CN216645695U - 基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，属于液态环境数据测量传感器技术领域，所述基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器包括壳体、受压胶头和光纤光栅；壳体内部设有弹性膜片，弹性膜片将壳体内部分为受压区和检测区，受压区内填充有气体；受压胶头密封设于壳体上，受压胶头内部开设有与受压区连通的腔体；光纤光栅设于检测区内，光纤光栅的一端连接于弹性膜片，光纤光栅的另一端连接于远离弹性膜片的一端壳体的内部并连接光缆至外部传递信息。本实用新型提供的传感器，旨在提升测量液态压力的灵敏度，从而使测量数据进一步精准化。

Description

基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器

技术领域

本实用新型属于液态环境数据测量传感器技术领域，具体涉及一种基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器。

背景技术

近年来，光纤光栅(FBG)传感器技术一直是人们备受关注的研究课题。光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。

光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅(long period grating)法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG/LPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为9×10-6，1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅/F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20×10-6，1℃，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。

现有的液态环境测量传感器测量灵敏度不够，无法实现对微小改变的监测，从而使测量数据进一步的精准化；无法根据不同的测量环境及需求改变量程和灵敏度。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，旨在提升测量液态压力的灵敏度，从而使测量数据进一步精准化。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，包括：

壳体，所述壳体内部设有弹性膜片，所述弹性膜片将所述壳体内部分为受压区和检测区，所述受压区内填充有气体；

受压胶头，所述受压胶头密封设于所述壳体上，所述受压胶头内部开设有与所述受压区连通的腔体；

光纤光栅，所述光纤光栅设于所述检测区内，所述光纤光栅的一端连接于所述弹性膜片，所述光纤光栅的另一端连接于远离所述弹性膜片的一端壳体的内部并连接光缆至外部传递信息。

在一种可能的实现方式中，所述壳体的侧壁开设有连通受压区和外部的注气孔，所述注气孔内设有可开启的密封堵件。

一些实施例中，所述密封堵件为密封塞或密封胶。

一些实施例中，所述受压区内充满有惰性气体。

在一种可能的实现方式中，所述受压胶头靠近壳体一端设有第一卡环，所述壳体上设有与所述第一卡环匹配的第一卡槽，以使所述受压胶头连接于所述壳体。

在一种可能的实现方式中，所述弹性膜片的下端面周向等距设有多个第一连接管，所述检测区远离所述弹性膜片一端设有第二连接管，所述光纤光栅数量为多个，且两端分别连接于对应的所述第一连接管和同一所述第二连接管。

一些实施例中，所述第二连接管的外壁周向设有第二卡环，所述壳体上设有与所述第二卡环匹配的第二卡槽，以使所述第二连接管连接于所述壳体。

在一种可能的实现方式中，所述壳体内与所述弹性膜片对应位置设有环槽，所述弹性膜片卡接于所述环槽内，以将所述弹性膜片固定。

在一种可能的实现方式中，所述壳体为硬质合金材质。

本实现方式中，将本装置置于液体环境中，受压胶头受液体的压力变形，导致受压区内部的气体压强发生变化，继而弹性膜片受力变形，弹性膜片动作，带动与其连接的光纤光栅压缩使其波长改变，根据公式换算可直接得出外部压力值。

该基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，与现有技术相比，具有以下突出效果：

(1)本方案基于应力应变FBG的传感器方式，对外部压力进行直接传感，再通过计算机直接计算并得出结果，该技术有效的避免了因人为误差或环境差异导致的数据错误。

(2)该技术采用FBG应变传感器具有灵敏度高，测量延时低等多种特性。该传感器有着无需二次转换，直接对使用的液态或气态物质进行实时监控。

(3)其中受压胶头，可根据不同环境基础压强进行调整，更好的适应不同环境的使用，进一步的扩大可使用的范围，使该传感器拥有更大的使用市场。

(4)由于光纤光栅传感器具有防水性能好、寿命长和抗磁干扰性好等优点，因此本装置适用于长期监测,并且也可应用于受磁场影响区域。

(5)本发明装置体积较小，可安装在大型装置上进行内部测量，或在其内部进行健康监视。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器的内部结构示意图一；

图2为本实用新型实施例提供的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器的内部结构示意图二；

图3为本实用新型实施例提供的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器检测区部分的内部结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器受压区部分的内部结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器的立体结构示意图。

附图标记说明：

1、受压胶头；2、第一卡环；3、受压区；4、弹性膜片；5、第一连接管；6、检测区；7、第二连接管；8、第一管孔；9、第二管孔；10、壳体；11、注气孔。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请一并参阅图1及图5，现对本实用新型提供的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器进行说明。所述基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，包括壳体10、受压胶头1和光纤光栅；壳体10内部设有弹性膜片4，弹性膜片4将壳体10内部分为受压区3和检测区6，受压区3内填充有气体；受压胶头1密封设于壳体10上，受压胶头1内部开设有与受压区3连通的腔体；光纤光栅设于检测区6内，光纤光栅的一端连接于弹性膜片4，光纤光栅的另一端连接于远离弹性膜片4的一端壳体10的内部并连接光缆至外部传递信息。

受压区3在受压胶头1受力体积改变时，部分气体在受压区3内进行压缩，导致受压区3压强值改变，反映在弹性膜片4的弹性形变上。检测区6内的应力应变FBG受到弹性膜片4的形变影响，导致应力应变FBG压缩使其波长改变进而反应弹性膜片4的受压情况，根据公式换算可直接得出外部压力值。

本实施例提供的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，主要功能为利用FBG微小形变精准测量该状态下液态环境实时数据情况，其次也可对非液状态进行测量，通过FBG受力数值直接反映受压区3受压数值。其优点在于利用应力应变FBG可将传感器测量灵敏度改变至极小，从而实现对微小改变的监测，且利用均力方法将受力均分从而使测量数据进一步的精准化，甚至可在一定程度上达到减少误差和对该传感器是否健康进行预测。突出效果在于该装置采用密封气体方式对环境进行测量，可在大致了解环境压力状态的情况下更换受压胶头1，从而达到对不同受压区3的适应性测量，且可根据需要更换膜片厚度对变化幅度较大区域起到增加测量量程的效果。

该传感器能够对不同于固态的应力应变进行持续测量，且其测量方式直接作用于应力应变FBG无需进行结构二次包装，以达到更加准确的测量结果。且该装置可利于在其他大型装置之中进行微小液压气压改变量测量，为各类机械装置的工程性质研究和应用提供压力的分布特征及其变化的有效信息。另外，该传感装置具有线性度高、对不同环境适应性强、耐久程度较高、测量准确度较高、装配简便、便于组网、可串联使用等优点。该传感器使用方法简单可行，且容易被一般工程人员所掌握。

与现有技术相比，具有以下突出效果：

(1)本方案基于应力应变FBG的传感器方式，对外部压力进行直接传感，再通过计算机直接计算并得出结果，该技术有效的避免了因人为误差或环境差异导致的数据错误。

(2)该技术采用FBG应变传感器具有灵敏度高，测量延时低等多种特性。该传感器有着无需二次转换，直接对使用的液态或气态物质进行实时监控。

(3)其中受压胶头1，可根据不同环境基础压强进行调整，更好的适应不同环境的使用，进一步的扩大可使用的范围，使该传感器拥有更大的使用市场。

(4)由于光纤光栅传感器具有防水性能好、寿命长和抗磁干扰性好等优点，因此本装置适用于长期监测,并且也可应用于受磁场影响区域。

(5)本发明装置体积较小，可安装在大型装置上进行内部测量，或在其内部进行健康监视。

在一些可能的实现方式中，为方便补充受压区3内的气体，参见图4及图5，壳体10的侧壁开设有连通受压区3和外部的注气孔11，注气孔11内设有可开启的密封堵件。

本实施例中，通过注气孔11可向受压区3内注气，以补充内部气体，或根据液体环境补充压强，以符合测量量程范围。在受压区3装有注气孔11，即可在受压胶头1安装完成后依然可进行受压区3内部基础压强的调节，用于其他工作环境。

在一些可能的实现方式中，参见图4及图5，密封堵件为密封塞或密封胶。

本实施例中，通过密封塞或者密封胶密封注气孔11，以防止受压区3内部漏气，影响测量精度。

可选地，在受压区3的对应壳体10上还设有出气孔，以方便将受压区3内的不合格气体或者杂质排出。出气孔也设有密封塞或者密封胶以密封受压区3。

在一些可能的实现方式中，受压区3内充满有惰性气体。

本实施例中，在受压区3内所采用的传力介质为氮气，氮气化学性质稳定，可以保证该装置应用范围更加广泛，监测效果稳定可靠。

在受压胶头1内部与受压区3内均注入定量惰性气体用于压力检测，同时可避免环境温度及其他原因对传感器灵敏度影响。

可选地，由于需要注入保护气氮气，需将受压胶头1倒放后注入保护气再将受压区3从注气孔11注入保护气，经此操作后受压区3和受压胶头1均已充满目标气体，将受压胶头1和受压区3连接。也可通过注气孔11和出气孔配合，注入惰性气体并排出其他气体。最后如需调整受压区3及受压胶头1的基础压力值，只需对注气孔11进行充放保护气即可。

在一些可能的实现方式中，参见图1，受压胶头1靠近壳体10一端设有第一卡环2，壳体10上设有与第一卡环2匹配的第一卡槽，以使受压胶头1连接于壳体10。

本实施例中，通过第一卡环2和第一卡槽配合，以将受压胶头1连接于壳体10，并通过密封胶进行密封，保证气压稳定性。

可选地，受压胶头1和壳体10胶粘连接。

在一些可能的实现方式中，上述光纤光栅的连接方式可以采用如图1所示结构。参见图1，弹性膜片4的下端面周向等距设有多个第一连接管5，检测区6远离弹性膜片4一端设有第二连接管7，光纤光栅数量为多个，且两端分别连接于对应的第一连接管5和同一第二连接管7。

本实施例中，多个光纤光栅分别连接于弹性膜片4下端面的不同位置，以通过不同位置准确测量弹性膜片4的受力情况，进而使得到的测量数据更加准确。

通过下端的第二连接管7与外部铠式光缆连接，以达到传输信息的作用，与外界分析设备接通得到相应数据。

具体地，参见图3，第一连接管5和第二连接管7均为中空的钢管且第一连接管5的数量为三个，光纤光栅的上端分别焊接至三个第一连接管5的第一管孔8，光纤光栅的下端焊接至第二连接杆的第二管孔9，在外部使用铠式光缆用于信息的传输。

在一些可能的实现方式中，参见图1及图2，第二连接管7的外壁周向设有第二卡环，壳体10上设有与第二卡环匹配的第二卡槽，以使第二连接管7连接于壳体10。

本实施例中，通过第二卡环和第二卡槽配合，以将第二连接管7连接于壳体10上。

可选地，第二连接管7和壳体10还可以采用螺纹连接的方式连接固定。其中，第一连接管5与弹性膜片4下端面焊接。

在一些可能的实现方式中，参见图1，壳体10内与弹性膜片4对应位置设有环槽，弹性膜片4卡接于环槽内，以将弹性膜片4固定。

本实施例中，弹性膜片4卡接于壳体10的环槽内，以将壳体10分区，其中，弹性膜片4与环槽对应位置设置密封胶，以密封受压区3。

具体地，在壳体10内部上侧三分之一部位装有弹性膜片4，弹性膜片4为微弹性受力膜片。壳体10分为上下两部分，以方便放置弹性膜片4。

在一些可能的实现方式中，壳体10为硬质合金材质。

本实施例中，壳体10由铝合金或铁合金等硬质合金制成，可加强支撑强度。

具体地，受压胶头1由防腐性强且耐久度高的高分子结构橡胶制作。

上述传感器的安装步骤为，

将壳体10放置在安装台上，首先将弹性膜片4背面固定三个短管钢管，再将光纤光栅上端与弹性膜片4的背部三根第一连接管5进行固定，其次将光纤光栅下端连接至下端的第二连接管7，最后将弹性膜片4安装至预留的环槽中，恒压区安装完毕。

在下端的第二连接管7中穿出的连接光纤进行铠式光缆转接后，将下端连接光缆的第二卡环与壳体10的下端的第二卡槽进行安装，进行固定，下端连接结构安装完成。

在该传感器上端，由于需要注入保护气氮气，需将受压胶头1倒放后注入保护气，再将受压区3从注气口注入保护气，经此操作后受压区3和受压胶头1均已充满目标气体，将受压胶头1和受压区3通过受压胶头1的第一卡环2连接至第一卡槽最后用密封胶进行密封，保证气压稳定。

最后如需调整受压区3及受压胶头1的基础压力值，只需对注气口进行充放保护气即可。

通过将组装完成的传感器安装至装置内部或其他工作环境，通过光纤传导线将传感器与光纤解调仪相连得到相应数据，再通过数据处理得到待测物质压力数值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体内部设有弹性膜片，所述弹性膜片将所述壳体内部分为受压区和检测区，所述受压区内填充有气体；

受压胶头，所述受压胶头密封设于所述壳体上，所述受压胶头内部开设有与所述受压区连通的腔体；

光纤光栅，所述光纤光栅设于所述检测区内，所述光纤光栅的一端连接于所述弹性膜片，所述光纤光栅的另一端连接于远离所述弹性膜片的一端壳体的内部并连接光缆至外部传递信息。

2.如权利要求1所述的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，所述壳体的侧壁开设有连通受压区和外部的注气孔，所述注气孔内设有可开启的密封堵件。

3.如权利要求2所述的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，所述密封堵件为密封塞或密封胶。

4.如权利要求2所述的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，所述受压区内充满有惰性气体。

5.如权利要求1所述的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，所述受压胶头靠近壳体一端设有第一卡环，所述壳体上设有与所述第一卡环匹配的第一卡槽，以使所述受压胶头连接于所述壳体。

6.如权利要求1所述的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，所述弹性膜片的下端面周向等距设有多个第一连接管，所述检测区远离所述弹性膜片一端设有第二连接管，所述光纤光栅数量为多个，且两端分别连接于对应的所述第一连接管和同一所述第二连接管。

7.如权利要求6所述的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，所述第二连接管的外壁周向设有第二卡环，所述壳体上设有与所述第二卡环匹配的第二卡槽，以使所述第二连接管连接于所述壳体。

8.如权利要求1所述的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，所述壳体内与所述弹性膜片对应位置设有环槽，所述弹性膜片卡接于所述环槽内，以将所述弹性膜片固定。

9.如权利要求1所述的基于应力应变式光纤光栅结构测量液态环境数据传感器，其特征在于，所述壳体为硬质合金材质。

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