光栅对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅波长的位移，使得通过测量光纤光栅波长位移量无法对温度与应变加以区分，这种温度-应变交叉敏感效应严重影响着光纤光栅在传感领域的应用。因此，解决交叉敏感问题对于光纤光栅的实际应用具有十分重要的意义。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，克服温度、应变交叉敏感问题。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：它包括膜片、光纤光栅和毛细金属管；其中光纤光栅由一根光纤上设置第一光栅和第二光栅构成，第一光栅的中心波长比第二光栅的中心波长小；毛细金属管包括第一毛细金属管和第二毛细金属管，其中第一毛细金属管包覆在第一光栅外侧，第二毛细金属管包覆在光纤外侧并使得第二光栅位于第一毛细金属管和第二毛细金属管之间，第二毛细金属管的外端与膜片内侧连接，膜片外侧与外界接触。
按上述方案，它还包括保护套管和连接件，保护套管通过连接件与所述膜片连接；保护套管包括外套管和内套管，所述的光纤光栅和毛细金属管设置在内套管中，内套管设置在外套管中。
进一步的，所述的内外套管之间通过所述的连接件连接。
进一步的，所述的内套管与第二毛细金属管之间通过激光焊接固定。
按上述方案，所述的毛细金属管与光纤光栅连接处通过粘结固定。
按上述方案，所述的膜片外侧连接有顶部件，顶部件与膜片外侧组成一个用于容纳被测液体的腔体。
按上述方案，所述的膜片设有硬心，硬心上设有用于固定第二毛细金属管的管孔，管孔与所述的第二毛细金属管通过激光焊接固定。
按上述方案，所述的第一光栅的中心波长与第二光栅的中心波长的差大于或等于2nm。
本实用新型的有益效果为：
1、通过设置第一光栅和第二光栅，具有温度补偿结构，以及温度光栅实时修正，测量精度高；毛细金属管的受热膨胀不导致光纤光栅被拉断，使用寿命长。
2、通过设置保护套管，使传感器得到进一步的保护。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的结构示意图。
图2为光纤光栅与内套管之间的结构示意图。
图中：1-第一光栅，2-第二光栅，3-内套管，4-第一毛细金属管，5-第二毛细金属管，6-粘胶点，7-硬心，8-膜片，9-腔体，10-顶部件，11-连接件，12-光纤，13-外套管。
具体实施方式
为进一步说明本实用新型的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细的描述。
图1为本实用新型一实施例的结构示意图，图2为光纤光栅与内套管之间的结构示意图，它包括膜片8、光纤光栅和毛细金属管；其中光纤光栅由一根光纤12上设置第一光栅1和第二光栅2构成，第一光栅1的中心波长比第二光栅2的中心波长小；毛细金属管包括第一毛细金属管4和第二毛细金属管5，其中第一毛细金属管4包覆在第一光栅1外侧，第二毛细金属管5包覆在光纤12外侧并使得第二光栅2位于第一毛细金属管4和第二毛细金属管5之间，第二毛细金属管5的外端与膜片8内侧连接，膜片8外侧与外界接触。
它还包括保护套管和连接件11，保护套管通过连接件11与所述膜片8连接；保护套管包括外套管13和内套管3，所述的光纤光栅和毛细金属管设置在内套管3中，内套管3设置在外套管13中。所述的内外套管之间通过所述的连接件连接；内套管3与第二毛细金属管5之间通过激光焊接固定；所述的毛细金属管与光纤光栅连接处通过粘结固定，本实施例中第一光栅1与第一毛细金属管4之间的粘胶点6用353ND胶固定，光纤12与第二毛细金属管5之间用353ND胶固定。
所述的膜片8外侧连接有顶部件10，顶部件10与膜片8外侧组成一个用于容纳被测液体的腔体9。所述的膜片8由3Cr13加工而成，它设有硬心7，硬心7上设有用于固定第二毛细金属管的管孔，管孔与所述的第二毛细金属管5通过激光焊接固定。当液体对感压元件（即膜片）产生压力，导致膜片发生轴向的位移，根据位移连续性定理，光纤光栅将发生形变，从而测得压力。通过设计不同的膜片厚度，可以设计出不同灵敏度不同量程的压力传感器。
本实施例是在一根光纤上间隔50mm制作两个不同波长的光栅，第一光纤光栅的中心波长为小波长，第二光纤光栅的中心波长为大波长，且两者的大小相差至少为2nm，以免两者的中心波长随外界温度或压力变化而导致波长重叠。第一光栅被封装在第一毛细金属管内处于自然伸直状态，因而第一光栅只受温度影响而不受外力的影响；第二光纤光栅置于第一毛细金属管与第二毛细金属管之间，第一、二毛细金属管的长度分别为L2，L3，膨胀系数为α2，由于温度上升，它们的伸缩方向刚好和膨胀系数为α1（小于α2）长度为L1的内套管的膨胀作用相反，使内套管由于温度引起的膨胀量等于毛细金属管有温度引起的膨胀量时，即可实现温度补偿，即满足：
L1*α1=（ L2+ L3）*α2，
外界温度的变化使得第二光栅温度特性为裸光栅温度特性，同时串入的第一光栅进行温度实时修正，进一步减小温度对压力测试精度的影响。
在使用时，该传感器的左端装上FC/APC的尾纤保护套，用来密封传感器。
经湖北省计量测试技术研究院按检定标准《JJG860-94》鉴定此压力传感器达到1级精度。

Claims (8)

1.一种具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：它包括膜片、光纤光栅和毛细金属管；其中光纤光栅由一根光纤上设置第一光栅和第二光栅构成，第一光栅的中心波长比第二光栅的中心波长小；毛细金属管包括第一毛细金属管和第二毛细金属管，其中第一毛细金属管包覆在第一光栅外侧，第二毛细金属管包覆在光纤外侧并使得第二光栅位于第一毛细金属管和第二毛细金属管之间，第二毛细金属管的外端与膜片内侧连接，膜片外侧与外界接触。
2.根据权利要求1所述的具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：它还包括保护套管和连接件，保护套管通过连接件与所述膜片连接；保护套管包括外套管和内套管，所述的光纤光栅和毛细金属管设置在内套管中，内套管设置在外套管中。
3.根据权利要求2所述的具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的内外套管之间通过所述的连接件连接。
4.根据权利要求2所述的具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的内套管与第二毛细金属管之间通过激光焊接固定。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的毛细金属管与光纤光栅连接处通过粘结固定。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的膜片外侧连接有顶部件，顶部件与膜片外侧组成一个用于容纳被测液体的腔体。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的膜片设有硬心，硬心上设有用于固定第二毛细金属管的管孔，管孔与所述的第二毛细金属管通过激光焊接固定。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的具有温度补偿的膜片型光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的第一光栅的中心波长与第二光栅的中心波长的差大于或等于2nm。
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