CN209783799U - 基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器 - Google Patents

Abstract

基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器，它由两个光纤布拉格光栅、波纹管、杠杆、基座、固定支点、金属外壳和光纤光栅解调仪组成。杠杆由一个短杠杆和一个长杠杆组成，在长杠杆左端有一直径1mm的通孔。光纤布拉格光栅1一端粘贴固定于光纤引进口，另一端粘贴固定于长杠杆的通孔中，光纤布拉格光栅2一端粘贴固定于长杠杆的通孔中，另一端粘贴固定于光纤引出口上，当波纹管受外界压力而产生轴向伸长应变时，会使短杠杆形变，进而使长杠杆形变实现杠杆增敏，同时使两个光纤布拉格光栅分别受压应力和拉应力，通过光纤光栅解调仪得到两个光纤布拉格光栅的特征波长偏移量，将它们的差值作为输出结果，实现差动增敏。

Description

基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器

技术领域

本实用新型属于光纤光栅传感技术领域，设计了基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器，可用于对流体压力的测量。

背景技术

高精度的压力测量在许多工业现场中发挥着非常重要的作用，广泛应用于土木、石油化工、电力等工程领域中。目前，应用较为广泛的压力计多为电类压力计，但它在强电磁干扰、易燃易爆、雷击几率较大的恶劣环境中应用的长期稳定性和可靠性不好。

光纤光栅是一种非常重要的光纤无源器件，它具有电绝缘性好、抗腐蚀和抗电磁干扰性强等优点，易实现分布式监测，适合在复杂恶劣的环境下工作，通过对传感器结构设计和封装工艺选择可实现对压力、温度、流量、加速度等物理量的测量，已广泛地应用于能源化工、航空航天、大型土木工程等领域，对于压力的测量是近十年来光纤光栅传感技术发展的热点之一。

实用新型内容

本实用新型的目的是实现对流体压力的高灵敏度测量，设计了基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器，它由两个光纤布拉格光栅、波纹管、杠杆、基座、固定支点、金属外壳和光纤光栅解调仪组成，其特征在于：所述的金属外壳是以309不锈钢作为材料的长方体，它长为70mm，宽为40mm，高40mm，壁厚5mm，在金属外壳上有一个光纤引进口和一个光纤引出口，它们为高5mm，半径1mm的孔洞；所述的基座为边长10mm的立方体，它与金属外壳呈刚性连接；所述的杠杆由一个短杠杆和一个长杠杆组成，短杠杆的右端作为长杠杆的力输入端，在长杠杆左端有一直径1mm的通孔；所述的固定支点由支点1和支点2组成，支点1高12mm且位于短杠杆的左端，支点2高10mm 且位于长杠杆的右端，通过焊接的方法将支点1与支点2分别连接至金属外壳与基座上；所述的两个光纤布拉格光栅由光纤布拉格光栅1和光纤布拉格光栅2组成，它们依次串联且特征波长分别为λ1和λ2，光纤布拉格光栅1一端粘贴固定在光纤引进口上，另一端粘贴固定在长杠杆的通孔中，光纤布拉格光栅2一端粘贴固定在长杠杆的通孔中，另一端粘贴固定在光纤引出口上，所述的两个光纤布拉格光栅粘贴所用的胶粘剂为353ND胶，且用该胶粘剂作为密封胶将光纤引进口、光纤引出口与金属外壳密封；所述的波纹管位于短杠杆的中点并作为短杠杆的力输入端；所述的光纤光栅解调仪包括光纤光谱仪、宽带光源和光纤耦合器；当外界压力从进压口进入波纹管时，会推动波纹管产生轴向伸长应变而使短杠杆形变，进而使长杠杆形变实现杠杆增敏，同时使光纤布拉格光栅1受压应变，光纤布拉格光栅2受拉应变，两个光纤布拉格光栅的特征波长偏移方向相反，将这两个特征波长偏移量的差值作为输出结果，即可实现差动增敏。

所述的短杠杆和长杠杆采用的材料均QSn4-3，短杠杆的长为38mm，宽为3mm，厚为2mm，长杠杆长为63mm，宽为3mm，厚为2mm。

附图说明

图1为基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器的敏感结构。

图2为基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器。

具体实施方式

下面结合图1和图2，对本实用新型作进一步说明。

附图中，1.光纤布拉格光栅1，2.光纤布拉格光栅2，3.波纹管，4-1.支点1，4-2.支点2，5-1.短杠杆，5-2.长杠杆，6.光纤引出口，7.光纤引进口，8.进压口，9.金属外壳， 10.基座，11-1.宽带光源，11-2光纤光谱仪，11-3光纤耦合器，12.敏感结构，13.匹配液。

具体实施步骤如下：

波纹管位于短杠杆的中点，其底部与进压口呈刚性连接。

在金属外壳上分别有一个光纤引进口和光纤引出口，两个光纤布拉格光栅从光纤引进口导入敏感结构，并按要求粘贴固定，最后从光纤引出口导入匹配液中，该匹配液用于吸收透射光。

将波纹管所在位置作为短杠杆的力输入端，短杠杆右端的力输出端作为长杠杆的力输入端，长杠杆的左端为其力输出端。将L1定义为支点2与短杠杆力输入端的距离，L2定义为短杠杆力输入端与其力输出端距离，L3定义为支点3与长杠杆力输入端的距离，L4定义为长杠杆力输入端与力输出端的距离，设β为杠杆的放大倍数，则：

由于L1＝L2，则：

因此杠杆起到了放大输入位移的作用，可通过适当调节L3、L4的大小来调整长杠杆的二次放大倍数，本实用新型的L1为19mm、L2为19mm、L3为21mm、L4为42mm。

当外界压力从进压口进入波纹管时，会推动波纹管产生轴向伸长应变而带动短杠杆转动，进而带动长杠杆转动，同时使光纤布拉格光栅1受压应变，光纤布拉格光栅2受拉应变，两个光纤布拉格光栅的特征波长值发生变化，且变化方向相反。根据光纤布拉格光栅的传感原理，当温度、应变同时发生变化时，总的特征波长变化为：

λ_B为光栅基准中心波长，Δλ_B为光栅所受温度、应变状态发生改变后光栅特征波长变化量；α为热膨胀系数，ΔT为温度变化量，P_ε为弹光系数，Δε为应变值。

则将两个光纤布拉格光栅的特征波长变化量作减可得：

可见，高灵敏度所得的应变ε_m实现了自身温度补偿，提高了对应变测量的灵敏度。

宽带光源的光波经光纤耦合器传输到两个光纤布拉格光栅上，从光纤引出口进入匹配液用于吸收透射光，同时反射光通过光纤耦合器进入光纤光谱仪，通过测量两个光纤布拉格光栅的特征波长变化，即可得到波纹管内压力变化的信息。

Claims (2)

1.基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器，它由两个光纤布拉格光栅、波纹管、杠杆、基座、固定支点、金属外壳和光纤光栅解调仪组成，其特征在于：所述的金属外壳是以309不锈钢作为材料的长方体，它长为70mm，宽为40mm，高40mm，壁厚5mm，在金属外壳上有一个光纤引进口和一个光纤引出口，它们为高5mm，半径1mm的孔洞；所述的基座为边长10mm的立方体，它与金属外壳呈刚性连接；所述的杠杆由一个短杠杆和一个长杠杆组成，短杠杆的右端作为长杠杆的力输入端，在长杠杆左端有一直径1mm的通孔；所述的固定支点由支点1和支点2组成，支点1高12mm且位于短杠杆的左端，支点2高10mm且位于长杠杆的右端，通过焊接的方法将支点1与支点2分别连接至金属外壳与基座上；所述的两个光纤布拉格光栅由光纤布拉格光栅1和光纤布拉格光栅2组成，它们依次串联且特征波长分别为λ1和λ2，光纤布拉格光栅1一端粘贴固定在光纤引进口上，另一端粘贴固定在长杠杆的通孔中，光纤布拉格光栅2一端粘贴固定在长杠杆的通孔中，另一端粘贴固定在光纤引出口上，所述的两个光纤布拉格光栅粘贴所用的胶粘剂为353ND胶，且用该胶粘剂作为密封胶将光纤引进口、光纤引出口与金属外壳密封；所述的波纹管位于短杠杆的中点并作为短杠杆的力输入端；所述的光纤光栅解调仪包括光纤光谱仪、宽带光源和光纤耦合器；当外界压力从进压口进入波纹管时，会推动波纹管产生轴向伸长应变而使短杠杆形变，进而使长杠杆形变实现杠杆增敏，同时使光纤布拉格光栅1受压应变，光纤布拉格光栅2受拉应变，两个光纤布拉格光栅的特征波长偏移方向相反，将这两个特征波长偏移量的差值作为输出结果，即可实现差动增敏。

2.根据权利要求1所述的基于波纹管和杠杆增敏的高灵敏度光纤光栅压力传感器，其特征是：所述的短杠杆和长杠杆采用的材料均QSn4-3，短杠杆的长为38mm，宽为3mm，厚为2mm，长杠杆长为63mm，宽为3mm，厚为2mm。