CN203519239U - 一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器，属于光电子测量器件技术领域。本实用新型包括进压口、承压活塞、上支撑架、压力导杆、菱形传压结构、上弹性钢片、下弹性钢片、温补光纤Bragg光栅、下支撑架、光纤Bragg光栅、导出光纤、引出孔；上支撑架的中间连接承压活塞，承压活塞的底部连接压力导杆的一端，其另一端与菱形传压结构的上端相连，上下弹性钢片对称固定在菱形传压结构的上半部和下半部，温补光栅的一端与上支撑架相连，下支撑架与菱形传压结构的下端相连，光栅粘贴在上下弹性钢片上，光栅的导出光纤通过引出孔引出。本实用新型具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力；结构简单，便于操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器，属于光电子测量器件技术领域。
背景技术
由于开采深度的延伸和开采范同的扩大，矿井生产向纵深发展，水患威胁日益严重，防治任务更加艰巨，矿井水灾严重威胁煤矿安全生产和矿井的生命安全，对煤矿水害的预测与防治研究已经被提高到越来越重要的地位。承压水的压力是研究和预测突水问题最重要参量，所以对它的实时监测是预测突水事故的重要依据。电类传感技术目前在矿井地质灾害监测中应用较多，发挥了极为重要的作用，但是由于电类传感器是有源器件，防水性能差、长期稳定性能与抗腐蚀性能较差，在地下工程复杂环境下长期使用易损坏或发生零漂等现象，严重影响了监测信息的有效性、稳定性与置信度。光纤传感器有抗电磁干扰、防水性能强、动态范围宽、灵敏度高、便于组网、可实现分布式测量等优点，为实现矿井灾害监测与预测提供了可行的途径。
通过采用光纤Bragg光栅渗压传感器对环境渗压进行实时在线监测时，需要考虑光纤Bragg光栅渗压传感器的构成，及如何安装来实现测量时对光纤的保护问题。
发明内容
本实用新型提供了一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器，以用于解决对渗压的实时在线监测时光纤Bragg光栅渗压传感器的结构、安装问题。
本实用新型的技术方案是：一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器，包括进压口1、承压活塞2、上支撑架3、压力导杆4、菱形传压结构5、上弹性钢片6、下弹性钢片7、温补光纤Bragg光栅8、下支撑架9、光纤Bragg光栅10、导出光纤11、引出孔12；其中进压口1分布在传压仓中，上支撑架3、下支撑架9焊接在外壳上，上支撑架3的中间连接承压活塞2，承压活塞2的底部连接压力导杆4的一端，压力导杆4的另一端与菱形传压结构5的上端相连，上弹性钢片6、下弹性钢片7对称固定在菱形传压结构5的上半部和下半部，温补光纤Bragg光栅8的一端与上支撑架3相连，下支撑架9与菱形传压结构5的下端相连，光纤Bragg光栅10粘贴在上弹性钢片6、下弹性钢片7上，温补光纤Bragg光栅8、光纤Bragg光栅10的导出光纤11通过位于下支撑架9的引出孔12引出并与外接光缆相连接。
所述引出孔12使用环氧树脂进行密封。
本实用新型的工作原理是：
承压活塞2把压力仓中的渗压通过压力导杆4传递给菱形传压结构5，菱形传压结构5拉动弹性钢片的两端，带动粘贴在弹性钢片上的Bragg光栅10拉伸，将被测环境渗压的检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，上下对称的测量有助于提高测量精度，与上支撑架相连的松弛温补光纤Bragg光栅8用于温度补偿；温补光纤Bragg光栅8、光纤Bragg光栅10的导出光纤11通过位于下支撑架9的引出孔12与外接光缆相连接，使用环氧树脂对引出孔12进行密封，构成活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器。
本实用新型的数学模型分析如下：
传压杆传递给菱形传压结构的力为F，菱形传压结构的受力方程是：
式中：
为作用到菱形传压结构5左连接节点水平向左方向的力，
为菱形传压结构5的左上杆与垂直方向的夹角。
以菱形传压结构5上连接节点为支点的力矩平衡方程：
F 1 L 1= F 2 L 2 （2）
式中：F 2为弹性钢片对菱形传压结构5反作用拉力，L 1、L 2分别为F 1、F 2的力矩，把（1）式带入（2）式得：
（3）
令渗压为P，活塞面积为S则：
将（4）带入（3）得：
菱形传压结构5对弹性钢片的拉力为F’ 2，F’ 2与F 2是一对作用力与反作用力：
F’ 2= F 2 （6）
弹性钢片的弹性模量为E，横截面积为，长度为l，变形量为△l：
将（5）、（6）式带入（7）式得：
弹性钢片的横向应变为：
将（9）式带入（8）式得：
粘贴在弹性钢片上的光纤Bragg光栅10随弹性钢片拉伸，若测量过程中温度变化了ΔT，则应变和温度引起的光纤Bragg光栅的波长移位量
为：
式中：为应变敏感系数；
为温度敏感系数；
为横向应变变化量；ΔT为温度变化量；
为光纤Bragg光栅10的中心波长。通过温补光栅确定ΔT，在公式（11）中消除温度的影响，可得：
将（12）、（9）式带入（8）式得：
式（13）表明了被测环境渗压P与光纤Bragg光栅波长移位
之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出被测环境的渗压。
本实用新型的有益效果是：
1、通过承压活塞和压力导杆传递给菱形传压结构的压力被转化为对粘贴在弹性钢片上的Bragg光栅拉伸作用，光纤Bragg光栅波长移位与被测环境的渗压具有线性关系。
2、调整菱形传压结构顶部夹角和弹性钢片的焊接位置以及承压活塞的横截面积都可改变传感器的测量灵敏度。
3、此渗压传感器本身不带任何电信号，可适用于易燃易爆等高危环境中的渗压检测。
4、通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力；
5、结构简单，便于操作。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型中菱形传压结构的局部示意图；
图中各标号：1为进压口、2为承压活塞、3为上支撑架、4为压力导杆、5为菱形传压结构、6为上弹性钢片、7为下弹性钢片、8为温补光纤Bragg光栅、9为下支撑架、10为光纤Bragg光栅、11为导出光纤、12为引出孔。
具体实施方式
实施例1：如图1-2所示，一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器，包括进压口1、承压活塞2、上支撑架3、压力导杆4、菱形传压结构5、上弹性钢片6、下弹性钢片7、温补光纤Bragg光栅8、下支撑架9、光纤Bragg光栅10、导出光纤11、引出孔12；其中进压口1分布在传压仓中，上支撑架3、下支撑架9焊接在外壳上，上支撑架3的中间连接承压活塞2，承压活塞2的底部连接压力导杆4的一端，压力导杆4的另一端与菱形传压结构5的上端相连，上弹性钢片6、下弹性钢片7对称固定在菱形传压结构5的上半部和下半部，温补光纤Bragg光栅8的一端与上支撑架3相连，下支撑架9与菱形传压结构5的下端相连，光纤Bragg光栅10粘贴在上弹性钢片6、下弹性钢片7上，温补光纤Bragg光栅8、光纤Bragg光栅10的导出光纤11通过位于下支撑架9的引出孔12引出并与外接光缆相连接。所述引出孔12使用环氧树脂进行密封。
实施例2：如图1-2所示，一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器，包括进压口1、承压活塞2、上支撑架3、压力导杆4、菱形传压结构5、上弹性钢片6、下弹性钢片7、温补光纤Bragg光栅8、下支撑架9、光纤Bragg光栅10、导出光纤11、引出孔12；其中进压口1分布在传压仓中，上支撑架3、下支撑架9焊接在外壳上，上支撑架3的中间连接承压活塞2，承压活塞2的底部连接压力导杆4的一端，压力导杆4的另一端与菱形传压结构5的上端相连，上弹性钢片6、下弹性钢片7对称固定在菱形传压结构5的上半部和下半部，温补光纤Bragg光栅8的一端与上支撑架3相连，下支撑架9与菱形传压结构5的下端相连，光纤Bragg光栅10粘贴在上弹性钢片6、下弹性钢片7上，温补光纤Bragg光栅8、光纤Bragg光栅10的导出光纤11通过位于下支撑架9的引出孔12引出并与外接光缆相连接。
所述引出孔12使用环氧树脂进行密封。
具体参数为：
1、承压活塞的尺寸参数为：长为20mm、宽为10 mm、面积20*10 mm2；
2、菱形传压结构的顶部夹角为45°（即2
=45°），L 1为40mm，L 2为20 mm；
3、弹性钢片参数为：45#钢的Young’s模量为E= 200GPa，横截面积S 2为2*1 mm2；
4、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长
=1550 nm，应变敏感系数
，温度敏感系数
℃-1；
5、按附图1配置实验；
6、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
7、根据公式（13），光纤Bragg光栅的Bragg波长移位
对渗压的响应灵敏度：
将各已知量代入上式，理论计算表明，在菱形传压结构的顶部夹角取45度时，该渗压传感器的灵敏度为250.4 pm/MPa；当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨力为1 pm时（指
每变化1 pm时），该传感器的渗压分辨力为 3.99 KPa。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器，其特征在于：包括进压口（1）、承压活塞（2）、上支撑架（3）、压力导杆（4）、菱形传压结构（5）、上弹性钢片（6）、下弹性钢片（7）、温补光纤Bragg光栅（8）、下支撑架（9）、光纤Bragg光栅（10）、导出光纤（11）、引出孔（12）；其中进压口（1）分布在传压仓中，上支撑架（3）、下支撑架（9）焊接在外壳上，上支撑架（3）的中间连接承压活塞（2），承压活塞（2）的底部连接压力导杆（4）的一端，压力导杆（4）的另一端与菱形传压结构（5）的上端相连，上弹性钢片（6）、下弹性钢片（7）对称固定在菱形传压结构（5）的上半部和下半部，温补光纤Bragg光栅（8）的一端与上支撑架（3）相连，下支撑架（9）与菱形传压结构（5）的下端相连，光纤Bragg光栅（10）粘贴在上弹性钢片（6）、下弹性钢片（7）上，温补光纤Bragg光栅（8）、光纤Bragg光栅（10）的导出光纤（11）通过位于下支撑架（9）的引出孔（12）引出并与外接光缆相连接。
2.根据权利要求1所述的活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器，其特征在于：所述引出孔（12）使用环氧树脂进行密封。
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