CN208313481U - 基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪 - Google Patents

Abstract

基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪，其特征在于包括光纤光栅解调仪、2×1光纤耦合器、传输光纤、温度补偿光纤光栅、压力传感光纤光栅、压力表壳；所述光纤光栅解调仪包括宽带光源和信号解调部分。所述弹簧管是弯成C形的弹性中空管，它的一端和待测压介质连通，另外一端是密封的自由端。温度补偿和压力传感光纤光栅对温度的响应一致。气压升高时，弹簧管由于内外弧压力差不同产生形变，对传感光纤光栅施加应力，温度补偿光纤光栅不受压力的影响。通过解调两个光纤光栅中心波长的相对位移，可实现压力的测量，达到温度补偿的目的。本实用新型提出一种成本低、灵敏度高，安全可靠的基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪。

Description

基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪。

背景技术

1847年，法国人波登制成弹簧管压力表，广泛应用于各行业的工业生产和科学研究中，是我国至今仍然常用的压力测量仪表。弹簧管压力表是一种力学类的检测仪表，可检测气体、液体和蒸汽的压力，也可检测真空。其优点为工作安全可靠，结构简单，维护方便，可以直接读数，适用范围广，测量范围可达数十千帕到数千兆帕，一般使用纯机械式压力表。

远传压力表是一种特殊的压力表，主要用于测量气体、液体及蒸汽的正负压力，对此参数既作现场指示又能转换为电信号(电压、电流、电阻)远距离输出，可与电动单元组合仪表的调节单元、计量单元及巡回检测装置等组成自动记录、调节控制系统，以实现集中检测和远距离控制。远传压力表适用于石油、给排水、冶金、电站等行业使用。目前远传压力表都是基于电信号的远距离传输，最常见的是电阻式远传压力表。这种压力表结构复杂，成本高，测量结果受温度影响明显，传输距离受到一定的限制而且对易燃易爆物质的压力检测有潜在的危险。

光纤传感具有灵敏度高、抗电磁干扰、本质安全、易分布和长距离传感测量等优点，已引起人们的广泛关注。其中光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无缘滤波器件。光纤布拉格光栅用于一些重要物理参数(如应变、温度、压力、超声波)的测量。在传感领域中具有十分广泛的应用，尤其适合多点测量和远距离传输，可在危险环境中工作，具有很高的安全性。

实用新型内容

为了克服上述远传压力表中结构复杂、成本高、测量结果受温度影响大，传输距离有限，有潜在危险性等问题，本实用新型提出一种结构简单、成本低、稳定性好、灵敏度高，安全可靠的基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪。

本实用新型为解决技术问题所采取的装置：

基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪，其特征在于包括光纤光栅解调仪、2×1光纤耦合器、传输光纤、温度补偿光纤光栅、压力传感光纤光栅、压力表壳、弹簧管；2×1耦合器一侧的两个端口分别与光纤光栅解调仪的宽带光源输出端和信号接收端连接，2×1耦合器另一侧的一个端口与传输光纤连接，传输光纤附着在弹簧管的外壁，处于自由状态；传输光纤的尾部依次连接温度补偿光纤光栅、压力传感光纤光栅，而且温度补偿光纤光栅也处于自由状态。压力传感光纤光栅的两侧分别固定在弹簧管的固定端和自由端；上述温度补偿光纤光栅和压力传感光纤光栅具有不同的中心波长，但是两者写在同一种光纤上，对温度的响应是一致的；所述光纤光栅解调仪包括宽带光源输出部分和信号解调部分；所述压力表壳起支撑保护作用；所述弹簧管是用弹性材料制作的、弯成C形中空管，它的一端是连接在表体的管座上焊接一体的，而且和被测压力的介质相互通联，管子的另外一头是密封的自由端。其中光纤光栅解调仪为光信号的发射区和解调区，温度补偿光纤光栅为温度补偿区；压力传感光纤光栅和弹簧管共同组成为传感区。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型中将弹簧管和光纤光栅结合，将弹簧管的形变位移转化成光纤光栅的轴向应力，提高了灵敏度，同时使用光纤光栅传感能够实现远距离传输，安全可靠。

本实用新型在压力传感光纤光栅的前面写入光纤光栅，两者写在同一种光纤上，对温度具有相同的响应。温度补偿光纤光栅可以实时监测压力表内部的温度，同时起到温度补偿的作用，消除测量时温度对压力值的影响。

附图说明

图1为本实用新型基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型进一步描述。

基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪包括：光纤光栅解调仪1、2×1光纤耦合器2、传输光纤3、压力表壳4、弹簧管5、温度补偿光纤光栅6，压力传感光纤光栅7。

光纤光栅解调仪1的宽带光源输出端口与2×1耦合器2的2-1端口相连，光纤光栅解调仪1的信号接收端口与2×1耦合器2的2-2端口相连，2×1耦合器2的2-3端口与传输光纤3连接，传输光纤3附着在弹簧管5的外壁，且保持自由状态，传输光纤3的尾部依次连接温度补偿连接光纤光栅6、压力传感光纤光栅7，温度补偿光纤光栅6处于自由状态并且光纤光栅7的两侧分别固定在弹簧管5的固定端和自由端；压力表壳4起保护和封装的作用。光纤光栅解调仪1为光信号的发射区和解调区，温度补偿光光纤光栅6、压力传感光纤光栅7和弹簧管5共组成为传感区。

本实用新型的工作方式为：光纤光栅解调仪1的宽带光源的光波经2×1耦合器2的2-1端口和2-3端口进入传输光纤3，光由传输光纤3沿着弹簧管5外壁一直传输到温度补偿光纤光栅6，此时，满足温度补偿光纤光栅6布拉格条件的光波被反射，其他波长的光继续传播到压力传感光纤光栅7，满足压力传感光纤光栅7布拉格条件的光又被反射，沿传输光纤3反向传输，并通过2×1耦合器的2-2端口进入光纤光栅解调仪1的信号解调部分。当高于大气压的气体或者液体流入弹簧管5内时，由于管的内弧与外弧面积大小不同，所受的压力也不同，迫使弹簧管5发生形变，自由端向外伸张，管子将形成直态，曲率也会变小，弹簧管5将均衡地移到另一位置；弹簧管发生形变相当于对光纤光栅7施加轴向应力，而对温度补偿光纤光栅没有影响。光纤光栅7的中心波长对轴向应力响应非常灵敏，通过光纤光栅解调仪信号解调部分得到光强的分布，通过分析两个光纤光栅的光谱可以准确地测量压力。

光纤光栅的中心波长与光纤光栅的有效折射率和周期有关，具体表达式为：

式(1)表示光纤光栅的中心波长与光纤纤芯有效折射率n_eff、光纤光栅周期A的关系；其中n_eff和A会随温度和应力的变化而变化。式(2)表示光纤光栅中心波长的变化量Δλ_B与温度T和应力ε的关系。α是光纤材料的热膨胀系数，p_ij是光纤材料的弹光张量分量，ξ是光纤材料的热光系数，是应变变化量，ΔT是温度变化量，v为光纤材料泊松比系数。当光纤光栅受到轴向应力时，其反射谱的中心波长发生明显的变化。

该装置能够实现弹簧压力表光纤光栅远程传感的关键技术有：

1、弹簧管的灵敏度与弹簧管的形状有关，它的截面形状越扁，管壁越薄，弯转角度越大，灵敏度就越高。本实用新型中弹簧管的弯曲角度为270度，保证弹簧管有较大的型变量，从而光纤光栅有较大的轴向应力，增加灵敏度。

2、弹簧管的材质决定了压力的测量范围，根据待测压力的范围选择正确的弹簧管，是实现测量的关键。压力表的弹簧管一般选锡磷青铜来制造(在被测压力低于10MPa时)；当被测压力高于10MPa时，用钢材制造，对于测量腐蚀性介质的压力表弹簧管，则用不锈钢来制造。这是因为铜质弹簧管比钢质弹簧管的灵敏度高。

3、本实用新型所用的温度补偿光纤光栅和压力传感光纤光栅写在同一种光纤上，两者对温度的响应一致。但是两个光纤光栅的中心波长不相等，两者相距～15nm。保证光波被温度补偿光纤光栅反射后，仍有足够的光波传输到压力传感光纤光栅。

本实用新型的一个具体实施例中，光纤光栅解调仪宽带光源的谱宽大于55nm，光纤光栅解调仪的信号解调部分是由一个F-P滤波器和光探测器组成，解调的精度为1pm，精确到0.01个大气压。温度补偿光纤光栅和压力传感光纤光栅制备在G.652单模光纤上，长度均为15mm。温度补偿光纤光栅的工作波长为1528nm，压力传感光纤光栅的中心波长为1543nm；实验选用的弹簧管的材质为锡磷青铜，弹簧管的形状为C型，弧度约为270°。传输光纤选用G.652单模光纤。待测量为氮气气压，测量气压的范围为0-130atm。实验中压力传感光纤光栅中心波长移动12nm，氮气压力灵敏度为0.1nm/atm。

以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，在光纤光栅的信号解调方面还存在其他方案，如光源为波长可调的激光，通过波长的连续调节，可以将不同波长的光强信息记录下来，或者在探测器前面放置光纤光栅进行滤波，通过旋转光纤光栅可以将不同波长的信息记录等方法。在不脱离本实用新型的原理的前提下，还可以在光源和信号解调方面做出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.基于光纤光栅的温度补偿远程压力传感仪，其特征在于包括光纤光栅解调仪、2×1光纤耦合器、传输光纤、温度补偿光纤光栅、压力传感光纤光栅、压力表壳、弹簧管；2×1耦合器一侧的两个端口分别与光纤光栅解调仪的宽带光源输出端和信号接收端连接，2×1耦合器另一侧的一个端口与传输光纤连接，传输光纤附着在弹簧管的外壁，处于自由状态；传输光纤的尾部依次连接温度补偿光纤光栅、压力传感光纤光栅，而且温度补偿光纤光栅也处于自由状态；压力传感光纤光栅的两侧分别固定在弹簧管的固定端和自由端；上述温度补偿光纤光栅和压力传感光纤光栅具有不同的中心波长，但是两者写在同一种光纤上，对温度的响应一致；所述光纤光栅解调仪包括宽带光源输出部分和信号解调部分；所述压力表壳起支撑保护作用；所述弹簧管是用弹性材料制作的、弯成C形中空管，它的一端是连接在表体的管座上焊接一体的，而且和被测压力的介质相互通联，管子的另外一头是密封的自由端；其中光纤光栅解调仪为光信号的发射区和解调区，温度补偿光纤光栅为温度补偿区；压力传感光纤光栅和弹簧管共同组成为传感区。