CN217358621U - 一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及海洋温度压力测量技术领域，公开了一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，包括压力外壳和温度壳体，压力外壳底端设置弹性膜片，顶端与温度壳体焊接在一起，压力外壳内部设置温补膜片和温补墩，温补墩上粘接有金属管一；温度壳体包括第一温度壳体和第二温度壳体，两者之间留有空隙，第一温度壳体的内侧面上开设进水腔；压力外壳内部的弹性膜片上固定光纤的一端，光纤的另一端穿过圆盘中心的过纤孔、条形凹槽和进水腔后，从温度壳体顶部穿出；光纤上写制有测压光栅和测温光栅，测压光栅施加预应力后，上部粘接在金属管一内。本实用新型所公开的传感器通过增加温补膜片来补偿温度对测量结果产生的影响，可以提高测量精度。

Description

一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器

技术领域

本实用新型涉及海洋温度压力测量技术领域，特别涉及一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器。

背景技术

光纤光栅压力传感器由于具有不受电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀等优点，被广泛用于管道压力测量、海洋环境监测等领域。

现有光纤光栅压力传感器大多采用参考光栅的方法对测压光栅进行温度补偿，这种方法采用差动式测量，温度作为共模信号被自动剔除掉，但往往出现测压光栅温度灵敏度高于参考光栅温度灵敏度，两光栅对温度的响应不一致导致压力测量误差的问题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，通过增加温补膜片来补偿温度对测量结果产生的影响，以达到提高测量精度的目的。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，包括压力外壳和温度壳体，所述压力外壳为空心圆柱状，底端设置弹性膜片，顶端与温度壳体焊接在一起，所述压力外壳内部设置温补膜片，所述温补膜片上设置温补墩，所述温补墩上粘接有金属管一；所述温度壳体为实心圆柱状，包括纵向拼接的第一温度壳体和第二温度壳体，所述第一温度壳体和第二温度壳体之间留有空隙，所述第一温度壳体的内侧面上开设纵向的条形凹槽和位于条形凹槽中部的进水腔，所述第一温度壳体底部设置圆盘，所述圆盘中心开设过纤孔；所述第二温度壳底部设置与圆盘配合的半圆凹槽，所述圆盘与压力外壳顶端焊接；所述压力外壳内部的弹性膜片上固定光纤的一端，光纤的另一端穿过圆盘中心的过纤孔、条形凹槽和进水腔后，从温度壳体顶部穿出；所述光纤上写制有测压光栅和测温光栅，所述测压光栅位于压力外壳内部，所述测温光栅位于进水腔内部，所述测压光栅施加预应力后，上部粘接在金属管一内。

上述方案中，所述测温光栅处于自由状态。

上述方案中，所述光纤通过胶水固定在过纤孔内，且通过胶水填充密封。

上述方案中，所述弹性膜片中心通过激光焊接有金属管二，所述光纤的一端通过胶水固定在金属管二内部。

上述方案中，所述光纤通过胶水固定在进水腔上下两侧的条形凹槽内，且通过胶水填充密封。

上述方案中，所述温补膜片为半圆形，边缘通过激光焊接在压力外壳内壁上，所述温补墩位于温补膜片的自由边上。

上述方案中，所述弹性膜片为铍青铜材料，所述温补膜片和温补墩为铝材料。

上述方案中，所述弹性膜片和温补膜片的半径为1cm~8cm，厚度为0.2mm~8mm。

上述方案中，所述测压光栅和测温光栅的栅区长度为1mm~15mm。

上述方案中，传感器的压力量程为1MPa，温度量程为-2℃~40℃。

通过上述技术方案，本实用新型提供的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器具有如下有益效果：

1、本实用新型通过在压力外壳内部增加温补膜片和温补墩，能够通过弹性膜片和温补墩的热膨胀对测压光栅产生影响，进而对温度对测压光栅的影响进行补偿，提高压力传感器的测量精度。

2、本实用新型利用测温光栅对环境温度进行测量，可实时测量传感器周围温度，可对海水密度进行补偿，有利于提高压力测量的精度。

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。

图1为本实用新型实施例所公开的温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器示意图；

图2为本实用新型实施例所公开的温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器剖视图；

图3为本实用新型实施例所公开的温度壳体分解图；

图4为本实用新型实施例所公开的传感器所用测压光栅和测温光栅光谱图；

图5为本实用新型实施例所公开的弹性膜片在压力变化1MPa后的表面位移图（单位：m）；

图6为本实用新型实施例所公开的弹性膜片在压力变化1MPa、温度变化1K后的位移图（单位：m）；

图7为本实用新型实施例所公开的温补膜片、温补墩在温度变化1K后的位移图（单位：m）。

图中，1、压力外壳；2、温度壳体；3、弹性膜片；4、温补膜片；5、温补墩；6、第一温度壳体；7、第二温度壳体；8、条形凹槽；9、进水腔；10、圆盘；11、过纤孔；12、半圆凹槽；13、金属管一；14、金属管二；15、光纤；16、尾纤保护套；17、测压光栅；18、测温光栅。

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。

本实用新型提供了一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，如图1所示，包括压力外壳1和温度壳体2。

压力外壳1为空心圆柱状，底端设置弹性膜片3，顶端与温度壳体2焊接在一起，压力外壳1内部设置温补膜片4，温补膜片4上设置温补墩5，温补墩5上粘接有金属管一13。温补膜片4为半圆形，边缘通过激光焊接在压力外壳1内壁上，温补墩5位于温补膜片4的自由边上。

温度壳体2为实心圆柱状，包括纵向拼接的第一温度壳体6和第二温度壳体7，第一温度壳体6和第二温度壳体7之间留有空隙，以便水可以通过空隙进入到进水腔9内，温度测量时测温光栅18可与被测液体在进水腔9中充分接触。第一温度壳体6的内侧面上开设纵向的条形凹槽8和位于条形凹槽8中部的进水腔9，第一温度壳体6底部设置圆盘10，圆盘10中心开设过纤孔11；第二温度壳体底部设置与圆盘10配合的半圆凹槽12，圆盘10与压力外壳1顶端焊接。

压力外壳1内部的弹性膜片3中心通过激光焊接有金属管二14，光纤15的一端通过胶水固定在金属管二14内部。光纤15的另一端穿过金属管一13、圆盘10中心的过纤孔11、条形凹槽8和进水腔9后，从温度壳体2顶部穿出，穿出后的光纤15上设置尾纤保护套16。光纤通过胶水固定在过纤孔11内，且通过胶水填充密封，进水腔9内的水不会进入到压力外壳1内。光纤通过胶水固定在进水腔9上下两侧的条形凹槽8内，且通过胶水填充密封。

光纤15上写制有两个不同中心波长的光纤布拉格光栅，分别作为测压光栅17和测温光栅18，测压光栅17和测温光栅18的栅区长度为1mm~15mm。测压光栅17位于压力外壳1内部，测温光栅18位于进水腔9内部，测压光栅17施加预应力后，上部粘接在金属管一13内，测压光栅17处于预拉伸状态，测温光栅18处于自由状态。

本实施例中，弹性膜片3为铍青铜材料，温补膜片4和温补墩5为铝材料。弹性膜片3和温补膜片4的半径为1cm~8cm，厚度为0.2mm~8mm。弹性膜片3和温补膜片4材料可替换为不锈钢材料、橡胶材料或纯铜材料，弹性膜片3半径和厚度可根据测量灵敏度要求进行调整，半圆形温补膜片4可替换为方形膜片点焊在相应位置。

本实施例的传感器的压力量程为1MPa，温度量程为-2℃~40℃。

测量时，弹性膜片3在海水中受到压力，中心点处位移会发生变化，如图4所示，测压光栅17会随之产生应变，其中心波长A产生漂移，以此可以测得海水压力。测温光栅18与海水接触，当温度变化时，测温光栅18也会随之产生应变，其中心波长B也会产生漂移，以此可以测得海水温度。

本实施例中，如图5所示，弹性膜片3在1MPa压力作用时中心点处位移变化仿真结 果为3.91983×10^-5 m，理论值计算时求位移变化即求弹性膜片3中心点处挠度变化

，由 弹性膜片3中心挠度计算公式求得位移变化为4.0591×10^-5 m。

弹性膜片3中心挠度计算公式如下：

其中，q ₀ 代表弹性膜片3所受的压强，a代表弹性膜片3的半径，μ代表弹性膜片3材料的泊松比，E代表弹性膜片3材料的杨氏模量，σ代表弹性膜片3的厚度。

当传感器中的测压光栅17应力发生变化时，测压光栅17会产生应变，测压光栅17 的中心波长漂移量

和弹性膜片3挠度的关系为：

其中，

代表测压光栅17的初始波长，P _e 代表光纤的有效弹光系数，L代表测压光 栅17的有效长度。

测压光栅17长度为12mm，测压光栅17初始波长为1550nm时，测压光栅17中心波长漂移量为3.9492×10^-9m，则测压光栅17理论压力灵敏度S为3.9492nm/MPa，其计算公式为：

即测压光栅17的中心波长每变化3.9492nm，环境压力P则变化1MPa。

当温度升高时，测压光栅17中心波长红移，同时温补膜片4和温补墩5由于热膨胀变形产生应力作用于测压光栅17使中心波长蓝移，由此通过温补膜片4和温补墩5的热膨胀来补偿由温度引起的传感器测量误差。

运用COMSOL多物理场仿真软件中固体传热模块和固体力学模块进行多物理场仿真，弹性膜片材料选用仿真软件内置材料Copper，其中，固体力学模块中对弹性膜片3施加1MPa压力，弹性膜片3周边边界条件设置为固定约束，固体传热模块将初始温度条件设置为293.15K，添加温度升高1K后得到结果。如图6所示，弹性膜片3受1MPa压力、温度变化1K共同影响后弹性膜片3中心处位移变化仿真结果为3.92092×10^-5 m，引起测压光栅17中心波长红移3.9503×10^-9m，同时测压光栅17对温度敏感，大约为10pm/K，即，温度每升高1K，测压光栅17中心波长红移10pm，即0.01×10^-9 m。综上，测压光栅17受1MPa压力和1K温度共同影响，即受到弹性膜片3的位移和温度的综合影响后，中心波长产生的漂移量为：

3.9503×10^-9 m +0.01×10^-9 m =3.9603×10^-9 m。

若不进行温度补偿，温度每变化1K，测压光栅17中心波长会漂移11.1pm，导致压力测量误差。

为补偿由温度引起的中心波长偏移量，在光栅另一端设置合理厚度的温补墩5，运用COMSOL多物理场仿真软件中固体传热模块和固体力学模块进行多物理场仿真，弹性膜片3材料选用仿真软件内置材料Copper，温补墩5材料选用仿真软件内置材料Aluminum6063-T83，其中，温度条件由初始温度298.15K升高到299.15K，温补墩5的底边边界条件设置为固定约束。如图7所示，仿真得其表面位移为1.33565×10^-7 m时，会引起测压光栅17中心波长漂移13.457pm，从而实现温度补偿。

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 (10)

1.一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，包括压力外壳和温度壳体，所述压力外壳为空心圆柱状，底端设置弹性膜片，顶端与温度壳体焊接在一起，所述压力外壳内部设置温补膜片，所述温补膜片上设置温补墩，所述温补墩上粘接有金属管一；所述温度壳体为实心圆柱状，包括纵向拼接的第一温度壳体和第二温度壳体，所述第一温度壳体和第二温度壳体之间留有空隙，所述第一温度壳体的内侧面上开设纵向的条形凹槽和位于条形凹槽中部的进水腔，所述第一温度壳体底部设置圆盘，所述圆盘中心开设过纤孔；所述第二温度壳底部设置与圆盘配合的半圆凹槽，所述圆盘与压力外壳顶端焊接；所述压力外壳内部的弹性膜片上固定光纤的一端，光纤的另一端穿过圆盘中心的过纤孔、条形凹槽和进水腔后，从温度壳体顶部穿出；所述光纤上写制有测压光栅和测温光栅，所述测压光栅位于压力外壳内部，所述测温光栅位于进水腔内部，所述测压光栅施加预应力后，上部粘接在金属管一内。

2.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，所述测温光栅处于自由状态。

3.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，所述光纤通过胶水固定在过纤孔内，且通过胶水填充密封。

4.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，所述弹性膜片中心通过激光焊接有金属管二，所述光纤的一端通过胶水固定在金属管二内部。

5.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，所述光纤通过胶水固定在进水腔上下两侧的条形凹槽内，且通过胶水填充密封。

6.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，所述温补膜片为半圆形，边缘通过激光焊接在压力外壳内壁上，所述温补墩位于温补膜片的自由边上。

7.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，所述弹性膜片为铍青铜材料，所述温补膜片和温补墩为铝材料。

8.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，所述弹性膜片和温补膜片的半径为1cm~8cm，厚度为0.2mm~8mm。

9.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，所述测压光栅和测温光栅的栅区长度为1mm~15mm。

10.根据权利要求1所述的一种温补型光纤光栅压力、温度双参数传感器，其特征在于，传感器的压力量程为1MPa，温度量程为-2℃~40℃。

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