CN207163633U

CN207163633U - 一种大气压强测量装置

Info

Publication number: CN207163633U
Application number: CN201721143092.4U
Authority: CN
Inventors: 张治国; 沈春燕
Original assignee: Nanjing Abductive Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Abductive Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2027-09-07

Abstract

本实用新型实施例提供了一种大气压强测量装置，所述装置包括：壳体、真空膜盒、悬臂梁、第一光纤、第二光纤、第一光纤布拉格光栅传感器、第二光纤布拉格光栅传感器和处理器，壳体设置有进气孔；悬臂梁的固定端设置在壳体的内壁上，且自由端与真空膜盒相连接；第一光纤布拉格光栅传感器设置在悬臂梁上，分别与处理器、第一光纤相连接，其中，第一光纤从壳体的内部延伸至壳体的外部区域中；第二光纤布拉格光栅传感器设置在悬臂梁上，分别与处理器、第二光纤相连接，其中，第二光纤从所述壳体的内部延伸至所述壳体的外部区域中。通过本实用新型实施例提供的方案，能够提高大气压强的测量精确度。

Description

一种大气压强测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，特别是涉及一种大气压强测量装置。

背景技术

气象工作对防灾减灾起着非常重要的作用。由于大气压强与气象具有密切的关系，因此，在气象工作中，通常通过测量大气压强来实时地监测气象。

现有技术中，气象站通常通过电子式传感器来测量大气压强，也有研究人员提出采用光纤位移传感器来测量大气压强，这两种测量大气压强的方式均存在测量精确度较低的缺点。具体的，在实际应用中，电子式传感器易受到电磁波干扰，且需要有源供电；而光纤位移传感器是通过测量光强大小来测量位移，进而通过位移来得出大气压强值，但是光在传输过程中会因功率的衰减而导致光强大小减小，从而导致测量出的大气压强的精确度较低。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种大气压强测量装置，以提高大气压强的测量精确度。具体技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种大气压强测量装置，包括：壳体、真空膜盒、悬臂梁、第一光纤、第二光纤、第一光纤布拉格光栅传感器、第二光纤布拉格光栅传感器和处理器；

所述壳体设置有进气孔，且所述真空膜盒、所述悬臂梁、所述第一光纤布拉格光栅传感器、所述第二光纤布拉格光栅传感器均位于所述壳体内部；

其中，所述真空膜盒固定于所述壳体的内部；

所述悬臂梁的固定端设置在所述壳体的内壁上，且自由端与所述真空膜盒相连接；

所述第一光纤布拉格光栅传感器设置在所述悬臂梁上，分别与所述处理器、所述第一光纤相连接，其中，所述第一光纤从所述壳体的内部延伸至所述壳体的外部区域中；

所述第二光纤布拉格光栅传感器设置在所述悬臂梁上，分别与所述处理器、所述第二光纤相连接，其中，所述第二光纤从所述壳体的内部延伸至所述壳体的外部区域中。

可选的，所述真空膜盒的数量为至少两个，其中，各个真空膜盒串联连接形成真空膜盒组，所述真空膜盒组与所述悬臂梁通过连接杆连接。

可选的，所述真空膜盒为两片弹性膜片构成的空腔。

可选的，所述第一光纤布拉格光栅传感器和所述第二光纤布拉格光栅传感器对称地焊接在所述悬臂梁的侧壁上。

可选的，所述悬臂梁的侧壁上设置有两个对称的凹槽，所述第一光纤布拉格光栅传感器位于一个凹槽中，所述第二光纤布拉格光栅传感器位于另一个凹槽中。

可选的，所述两个对称的凹槽到所述悬臂梁固定端的距离小于所述两个对称的凹槽到所述悬臂梁自由端的距离。

可选的，所述悬臂梁为等强度悬臂梁。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的大气压强测量装置，包括壳体、真空膜盒、悬臂梁、第一光纤、第二光纤、第一光纤布拉格光栅传感器、第二光纤布拉格光栅传感器和处理器，在壳体上设置有进气孔，当大气压强不为标准大气压强时，真空膜盒内部和外部的压强差会发生变化，真空膜盒会产生形变，进而对悬臂梁产生应力，悬臂梁在应力的作用下产生应变，与悬臂梁连接的第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器感应到悬臂梁发生应变时，两者的反射光的中心波长均发生漂移，此时两者分别向处理器发射信号，处理器在接收到信号时，计算出两者中心波长的目标相对漂移量差值，然后，根据预设的相对漂移量差值与大气压强的对应关系，得出该目标相对漂移量差值对应的大气压强。

本方案中，光纤布拉格光栅传感器抗电磁干扰，且具有无源性，可以提高大气压强的测量精确度；而且通过测量两个光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的相对漂移量差值来得到相应的大气压强，可以进一步地提高大气压强的测量精确度。具体的，首先，反射光的中心波长较为稳定，不会因光的功率衰减而减小，其次，通过将两个光纤布拉格光栅传感器反射光的中心波长相对漂移量作差，可以避免环境温度对大气压强测量精确度的影响。因此，通过本方案测量出的大气压强的精确度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所提供的一种大气压强测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了解决现有技术存在的技术问题，本实用新型实施例提供了一种大气压强测量装置。

下面对本实用新型实施例所提供的大气压强测量装置进行介绍。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种大气压强测量装置，可以包括：

壳体101、真空膜盒102、悬臂梁103、第一光纤104、第二光纤105、第一光纤布拉格光栅传感器106、第二光纤布拉格光栅传感器107和处理器108，

所述壳体101设置有进气孔1011，且所述真空膜盒102、所述悬臂梁103、所述第一光纤布拉格光栅传感器106、所述第二光纤布拉格光栅传感器107均位于所述壳体101的内部；

其中，所述真空膜盒102固定于所述壳体101的内部；

所述悬臂梁103的固定端设置在与所述壳体101的内壁上，且自由端与所述真空膜盒102相连接；

所述第一光纤布拉格光栅传感器106设置在所述悬臂梁103上，分别与所述处理器108、所述第一光纤104相连接，其中，所述第一光纤104从所述壳体101的内部延伸至所述壳体101的外部区域中；

所述第二光纤布拉格光栅传感器107设置在所述悬臂梁103上，分别与所述处理器108、所述第二光纤105相连接，其中，所述第二光纤105从所述壳体101的内部延伸至所述壳体101的外部区域中。

需要强调的是，本实用新型实施例对壳体的形状以及材质不做具体限定，具体的，壳体可以是方形、圆形等形状；壳体的材质可以是金属或者非金属，这些都是合理的。另外，本实用新型对进气孔的位置、形状及大小也不做限定，具体的，进气孔可以在壳体的上面、下面、左面、左面等；进气孔可以是方形，圆形等；进气孔的大小可以大也可以小，这都是合理的。而且，真空膜盒可以是完全真空的，也可以是微真空的，这都是合理的。

同时，本实用新型实施例对第一光纤的型号和第二光纤的型号也不做具体限定。具体的，第一光纤和第二光纤可以为单模光纤或多膜光纤，但由于单膜光纤适用于远程通讯，因此，本实用新型实施例中优选单膜光纤；且第一光纤和第二光纤的型号即可以是相同的，也可以是不同的，但为了提高大气压强的测量精确度，本实用新型实施例中优选相同型号的第一光纤和第二光纤。

需要进一步强调的是，光纤布拉格光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于相同型号的光纤布拉格光栅传感器对温度的感应能力相同，因此，为了提高大气压强的测量精确度，本实用新型实施例中，优选地，第一光纤布拉格光栅传感器与第二光纤布拉格光栅传感器的型号相同。处理器可以是具有信号分析及数据处理功能的任何装置，例如，处理器可以为解调仪等，这都是合理的。而且，第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器与处理器的连接方式：即可以是有线连接，也可以是无线连接，本实用新型实施例对第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器与处理器的连接方式不做具体限定。另外，悬臂梁固定在壳体上的固定方式也有多种形式，可以是直接焊接在壳体上，也可以通过连接杆进行固定，本实用新型对此不做具体限定。

需要说明的是，当大气压强为标准大气压强P₀时，真空膜盒外部的压强为大气压强P₀，真空膜盒内部的压强近似为0，真空膜盒内外具有压强差P₀，因此，会对真空膜盒表面产生压力F₀＝P₀S，其中，S＝π×R²，R为真空膜盒的表面直径。此时，测得第一光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长为λ_B1，测得第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长为λ_B2。

在实际应用中，当大气压强为标准大气压强P时，即此时大气压强不为标准大气压强P₀时，真空膜盒内部和外部的压强差为P，真空膜盒内外压强差的变化量为ΔP，产生的压力差为ΔF。真空膜盒在压力差ΔF的作用下会产生形变，由于真空膜盒一端固定在壳体的内部，与悬臂梁连接的真空膜盒的另一端在压力差ΔF的作用下产生了位移，真空膜盒对与其连接的悬臂梁产生应力F，悬臂梁在应力的作用下产生应变，与悬臂梁连接的第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器感应到悬臂梁发生应变时，第一光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长λ_B1发生的漂移量为Δλ_B1，第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长λ_B2发生的漂移量为Δλ_B2，此时两者分别向处理器发射信号，处理器在接收到信号时，计算出两者中心波长的相对漂移量差值，然后，根据相对漂移量差值与大气压强的对应关系，得出此时大气压强的大小。其中，相对漂移量是通过反射光的中心波长的漂移量除以其对应的反射光的中心波长得到的。

需要说明的是，由于光纤布拉格光栅传感器不仅能够感应悬臂梁的应变，还能感应环境温度，当光纤布拉格光栅传感器感应到悬臂梁发生应变或者光纤布拉格光栅传感器感应到其所处的环境温度改变时，光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长均会发生漂移。为了避免因环境温度改变而造成光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长发生变化，将第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器同时焊接在悬臂梁的侧壁上，第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器在感应到温度变化时，两者的反射光中心波长的相对漂移量相同，通过求得两个光纤布拉格光栅传感器的中心波长的相对漂移量差值，即可以精确地求得因应变而产生地相对漂移量差值，从而可以避免环境温度改变对大气压强测量精确度的影响。

需要说明的是，本实用新型实施例中的“第一”和“第二”仅仅用于从命名上区分属于同类型的两个对象，并不具有任何限定意义。例如：“第一光纤”中的“第一”和“第二光纤”中的“第二”仅仅用于从命名上区分两根光纤，并不具有任何限定意义。又如：“第一光纤布拉格光栅传感器”中的“第一”和“第二光纤布拉格光栅传感器”中的“第二”仅仅用于从命名上区分两个光纤布拉格光栅传感器，并不具有任何限定意义。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案中，光纤布拉格光栅传感器抗电磁干扰，且具有无源性，可以提高大气压强的测量精确度；而且通过测量两个光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的相对漂移量差值来计算得到相应的大气压强，可以进一步的提高大气压强的测量精度。具体的，首先，反射光的中心波长较为稳定，不会因光的功率衰减而减小，其次，通过将两个光纤布拉格光栅传感器反射光的中心波长相对漂移量作差，可以消除环境温度对大气压强测量精度的影响。因此，通过本方案测量出的大气压强的精确度较高。

当真空膜盒的数量为多个时，将各个真空膜盒进行串联形成真空膜盒组。与只有一个真空膜盒相比，当大气压强不为标准大气压强时，真空膜盒组中的各个真空膜盒均发生形变，从而可以增大真空膜盒的形变量，此时，真空膜盒组对与其相连的悬臂梁的应力变大，悬臂梁的应变量也相应地增大，与悬臂梁相连的第一光纤布拉格光栅传感器与第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的相对漂移量均增大，因此，大气压强测量装置中的真空膜盒组可以增大两个光纤布拉格光栅传感器中心波长的相对漂移量，从而提高大气压强测量装置的测量精确度。

需要说明的是，图1中示例性地画出了3个串联的真空膜盒，当然也可以是1个、2个或者多个，本实用新型对真空膜盒的数量不做限定。

可选的，所述真空膜盒为两片弹性膜片构成的空腔。

由于弹性膜片对压力很敏感，即在真空膜盒的内外压强差发生变化时，弹性膜片能够产生较明显的形变，即真空膜盒会产生较大的位移，从而对与其连接的悬臂梁产生较大的应力，使得悬臂梁产生的应变量增大，与悬臂梁相连的第一光纤布拉格光栅传感器与第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的相对漂移量也增大，因此，通过用两片弹性膜片组成真空膜盒可以增大两个光纤布拉格光栅传感器中心波长的相对漂移量，从而提高大气压强测量装置的测量灵敏度和精确度。

将第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器对称地焊接在悬臂梁的侧壁上时，在悬臂梁受到应力时，第一光纤布拉格光栅传感器与第二光纤布拉格光栅传感器感应到的应变方向相反，大小相同。由于第一光纤布拉格光栅传感器与第二光纤布拉格光栅传感器感应到的应变方向相反，所以第一光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的漂移方向与第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的漂移方向也相反，即第一光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的相对漂移量与第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的相对漂移量互为相反数，通过将求得的两个相对漂移量作差，可以取得相对漂移量的绝对值之和，也就是说，通过将第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器对称地焊接在悬臂梁的侧壁上，可以增大相对漂移量，从而可以提高大气压强测量装置的精确度。

举例而言，在图1中，当大气压强小于标准大气压强时，真空膜盒的位移方向为右，其对悬臂梁产生的向右的应力，第一光纤布拉格光栅传感器感应到的应变为向下拉伸，而第一光纤布拉格光栅传感器感应到的应变为向上压缩，第一光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的漂移方向为红移，即向波长大的方向漂移，相对漂移量为正值；则第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的漂移方向为蓝移，即向波长小的方向漂移，相对漂移量为负值。通过将两个相对漂移量作差，获得的相对漂移量差值的大小为两个相对漂移量的大小之和。因此，在相同的大气压强下，与只有一个光纤布拉格光栅传感器相比，在悬臂梁上对称地焊接两个光纤布拉格光栅传感器，通过将两个光纤布拉格光栅传感器的相对漂移量作差可以增大相对偏移量的大小，从而可以提高大气压强测量装置的精确度。

由于悬臂梁任一位置的应变量与该位置处悬臂梁的厚度有关，悬臂梁在该位置处的厚度越小，悬臂梁在该位置处的应变量越大。在悬臂梁上设置两个对称的凹槽，凹槽所在位置处悬臂梁的厚度减小，凹槽所在位置处悬臂梁的应变量变大。通过将第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器设置在悬臂梁的凹槽处，可以增加第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器的应变量，第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的相对漂移量均增加，进而相对漂移量差值的大小也变大，从而可以增加大气压强测量装置的精确度。

由于悬臂梁任一位置的应变量与该位置到悬臂梁固定端的距离有关，该位置到悬臂梁固定端的距离越小，悬臂梁在该位置处的应变量越大。通过将两个对称的凹槽设置在距离悬臂梁较近的位置，可以增加凹槽所在处应变量。由于第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器设置位于悬臂梁的两个对称的凹槽中，因此，可以增加第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器感应到的应变量，第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的相对漂移量均增加，进而相对漂移量差值的大小也变大，从而可以增加大气压强测量装置的精确度。

可选的，所述悬臂梁为等强度悬臂梁。

在受到同样的应力时，由于等截面悬臂梁的应变量小于等强度悬臂梁的应变量，因此，通过采用等强度悬臂梁可以增加第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器感应到的应变量，进而第一光纤布拉格光栅传感器和第二光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的漂移量均增加，相对漂移量差值的大小也变大，从而可以增加大气压强测量装置的精确度。

与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案，光纤布拉格光栅传感器抗电磁干扰，且具有无源性，可以提高大气压强的测量精确度；而且通过测量两个光纤布拉格光栅传感器的反射光的中心波长的漂移量差值来计算得到相应的大气压强，可以进一步的提高大气压强的测量精确度。具体的，首先，反射光的中心波长较为稳定，不会因光的功率衰减而减小，其次，通过将两个光纤布拉格光栅传感器反射光的中心波长相对漂移量作差，可以避免环境温度对大气压强测量精确度的影响。因此，通过本方案测量出的大气压强的精确度较高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种大气压强测量装置，其特征在于，包括：壳体、真空膜盒、悬臂梁、第一光纤、第二光纤、第一光纤布拉格光栅传感器、第二光纤布拉格光栅传感器和处理器；

其中，所述真空膜盒固定于所述壳体的内部；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空膜盒的数量为至少两个，其中，各个真空膜盒串联连接形成真空膜盒组，所述真空膜盒组与所述悬臂梁通过连接杆连接。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述真空膜盒为两片弹性膜片构成的空腔。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅传感器和所述第二光纤布拉格光栅传感器对称地焊接在所述悬臂梁的侧壁上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述悬臂梁的侧壁上设置有两个对称的凹槽，所述第一光纤布拉格光栅传感器位于一个凹槽中，所述第二光纤布拉格光栅传感器位于另一个凹槽中。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述两个对称的凹槽到所述悬臂梁固定端的距离小于所述两个对称的凹槽到所述悬臂梁自由端的距离。

7.根据权利要求4-6任一项所述的装置，其特征在于，所述悬臂梁为等强度悬臂梁。