CN211504452U - 一种用于管路内流体参数检测的复合传感器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于管路内流体参数检测的复合传感器，包括具有流线型外表面的壳体、设置在壳体内的光纤光栅温度传感器以及设置在壳体上的光纤光栅温度压力传感器、光纤光栅压力脉动传感器、第一光纤光栅流速传感器和第二光纤光栅流速传感器。光纤光栅温度传感器用于检测液体的温度；光纤光栅温度压力传感器用于检测液体的温度和压力；光纤光栅压力脉动传感器用于检测液体的压力波动；第一光纤光栅流速传感器与第二光纤光栅流速传感器检测的组合用于检测液体的流速。本公开上述的复合传感器通过将多个传感器集成在仿生鱼型结构内，并可形成波分复用的阵列结构，使得液压系统的压力、温度和压力脉动的测量点简洁可靠，也减少了泄露点过多的风险。

Description

一种用于管路内流体参数检测的复合传感器

技术领域

本公开属于流体设备检测技术领域，具体提供了一种用于管路内流体参数检测的复合传感器。

背景技术

在液压传动系统中，介质的流速(动能)较低，产生的势能相对较低，可以不考虑，仅依靠工作介质的压力能传递动力，就是所谓的静液压传动。随着人工智能在工程机械等领域的应用，作为“个小力大”的液压系统，能够很好地把电子信息通过液压系统放大为机械动作。因此，液压系统是智能化机械运行中重要的中间环节。为了保证液压系统的正常运行，通常还需要对液压系统的运行参数进行实时监测，以便及时了解液压系统的运行状况，便于在液压系统出现故障前及时作出预警；或者，在液压系统出现故障时，为及时诊断出故障的类型和原因提供分析参数。

在静液压传动中，管路内的液体的流动与流动区间的压力差形成一种对应关系。而管路内的流量与流速可以形成对应，所以，管路内的流量可以通过检查压力差的办法得到。这样，检测液压系统的温度、压力和流量三类参数就可缩减为温度和压力两类参数的检测。而光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、体积小和重量轻的特性，能够检测温度和压力两类参数，并且多个光纤光栅传感器可通过串联形成分布式检测矩阵，可以大大减少检测线路的数量。

由于现在检测液压系统的温度、压力或流量参数的传感器多数是单一参数形式的，而液压系统故障的诊断需要依赖液压系统内部的温度、压力、流量等运行参数才可能准确判断出故障的类型或原因。但是如果将检测上述每一个参数的所有传感器都设置在液压系统中，必须要在液压管路中设置多个检测点，有时需要在液压管路上开多个检测工艺孔，从而也增加了液压管路泄露的风险。并且由于工程机械、矿山机械液压系统的空间有限，以及前述多个传感器的总体积较大，很难在关键位置同时布置关于温度、压力、流量及流量脉动的检测仪器用于液压故障的诊断。并且，如果在液压管路中同时布置用于检测温度、压力和流量的传感器将会导致检测线路(连接传感器的线路)较多，不仅结构复杂，而且还影响液压系统的美观。在现有技术中，通常仅是检测液压系统的温度、压力和流量中的一个，因此，目前这种单一检测技术，也很难诊断出液压系统的故障。

随着智能工程机械的发展，也急需一种可检测液压系统关键部位的油压、油温、流速或压力脉动等综合信息的集成的液压参数检测传感器，以便通过先进的计算机技术、光电子技术、通讯技术等实现工程机械液压系统的智能化分析和排查故障。

因此，研究一种可以内置于流体内部的、对液流扰动小的、集成的液压参数综合检测传感器尤为急迫和重要。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决工程机械液压系统参数难以用少数的几个传感器系统采集的问题，本公开提供了一种用于管路内流体参数检测的复合传感器，可以在液压系统中利用波分复用技术将多个复合传感器串联形成系统参数采集阵列，以解决工程机械液压系统参数综合采集的难题。该复合传感器包括：

壳体，其设置成具有流线型的外表面；

光纤光栅温度传感器，其设置在前述壳体的内部，并且能够检测前述复合传感器所处环境中液体的温度；

光纤光栅温度压力传感器，其设置在前述壳体上，并且能够检测前述复合传感器所处环境中液体的温度和压力的综合数据；

光纤光栅压力脉动传感器，其设置在前述壳体上，并且能够检测前述复合传感器所处环境中液体的压力波动。

可选地，前述壳体包括第一壳体、第二壳体和连接盖，前述第一壳体位于前述连接盖的一侧并且与前述连接盖固定连接，前述第二壳体位于前述连接盖的另一侧并且与前述连接盖固定连接。

可选地，前述第一壳体上设置有通孔；前述复合传感器还包括设置在前述通孔处的弹性片，前述弹性片与前述第一壳体密封连接并因此完全封闭前述通孔；前述光纤光栅压力脉动传感器包括固定到前述弹性片外侧的第一光纤光栅压力脉动传感器和对应固定在前述弹性片内侧的第二光纤光栅压力脉动传感器，以便通过前述第一光纤光栅压力脉动传感器检测的数据与前述第二光纤光栅压力脉动传感器检测的数据之间的差值的波动来检测前述压力波动。

可选地，前述复合传感器还包括设置在前述第一壳体内的气囊，前述气囊与前述壳体及前述气囊与前述连接盖之间填充弹性物质，用于将前述气囊封装在弹性物质内，形成弹性体。前述弹性片与前述气囊或前述弹性物质不相接触，从而使得前述气囊或前述弹性物质和连接盖之间形成空腔，前述空腔内充入0.1MPa压力的氢气或氦气，保证所述弹性片对外界有一定的背压作用；所述空腔的间距用于并保证前述弹性片最大变形时不触及前述弹性体。

可选地，前述复合传感器还包括填充在前述第二壳体内的导热硅油，前述导热硅油浸没前述光纤光栅温度传感器，以便增强前述壳体与前述光纤光栅温度传感器之间温度的一致性。

可选地，前述复合传感器还包括导热片以及设置在前述第二壳体内并且与前述第二壳体固定连接的第一固定板和第二固定板，前述导热片的一侧侧壁与前述第一固定板固定连接，以便保证前述导热片与前述第一固定板之间能够及时进行热传导；前述导热片的另一侧侧壁与前述第二固定板可相对移动的连接到一起，以便前述导热片的前述另一端在前述导热片受热发生形变时能够自由移动；前述光纤光栅温度传感器与前述导热片固定连接，以使前述光纤光栅温度传感器能够随着导热片的受热伸长而增大光栅的纵向形变量，从而使前述导热片对前述光纤光栅温度传感器起到增敏的作用。

可选地，前述复合传感器还包括贯穿前述第二壳体的导热丝，前述导热丝与前述第一固定板固定连接，以便前述导热丝能够在前述复合传感器所处环境中的液体与前述第一固定板之建立快速的热量传递通道。

可选地，前述复合传感器还包括第一光纤光栅流速传感器和第二光纤光栅流速传感器，前述第一光纤光栅流速传感器和前述第二光纤光栅流速传感器沿前述壳体的轴线对称地设置在前述壳体的外侧，以便通过前述第一光纤光栅流速传感器检测的数据与前述第二光纤光栅流速传感器检测的数据之间的差值来检测前述复合传感器所处环境中液体的流速和流向或流速的变动量。

可选地，前述复合传感器还包括多根贯穿前述壳体的光纤，所述光纤，其材质和规格均相同，每一根所述光纤在所述壳体内或表面的特定部分都刻录有光栅，所述光栅，其特征值均相同，并因此形成所述光纤光栅温度传感器、所述光纤光栅温度压力传感器、所述光纤光栅压力脉动传感器、所述第一光纤光栅流速传感器和所述第二光纤光栅流速传感器；所述复合传感器还包括与所述光纤远离所述传感器的一端相连接的连接头。

可选地，前述壳体设置成橄榄球状或椭圆球状。

基于前文的描述，本领域技术人员能够理解的是，在本公开前述的技术方案中，通过将壳体设置成具有流线型的外表面，能够有效地降低复合传感器对检测液体的阻力；通过将光纤光栅温度传感器设置在壳体的内部，使得复合传感器能够不受传感器检测所处环境中液体的压力的干扰；通过光纤光栅温度压力传感器设置在壳体上，使得复合传感器能够通过光纤光栅温度压力传感器检测所处环境中液体的温度和压力的综合数据后结合温度检测数值换算为压力值的检测；通过将光纤光栅压力脉动传感器设置在壳体上，使得复合传感器能够通过第一光纤光栅压力脉动传感器和第二光纤光栅压力脉动传感器联合，通过两光栅压力脉动传感器间数据的差值在某一中心的波动量和时间差来检测所处环境中液体的压力波动。因此，本公开的复合传感器不仅能够检测所处环境中液体的压力、温度和压力脉动，而且还可以内置于管路内。同时还通过将多个传感器集中地设置在壳体上或壳体内，使得液压系统需要综合参数的多个测点缩减为仅需设置一个检测点就可完成压力、温度和压力脉动的测量，大大地降低了液压管路泄露的风险。

进一步，通过将第一光纤光栅流速传感器和第二光纤光栅流速传感器沿壳体的轴线对称地设置在壳体的外侧，并使第一光纤光栅流速传感器和第二光纤光栅流速传感器在使用过程中位于流动液体的流动方向上，且保证第一光纤光栅流速传感器和第二光纤光栅流速传感器内的光纤光栅特征值相同，进而使得复合传感器能够通过第一光纤光栅流速传感器检测的数据与第二光纤光栅流速传感器检测的数据之间的差值，消除了同处同一温度环境场中温度因素的影响，进而可获取所处环境中液体的压力差，由压力差可获得传感器处液体的流速，然后再结合过流面积换算出传感器处液体的流量；也可以通过压力差的波动检测流速的波动；也可通过压力差方向的变化测量流速的方向。

更进一步，通过将前述的各个传感器都设置成光纤光栅传感器，使得复合传感器具有抗电磁干扰、体积小和重量轻的特性，性能更加优良，并且多个光纤光栅传感器可通过一根光缆(包括多根光纤)来做为检测线路，与现有技术相比大大地降低了检测线路的数量，进而使得液压系统的检测布线更加美观。使得，具有本公开复合传感器的工程机械能够系统地采集液压系统参数。

附图说明

下面参照附图，并以四通管接头为例来描述本公开的优选实施例，附图中：

图1是本公开优选实施例中管接头组件的剖视图；

图2是本公开优选实施例中复合传感器的结构爆炸示意图(未显示光纤)；

图3是本公开优选实施例中复合传感器的主视图(未显示光纤)；

图4是图3中沿A-A方向的剖视图；

图5是图3中沿B-B方向的剖视图。

附图标记列表：

1、四通管接头；11、第一接头；12、第二接头；13、第三接头；14、第四接头；

2、复合传感器；201、壳体；2011、第一壳体；2012、第二壳体；2013、连接盖；202、光纤光栅温度传感器；203、光纤光栅温度压力传感器；204、第一光纤光栅压力脉动传感器；205、第二光纤光栅压力脉动传感器；206、第一光纤光栅流速传感器；207、第二光纤光栅流速传感器；208、弹性片；209、弹性体；2091、气囊；2092、弹性物质；210、导热片；211、导热丝；212、第一固定板；213、第二固定板；214、第一光纤组；215、第二光纤组；216、第一连接头；217、第二连接头；218、空腔；

3、第一密封塞；

4、第二密封塞；

5、密封结构。

具体实施方式

本领域技术人员应当理解的是，下文所描述的实施例仅仅是本公开的优选实施例，该优选实施例旨在用于解释本公开的技术原理，并不表示本公开的技术原理只能通过该优选实施例才可以实现，因此该优选实施例不能限制本公开的保护范围。基于本公开提供的优选实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所获得的其它所有实施例，仍应落入到本公开的保护范围之内。

需要说明的是，在本公开的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“顶部”“底部”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

如图1所示，在本公开的优选实施方式中，管接头组件包括四通管接头1、复合传感器2、第一密封塞3、第二密封塞4和密封结构5。其中，复合传感器2设置在四通管接头1内，用于检测四通管接头1内液体的温度、压力、脉动和流速。第一密封塞3、第二密封塞4和密封结构5共同将复合传感器2以密封的形式固定到四通管接头1上，并且具有一定的吸震和抗震作用。

继续参阅图1，四通管接头1包括彼此对准的第一接头11、第二接头12和彼此对准的第三接头13、第四接头14。其中，第一接头11和第二接头12被第一密封塞3、第二密封塞4和密封结构5堵塞并因此被完全封闭，第三接头13和第四接头14用于连接管路并通液体。

如图1和图2所示，复合传感器2包括壳体201、光纤光栅温度传感器202、光纤光栅温度压力传感器203、第一光纤光栅压力脉动传感器204、第二光纤光栅压力脉动传感器205、第一光纤光栅流速传感器206、第二光纤光栅流速传感器207、弹性片208、弹性体209、导热片210、导热丝211、第一固定板212、第二固定板213、第一光纤组214、第二光纤组215、第一连接头216和第二连接头217。

如图1所示，壳体201的一端嵌入第一接头11中并通过密封结构5与第一接头11固定连接，壳体201的另一端嵌入第二接头12中并通过密封结构5与第二接头12固定连接，从而使得壳体201被固定到四通管接头1中。本领域技术人员能够理解的是，在密封结构5能够将壳体201以密封的形式固定到四通管接头1内的情况下，密封结构5可以是任意可行的结构，例如用橡胶或塑料等材料，或者带金属保护的橡胶或塑料的复合材料，或者为了安装和密封采用的分体的或半分体的结构。

如图2所示，光纤光栅温度传感器202设置在壳体201的内部，并且能够检测四通管接头1中液体的温度。本领域技术人员能够理解的是，将光纤光栅温度传感器202设置在壳体201的内部，能够避免外界液体的压力对光纤光栅温度传感器202的检测结果造成影响，进而保证了光纤光栅温度传感器202的检测精度。

继续参阅图2，光纤光栅温度压力传感器203设置在壳体201上(具体地是设置在壳体201的外侧；垂直于液流方向或管壁)，并且能够检测所述四通管接头1中液体的温度和压力，进而能够通过将光纤光栅温度压力传感器203与光纤光栅温度传感器202各自检测到数据进行比对，可以通过光纤光栅温度传感器202检测的纯温度值，根据光纤光栅温度压力传感器203对应预先标定好的比对数据获得四通管接头1中液体的压力。克服了现有技术中光纤光栅传感器对压力和温度交叉敏感问题，以及压力检测量程受线性标定影响而压力量程受限的问题。继续参阅图2，第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205设置在壳体201上，并且能够检测四通管接头1中液体的脉动。

如图1所示，第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207都设置在壳体201上(具体地是分别设置在壳体201的外部两侧，平行于流速方向或管路)，并且第一光纤光栅流速传感器206与第三接头13对准，第二光纤光栅流速传感器207与第四接头14对准。本领域技术人员能够理解的是，通过比对第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207检测到的数据的差值，能够确定四通管接头1内液体的流速和流向或流速的变动量。进而能够根据该流速与四通管接头1和复合传感器2之间的缝隙的截面积的乘积来计算四通管接头1中液体的流量。由于该流量是本领域技术人员依据本领域的公知常识能够计算获得的，所以此处不再做过多说明。本领域技术人员还能够理解的是，静液压系统中，根据伯努利方程可知，因忽略势能的作用和局部压力损耗，流动的液体在绕流物体的前后形成压力差，该压力差就能准确地反映该处液体的流速大小和方向。因此，流动的液体在经过绕流体(复合传感器)时会在绕流体的前后产生压力差，进而通过检测该压力差，可以确定流速大小和方向。

继续参阅图1，第一光纤组214经过铠装(在第一光纤组214的外侧设置保护层)后贯穿第一接头11、第一密封塞3和密封结构5，并与第一密封塞3和密封结构5密封连接。换句话说，第一光纤组214通过第一密封塞3和密封结构5与第一接头11密封连接。进一步，第一光纤组214的一端与第一连接头216相连接，以便通过第一连接头216连接到外部光缆上；第一光纤组214的另一端与前述的六个光纤光栅传感器的一端分别连接，具体地，第一光纤组214包括六根光纤，每一根光纤分别是一个光纤光栅传感器的载体，换句话说，光纤光栅传感器是通过在光纤上刻录光栅制得，并且，一个复合传感器中的六个光纤光栅传感器的光栅特征值相同(纤芯直径相同、刻录深度相同，栅格周期相同、栅格长度相同)，以便在利用波分复用技术时，因同一复合传感器中各光纤光栅特征值相同，而使得解调设备所获得的数据来源的位置得到确定。由于波分复用技术是本领域技术人员所熟知的技术，所以此处不再做过多说明。

继续参阅图1，第二光纤组215经过铠装后贯穿第二接头12、第二密封塞4和密封结构5，并与第二密封塞4和密封结构5密封连接。换句话说，第二光纤组215通过第二密封塞4和密封结构5与第二接头12密封连接。进一步，第二光纤组215的一端与第二连接头217相连接，以便通过第二连接头217连接到外部光缆上；第二光纤组215的另一端与前述的六个光纤光栅传感器的另一端分别连接，具体地，第二光纤组215包括六根光纤，每一根光纤分别是上述光纤对应的延伸，属于相应光纤光栅传感器的另一端。

需要说明的是，前文中的术语“第一光纤组214”和“第二光纤组215”以及该两者与各光纤光栅传感器之间连接关系的描述，仅仅是为了便于描述和便于本领域技术人员理解技术方案。在实际使用中，“第一光纤组214”和“第二光纤组215”实际上是同一光纤组，换句话说，由6根光纤组成的光纤组贯穿壳体201，并且每一根光纤在壳体201内的特定部分都刻录有光栅，并因此形成光纤光栅温度传感器202、光纤光栅温度压力传感器203、第一光纤光栅压力脉动传感器204、第二光纤光栅压力脉动传感器205、第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207。

下面参照图2至图5，来对复合传感器2的具体结构进行详细说明。

如图2、图4和图5所示，壳体201整体上呈椭圆球状结构，以便减小对流经其的液体的阻力。此外，本领域技术人员也可以根据需要，将壳体21设置成具有流线型外表的其它任意可行的结构，例如橄榄状、鱼形等。进一步，壳体201包括第一壳体2011、第二壳体2012和连接盖2013。第一壳体2011和第二壳体2012能够分别与连接盖2013可拆卸地连接到一起，并且在装配好的状态下，连接盖2013能够密封第一壳体2011和第二壳体2012，以使第一壳体2011与连接盖2013之间能够形成一个密闭的空间，使第二壳体2012与连接盖2013之间也能够形成一个密闭的空间。

虽然图中并未示出，但是在本公开的优选实施例中，第一壳体2011、第二壳体2012和连接盖2013都是采用钛合金或铝合金冲压制成，或者本领域技术人员也可以根据需要，使第一壳体2011、第二壳体2012和连接盖2013中的至少一个采用钛合金或铝合金冲压制成。进一步，第一壳体2011上还设置有用于安装弹性片208的通孔。

如图4和图5所示，弹性片208嵌入到第一壳体2011上的通孔中，并且弹性片208的周向边缘与该通孔的侧壁密封的连接到一起，或者弹性片208与第一壳体2011以密封的形式连接到一起，并将该通孔封闭。第一光纤光栅压力脉动传感器204固定地连接到弹性片208的外侧，第二光纤光栅压力脉动传感器205固定地连接到弹性片208的内侧，并且第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205相对于弹性片208对称设置，以便第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205能够随着弹性片208的形变产生应变值相等但是方向相反的形变。

进一步，弹性片208具有良好的导热特性，例如导热硅胶片、石墨烯膜片等，通过第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205来检测液体压力的具体技术手段，本领域技术人员可以参照2013年9月份出版的《仪器仪表学报》(第39卷，第9期)的第2155页有关原理可知，这种利用反向变形差减原理，可以有效消除光纤光栅传感器关于温度和应变交叉敏感问题中的温度对应变的影响。然后在此基础上，可获得压力应变的测量值。利用膜片直接接触工作介质，可获得压力应变的测量值的变动量，从而，能够及时测量环境压力的波动。通过压力测量值在单位时间内变动情况，根据现有的计算机处理技术，能够很容易地获得，所以此处不再做过多说明。

继续参阅图4和图5，气囊2091设置在第一壳体2011中，并且气囊2091与第一壳体2011及连接盖2013之间填充弹性物质2092，用于将气囊2091封装在弹性物质2092内，形成弹性体209。前述弹性片208与气囊2091或前述弹性物质2092不相接触，从而使得前述弹性片208与前述弹性体209之间形成空腔218，空腔218内充入0.1MPa压力的氢气或氦气，并保证前述弹性片208最大变形时不触及前述弹性体209。需要进一步说明的是，空腔内充入的氢气或氦气能起到一定的背压作用，能够避免弹性片208在标准大气压时出现凹陷，同时，空腔内充入的氢气或氦气能起到一定的导热和阻尼作用，在管路内液体温度或压力出现扰动时，能够避免弹性片208与第一壳体2011之间存在的收缩率不一致的热裂或者出现弹性片208的震颤现象。

进一步，本领域技术人员还可以根据需要，前述在气囊2091与壳体201之间设有的弹性物质2092，可以是弹性填充物，该弹性填充物包括橡胶或树脂等材料。也可以在壳体201的外部设置表皮，表皮封装在壳体201和光纤外部，表皮和管道内的液体相容(表皮与液体不发生化学反应)。

继续参阅图4和图5，第一固定板212和第二固定板213分别固定到第二壳体2012中，具体地，第一固定板212通过焊接或导热粘结或通过第一固定柱(图中未标示)与第二壳体2012固定连接(例如焊接或导热粘接)，第二固定板213通过焊接或导热粘结或通过第二固定柱(图中未标示)与第一固定板212固定连接(例如焊接或导热粘接)。导热片210的一端与第一固定板212固定连接；导热片210的另一端与第二固定板213可相对移动地连接到一起，具体地，第二固定板213上设置有允许导热片210贯穿的通孔(图中未标示)，导热片210的另一端插入该通孔中，以便导热片210受热能够自由变形。优选地，导热片210是能够起到测温增敏作用的铝片，而且，铝片为弧形瓦状的纵向长条，光纤光栅温度传感器202紧贴在弧形瓦状铝片的纵向轴线中部。当然，本领域技术人员也可以根据需要，将导热片210设置成其它任意形式的结构，例如铜片、锌片等材料的平板、圆筒等结构。

导热丝211贯穿第二壳体2012的侧壁(或者贯穿连接盖2013与第二壳体2012间的缝隙与外界相通)，并且一端与导热片210固定连接，另一端伸出到第二壳体2012的外侧，以便将四通管接头1内液体的热量传递至导热片210上，进而被固定到导热片210上的光纤光栅温度传感器202检测到。其中，光纤光栅温度传感器202能够随着导热片210的纵向形变而发生纵向形变，使得光纤光栅温度传感器202能够随着导热片210的受热伸长而增大光栅的纵向形变量，从而使所述导热片210对所述光纤光栅温度传感器202起到增敏的作用，以便提高光纤光栅温度传感器202的测量灵敏度。同时，由于导热片210(其作为测温光栅增敏件)纵向变形时仅一端固定，另一端可自由移动，克服了导热片210热胀冷缩时引起的内在热应力变形对光纤光栅温度传感器202的纵向信号的干扰，提高了光纤光栅温度传感器202的检测精度。

此外，本领域技术人员也可以根据需要，使导热丝211位于第二壳体2012内部的一端与第一固定板212固定连接，以使导热丝211先将外界环境中的热量传递给第一固定板212，然后再由第一固定板212将热量传递给导热片210。

虽然图中并未示出，但是第二壳体2012内还填充有导热硅油，导热硅油的体积在第二壳体2012内空间体积的1/2至4/5之间，以便导热硅油也能够可靠地将四通管接头1内液体的热量传递至导热片210上，并保证不因过量的导热硅油的膨胀或外部压力的传导作用，造成对光纤光栅温度传感器202中的光栅产生额外压应变的的作用。本领域技术人员能够理解的是，淹没导热片210的导热硅油增强了导热片210受热的均匀性以及与壳体201间传导热的快速性。

继续参阅图4和图5，光纤光栅温度压力传感器203固定地安装到第二壳体2012的侧壁的外侧(优选地，放置在与弹性片208对称的正下方，垂直与流体流速方向，保证压力和压力波动检测值可以相互参照，不受流体动压的影响)，第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207相对于壳体201的长轴线对称地设置在连接盖2013的圆周面上(优选地，第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207两传感器所在平面，与流体流速方向平行)。

虽然图中并未明确示出，但是第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207是参数相同的光纤光栅传感器，以便在外界环境(压力或温度)相同时，第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207所检测到的数据能够相互差减，而差减数值就可对应流体的流速，同时，也可根据差减数值正负关系，测量流向；同时，也可根据差减数值随时间的变动量，测量流速的波动情况。

下面结合图1、图4和图5,来对复合传感器2工作原理进行简单说明。

在四通管接头3中通入了流动的液体时，导热丝211能够将液体的热量传递给导热片210，从而使导热片210上粘贴的光纤光栅温度传感器202能够随着导热片210的受热伸长而增大光栅的纵向形变量，使导热片210对光纤光栅温度传感器202起到增敏的作用，从而使光纤光栅温度传感器202获得温度数值和温度增敏精度。具体的，通过计算此时光纤光栅温度传感器202引起的光波变化，来获取四通管接头3中液体的精确温度。避免了壳体外环境压力对光纤光栅温度传感器202检测结果的交叉影响。

同时，四通管接头3中液体温度和压力的变化也会引起光纤光栅温度压力传感器203的形变，进而可以根据此时光纤光栅温度压力传感器203引起的光波相关参数的变化(例如：光栅透射光或反射光的特征波长中心偏移量，或斯托克斯参量的变化)，来获取四通管接头3中液体的温度或压力的综合数据。然后，通过将光纤光栅温度压力传感器203与光纤光栅温度传感器202各自检测到数据进行比对，根据标定时预存的对应数据组来获得四通管接头1中液体的压力。避免了现有技术中单独通过光纤光栅压力传感器用光栅中心波长漂移量测量液体的压力时受液体的温度的交叉影响，进而导致压力检测数值提取困难的情形。

同时，由于第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207同时处于四通管接头3中液体压力和温度共同作用的环境中，且其光栅特征值相同，此时根据第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207引起的特征光波信号变化的差值，不受外界环境压力或温度的影响，从而，根据第一光纤光栅流速传感器206和第二光纤光栅流速传感器207检测的特征光信号的综合数据(包含压力和温度信号的数值)的差值来计算四通管接头3中液体的流速，有辅助的计算机系统对流速随时间的变化情况，可以计算出流速波动情况，并且，可以根据差减数据正负关系，确定液体的流向。

同时，四通管接头3中流动的液体有可能会发生脉动(压力时刻变化)，并因此引起弹性片208发生形变的周期变化，从而导致第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205被迫发生周期的形变，然后根据此时第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205引起的特征光波信号的周期变化，分别获取第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205检测液体实时的压力脉动变化。本领域技术人员能够理解的是，设置在弹性片208两侧的第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205也能够起到消除温度对压力检测的交叉影响。具体地，弹性片208能够起到导热的作用，因此第一光纤光栅压力脉动传感器204和第二光纤光栅压力脉动传感器205检测的数值的差值，即为壳体201外侧的液体压力值(具体请参加参照2013年9月份出版的《仪器仪表学报》(第39卷，第9期)的第2155页有关原理可知，这种利用反向变形差减原理，可以有效消除光纤光栅传感器关于温度和应变交叉敏感问题，进而可获得不受温度影响的压力测量值。)。然后在此基础上，利用膜片直接(或通过表皮间接)接触工作介质，能够及时测量环境压力测量值波动的原理，可以确定该压力值随时间变动量即为压力脉动。

当然，本领域技术人员也可以根据需要，也可以直接通过第一光纤光栅压力脉动传感器204检测的数据与第二光纤光栅压力脉动传感器205检测的数据之间的差值的变动量来精准地检测外界液体压力的波动。

此外，在实际使用过程中，本领域技术人员还可以根据需要，将多个复合传感器2串联到一起使用，使每一个复合传感器2分别检测液体管路内多个位置处的参数。需要说明的是，为了使串联到一起的多个复合传感器2彼此之间的测量数据不会发生影响，需要把多个复合传感器2之间的光栅的特征值设置为不同。具体地，将串联到一起的多个光纤光栅传感器之间的光栅的特征值设置为不同，以便串联到一起的多个光纤光栅传感器中的每一个复合传感器都对应不同的特征光栅，每一个串联的复合传感器对应的各个传感器(光纤光栅温度传感器、光纤光栅温度压力传感器、光纤光栅压力脉动传感器、第一光纤光栅流速传感器和第二光纤光栅流速传感器)分别对应，具体的，就是光纤光栅温度传感器串接光纤光栅温度传感器、光纤光栅温度压力传感器串接光纤光栅温度压力传感器、光纤光栅压力脉动传感器串接光纤光栅压力脉动传感器(弹性片外侧的对应外侧，内侧对应内侧)、第一光纤光栅流速传感器串接第一光纤光栅流速传感器、和第二光纤光栅流速传感器串第二光纤光栅流速传感器接，以便查对方便。进一步，为了方便数据的采集，本领域技术人员还可以根据需要，使每一个复合传感器2上的多个光纤光栅传感器的光栅的特征值相同。

至此，已经结合前文的多个实施例描述了本公开的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本公开的保护范围并不仅限于这些具体实施例。在不偏离本公开技术原理的前提下，本领域技术人员可以对上述各个实施例中的技术方案进行拆分和组合，也可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，凡在本公开的技术构思和/或技术原理之内所做的任何更改、等同替换、改进等都将落入本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于管路内流体参数检测的复合传感器，其特征在于，所述复合传感器包括：

壳体，其设置成具有流线型的外表面；

光纤光栅温度传感器，其设置在所述壳体的内部，并且能够检测所述复合传感器所处环境中液体的温度；

光纤光栅温度压力传感器，其设置在所述壳体上，并且能够检测所述复合传感器所处环境中液体的温度和压力的综合数据；

光纤光栅压力脉动传感器，其设置在所述壳体上，并且能够检测所述复合传感器所处环境中液体的压力波动。

2.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，所述壳体包括第一壳体、第二壳体和连接盖，所述第一壳体位于所述连接盖的一侧并且与所述连接盖固定连接，所述第二壳体位于所述连接盖的另一侧并且与所述连接盖固定连接。

3.根据权利要求2所述的复合传感器，其特征在于，所述第一壳体上设置有通孔；

所述复合传感器还包括设置在所述通孔处的弹性片，所述弹性片与所述第一壳体密封连接并因此完全封闭所述通孔；

所述光纤光栅压力脉动传感器包括固定到所述弹性片外侧的第一光纤光栅压力脉动传感器和对应固定在所述弹性片内侧的第二光纤光栅压力脉动传感器，以便通过所述第一光纤光栅压力脉动传感器检测的数据与所述第二光纤光栅压力脉动传感器检测的数据之间的差值的波动来检测所述压力波动。

4.根据权利要求3所述的复合传感器，其特征在于，所述复合传感器还包括设置在所述第一壳体内的气囊，所述气囊与所述壳体及所述气囊与所述连接盖之间填充弹性物质，用于将所述气囊封装在弹性物质内，形成弹性体；

所述弹性片与所述气囊或所述弹性物质不相接触，从而使得所述气囊或所述弹性物质和连接盖之间形成空腔，所述空腔内充入0.1MPa压力的氢气或氦气，保证所述弹性片对外界有一定的背压作用；所述空腔的间距用于保证所述弹性片最大变形时不触及所述弹性体。

5.根据权利要求2所述的复合传感器，其特征在于，所述复合传感器还包括填充在所述第二壳体内的导热硅油，所述导热硅油浸没所述光纤光栅温度传感器，以便增强所述壳体与所述光纤光栅温度传感器之间温度的一致性。

6.根据权利要求5所述的复合传感器，其特征在于，所述复合传感器还包括导热片以及设置在所述第二壳体内并且与所述第二壳体固定连接的第一固定板和第二固定板，

所述导热片的一侧侧壁与所述第一固定板固定连接，以便保证所述导热片与所述第一固定板之间能够及时进行热传导；所述导热片的另一侧侧壁与所述第二固定板可相对移动的连接到一起，以便所述导热片的所述另一侧侧壁在所述导热片受热发生形变时能够自由移动；

所述光纤光栅温度传感器与所述导热片固定连接，以使所述光纤光栅温度传感器能够随着导热片的受热伸长而增大光栅的纵向形变量，从而使所述导热片对所述光纤光栅温度传感器起到增敏的作用。

7.根据权利要求6所述的复合传感器，其特征在于，所述复合传感器还包括贯穿所述第二壳体的导热丝，所述导热丝与所述第一固定板固定连接，以便所述导热丝能够在所述复合传感器所处环境中的液体与所述第一固定板之间建立快速的热量传递通道。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的复合传感器，其特征在于，所述复合传感器还包括第一光纤光栅流速传感器和第二光纤光栅流速传感器，

所述第一光纤光栅流速传感器和所述第二光纤光栅流速传感器沿所述壳体的轴线对称地设置在所述壳体的外侧，以便通过所述第一光纤光栅流速传感器检测的数据与所述第二光纤光栅流速传感器检测到的数据之间的差值来检测所述复合传感器所处环境中液体的流速和流向或流速的变动量。

9.根据权利要求8所述的复合传感器，其特征在于，所述复合传感器还包括多根贯穿所述壳体的光纤，所述光纤的材质和规格均相同，每一根所述光纤在所述壳体内或表面的特定部分都刻录有光栅，所述光栅的特征值均相同，并因此形成所述光纤光栅温度传感器、所述光纤光栅温度压力传感器、所述光纤光栅压力脉动传感器、所述第一光纤光栅流速传感器和所述第二光纤光栅流速传感器；

所述复合传感器还包括与所述光纤远离所述传感器的一端相连接的光纤连接头。

10.根据权利要求9所述的复合传感器，其特征在于，所述壳体设置成橄榄球状或椭圆球状。

Images