CN213239282U - 一种温度补偿式光纤压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种温度补偿式光纤压力传感器，包括受压台、传力柱和菱形压力感测器；受压台与传力柱的外侧面相固连；菱形压力感测器位于传力柱的内侧面，并与传力柱相接触；菱形压力感测器包括：菱形梁和光纤光栅；菱形梁包括围合连接呈菱形结构的四个侧梁，四个侧梁的内侧和外侧相对应位置分别粘接有光纤光栅。本实用新型通过光纤光栅在菱形压力感测器内的结构设置，提高了传感精度；此外，本实用新型通过所引入的压力感测结构，能确保后续的数据处理计算中将温度项自动抵消，从而实现温度自补偿、消除温度对传感器的影响。

Description

一种温度补偿式光纤压力传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感器技术领域，更具体的说是涉及一种温度补偿式光纤压力传感器。

背景技术

光纤光栅4是最近几十年发展最为迅速的一种新型的光纤无源器件。光纤光栅传感器除具有光纤传感器的全部优点外，还具备其独特的优越性，如：抗干扰能力强、光纤光栅是自参考的，可以进行绝对测量、传感探头结构简单、便于构成各种形式的光纤传感网络，并且特别适于恶劣环境中应用。光纤传感器作为一种新型的传感器件已应用到各个领域，发挥着重要的作用。光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电传感器相比具有很多优势。但是，当前光纤光栅传感器存在温度与应变交叉敏感效应的问题，在测量应变时，温度的影响很难消除，从而限制了其实际应用。

因此，如何提供一种有利于消除温度对传感器的影响的光纤压力传感器及其受力计算方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种温度补偿式光纤压力传感器。通过光纤光栅在菱形压力感测器内的结构设置，提高了传感精度；此外，本实用新型通过所引入的压力感测结构，能确保后续的数据处理计算中将温度项自动抵消，从而实现温度自补偿、消除温度对传感器的影响。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的实用新型内容的一个方面公开了一种温度补偿式光纤压力传感器，包括受压台、传力柱和菱形压力感测器；其中，

所述受压台与所述传力柱的外侧面相固连；

所述菱形压力感测器位于所述传力柱的内侧面，并与所述传力柱相接触；所述菱形压力感测器包括：菱形梁和光纤光栅；

所述菱形梁包括围合连接呈菱形结构的四个侧梁，四个所述侧梁的内侧和外侧相对应位置分别粘接有所述光纤光栅。

优选的，所述传力柱具有两个，分别位于所述菱形压力感测器相对的两端。

优选的，所述受压台具有两个，分别固连于两个所述传力柱的外侧面。

优选的，所述受压台、所述传力柱均设有供光纤光栅穿出的孔洞，所述光纤光栅的一端通过所述孔洞穿出并连接至光缆线。

优选的，还包括导线管，所述导线管用于容纳穿出的所述光纤光栅，所述导线管由所述受压台的孔洞延伸至所述光纤光栅与所述光缆线的连接节点。

优选的，所述菱形结构的对角线尺寸为8cm×4cm；所述受压台位于长对角位置上。

优选的，还包括保护壳，所述保护壳包覆所述传力柱和所述菱形压力感测器。

优选的，所述侧梁的材质为弹塑性钢材。

本实用新型还公开了一种基于本实用新型内容第一方面的温度补偿式光纤压力传感器结构的受力计算方法：

传感器受力表达式：

P₀＝k₀·ε₀ (1)

其中，P₀为受压台受到的压力，ε₀为菱形梁受压下的轴向应变，k₀为比例系数；

其中，Δλ为光纤光栅波长变化量，λ为光纤光栅初始波长，k₁为应变比例系数，k₂为温度比例系数，ε为光纤光栅应变，ΔT为温度变化；

从而，

顶部两个侧梁上光纤光栅产生的应变，分别为ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，波长及波长变化量分别为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄和Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，其中：

ε₀＝(ε₁-ε₂-ε₃+ε₄)/4 (3)

则：

温度项被约掉，令：

带入式(1)简化得：

P₀＝w₀·Δλ₀ (7)

其中，w₀为比例系数，通过室内标定试验得到；

所述温度补偿式光纤压力传感器受力计算公式为：

P＝w₀·Δλ₀/A₀ (8)

其中，P为传感器所受压力，A₀为传感器传力柱受力面的面积。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种温度补偿式光纤压力传感器及受力计算方法，与传统的应变片传感器相比，本实用新型通过光纤光栅取代传统的应变片传感器，实现光纤传感，并且利用菱形压力感测器的菱形结构，以及光纤光栅与菱形梁之间的设置方式，提高了传感精度；此外，由本实用新型光纤压力传感器的受力计算过程可以看出，本实用新型通过所引入的菱形压力感测器结构，能确保后续的数据处理计算中将温度项自动抵消，从而实现温度自补偿、消除温度对传感器的影响，使本实用新型具有更好的耐久性、数据准确性、连续性、再现性、操作省力等优点。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的温度补偿式光纤压力传感器结构示意图；

图2为本实用新型提供的保护壳与传力柱设置位置关系示意图。

图中：传力柱1、菱形梁2、光缆线3、光纤光栅4、保护壳5、受压台6、导线管7。

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。

本实用新型实施例的第一方面公开了一种温度补偿式光纤压力传感器，图1为本实施例的温度补偿式光纤压力传感器结构示意图。本实用新型的工作原理在于，当受压台6受到压力作用时，传力柱1则压迫菱形梁2产生微小的轴向应变，而粘贴在其侧面的光纤光栅4将产生与其相同的应变，从而导致光纤光栅4的中心反射波长发生变化，将光纤光栅4通过光缆线3连接到光纤光栅解调设备，以此来监测光纤光栅4中心波长的漂移，从而得到每个传感器波长和所受压力的关系。

如图1所示，本实施例中的温度补偿式光纤压力传感器，包括受压台6、传力柱1和菱形压力感测器；其中，

受压台6与传力柱1的外侧面相固连。

本领域技术人员可以理解的是，传力柱1的外侧面为背向菱形压力感测器的一面。

菱形压力感测器位于传力柱1的内侧面，并与传力柱1相接触；菱形压力感测器包括：菱形梁2和光纤光栅4；

菱形梁2包括围合连接呈菱形结构的四个侧梁，四个侧梁的内侧和外侧相对应位置分别粘接有光纤光栅4。

本实施例中，光纤光栅4沿着侧梁的长度方向顺向粘接。光纤光栅4的导出路线为，顺着菱形梁2从传力柱1穿出，再从受压台6和导线管7穿出。

在一个实施例中，受压台6和传力柱1通过螺丝固连在一起。

在本实施例中，受压台6为金属材质，通过螺丝与传力柱1相连，受压台6的受力面平整便于受压。

在一个实施例中，菱形压力感测器与传力柱之间通过螺丝连接。

在一个实施例中，传力柱具有两个，分别位于菱形压力感测器相对的两端。

在本实施例中，传力柱1为金属材质，传力柱上设有螺纹孔，用于匹配螺丝与受压台6相连接，

在一个实施例中，受压台具有两个，分别固连于两个传力柱的外侧面。

在一个实施例中，受压台、传力柱均设有供光纤光栅穿出的孔洞，光纤光栅的一端通过孔洞穿出并连接至光缆线。

本实施例中，传力柱顶面具有使光纤光栅穿出的孔洞，受压台的下底部有一个凹槽，凹槽位置与传力柱上穿出光纤光栅的孔洞相对应，并贯通至受压台侧面外部

在一个实施例中，导线管7用于容纳穿出的光纤光栅，导线管7由受压台的孔洞延伸至光纤光栅与光缆线的连接节点。

在本实施例中，导线管设置在保护壳外侧，光纤光栅依次从传力柱顶部穿出，沿受压台下底面凹槽穿出，然后再进入导线管。

在一个实施例中，菱形结构的对角线尺寸为8cm×4cm；受压台位于长对角位置上。

在一个实施例中，还包括保护壳，保护壳包覆菱形压力感测器。

本实施例中，参见图2，受压台6与保护壳5没有接触。保护壳5为金属材质，内腔的尺寸为10cm×6cm。保护壳与传力柱外壳相连接，传力柱外壳为圆管，套装在传力柱外侧，传力柱外壳高度小于传力柱，使得传力柱能够穿出圆管与受压台接触并受力。

在一个实施例中，侧梁的材质为弹塑性钢材，弹性模量较大，菱形梁整体可以承受较大的压力，初次实验受力量程可达到5-50kg。

本实用新型实施例的第二方面公开了一种温度补偿式光纤压力传感器的受力计算方法。当在传感器的上下底面均匀施加压力时，菱形梁会发生微小的轴向应变，而粘贴在其侧面的光纤光栅4将产生与其相同的应变，从而导致的中心反射波长发生变化，这种波长的改变经过光纤光栅4解调仪采集并传输到计算机，计算机可将光纤光栅4波长的改变转换成为所受的压力的变化。

传感器受力表达式：

P₀＝k₀·ε₀ (1)

其中，P₀为受压台受到的压力，ε₀为菱形梁受压下的轴向应变，k₀为比例系数；

本领域技术人员可以理解的是，菱形梁的轴向为沿着菱形梁长度的方向。

其中，Δλ为光纤光栅波长变化量，λ为光纤光栅初始波长，k₁为应变比例系数，k₂为温度比例系数，ε为光纤光栅应变，ΔT为温度变化；

从而，

在菱形梁八个侧面均贴有光纤光栅4，因为顶部两个侧梁和底部两个侧梁的所受压力一样，所以本实施例仅计算顶部两个测量的应力，顶部两个侧梁上光纤光栅产生的应变，分别为ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，波长及波长变化量分别为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄和Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，其中：

ε₀＝(ε₁-ε₂-ε₃+ε₄)/4 (3)

则：

温度项被约掉，令：

带入式(1)简化得：

P₀＝w₀·Δλ₀ (7)

其中，w₀为比例系数，通过室内标定试验得到；

所述温度补偿式光纤压力传感器受力计算公式为：

P＝w₀·Δλ₀/A₀ (8)

其中，P为传感器所受压力，A₀为传感器传力柱受力面的面积。

由上述计算过程可以看出，本实用新型通过所引入的菱形压力感测器结构，能确保后续的数据处理计算中将温度项自动抵消，从而实现温度自补偿、消除温度对传感器的影响，使本实用新型具有更好的耐久性、数据准确性、连续性、再现性、操作省力等优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种温度补偿式光纤压力传感器，其特征在于，包括受压台、传力柱和菱形压力感测器；其中，

所述受压台与所述传力柱的外侧面相固连；

所述菱形压力感测器位于所述传力柱的内侧面，并与所述传力柱相接触；所述菱形压力感测器包括：菱形梁和光纤光栅；

所述菱形梁包括围合连接呈菱形结构的四个侧梁，四个所述侧梁的内侧和外侧相对应位置分别粘接有所述光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的一种温度补偿式光纤压力传感器，其特征在于，所述传力柱具有两个，分别位于所述菱形压力感测器相对的两端。

3.根据权利要求2所述的一种温度补偿式光纤压力传感器，其特征在于，所述受压台具有两个，分别固连于两个所述传力柱的外侧面。

4.根据权利要求1所述的一种温度补偿式光纤压力传感器，其特征在于，所述受压台、所述传力柱均设有供所述光纤光栅穿出的孔洞，所述光纤光栅的一端通过所述孔洞穿出并连接至光缆线。

5.根据权利要求4所述的一种温度补偿式光纤压力传感器，其特征在于，还包括导线管，所述导线管用于容纳穿出的所述光纤光栅，所述导线管由所述受压台的孔洞延伸至所述光纤光栅与所述光缆线的连接节点。

6.根据权利要求1所述的一种温度补偿式光纤压力传感器，其特征在于，所述菱形结构的对角线尺寸为8cm×4cm；所述受压台位于长对角位置上。

7.根据权利要求1所述的一种温度补偿式光纤压力传感器，其特征在于，还包括保护壳，所述保护壳包覆所述传力柱和所述菱形压力感测器。

8.根据权利要求1所述的一种温度补偿式光纤压力传感器，其特征在于，所述侧梁的材质为弹塑性钢材。

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