光纖光柵壓力傳感器的製作方法

2023-04-29 14:13:31 2

專利名稱：光纖光柵壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用於石油化工、水利、航空、航天、汽車、醫療 等領域的壓力、液位、流量測控裝置，具體地講，涉及一種光纖光柵壓力傳 感器。
背景技術：
傳感器是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，成為80年代中期以來 國際市場上最走俏的商品之一。近些年來，在力、熱、電壓、磁、氣、溼、 光等七大類傳感器中尤以光傳感器中的光纖傳感器備受青睞。光纖傳感技術 是光子與承載信息傳輸的導波光子技術的一個領域。光子技術是光子學與電 子學結合而成的技術。隨著科學技術的發展，作為信息載體的光子要比電子 的速度容量與空間容量優越得多。光子響應速度比電子高三個數量級，光子 的高並行處理能力和高信息率等特性，使其具有遠高於電子信息容量與處理 速度的潛力，必將推動光學信息與光子計算機的發展。
各種電類傳感器用於諸如油氣罐、油氣井、油氣管等地方的測量，存在 不安全的因素(在井下惡劣的環境諸如高溫、高壓、腐蝕、電磁等的幹擾下 無法正常工作)。而光纖光柵傳感器因其本質安全性非常適合在惡劣環境裡的 應用。
光纖光柵傳感器在具有諸如抗電磁幹擾、低損耗、易彎曲、體積小、重 量輕、成本低、耐腐蝕、防水、防火等固有的優點外，對溫度和應力等重要 測量參量具有極高的測量精度和線性度，以及充足的測量範圍。
現有的光纖光柵壓力增敏傳感器主要有以下幾種宋麗娜.光纖Bragg 光柵溫度壓力傳感技術研究.西北大學碩士學位論文，2008.6.(1)聚合物灌封光纖光柵壓力增敏的光纖壓力傳感器io，是最常見的光
纖光柵傳感器，其結構如圖1所示。這種傳感器使用特殊聚合物材料101將
光纖104的光纖光柵(FBG) 102封裝於金屬套管103中，由於特殊聚合物材 料101的彈性模量比裸光纖的彈性模量小，對壓力具有較高的響應；因此， 在相同應力作用下產生的應變將增大，應變的增大將會引起中心波長的相對 變化量增加，這樣則實現對應力的增敏。為了消除封裝過程中由於聚合物固 化收縮以及聚合物與套管壁粘接與摩擦產生的光纖光柵啁啾化，在金屬套管 預塗覆一層軟彈性材料。經過封裝的光纖光柵壓力響應靈敏度為0. 036nm/MP， 是裸光纖光柵0. 003nm/MPa的12倍，壓力測量範圍可達40MP以上。
但是，該種光纖壓力傳感器由於是採用聚合物來實現增敏的，其耐高溫 性能很差，並且為達到較高的靈敏度，需要聚合物與光纖有比較長的接觸長 度，從而使得該種光纖壓力傳感器雖然較細但其在光纖受力方向的尺寸即長 度尺寸一般在7cm以上，無法用於狹小空間的壓力測量。並且，該種光纖傳 感器只能用於測量壓力信號，而不能用於測量壓力差。
(2)圓柱筒-活塞式光纖壓力傳感器20，其結構如圖2所示。在一個由 圓柱形容器(圓柱筒201)和活塞202組合成的活塞式結構中充入氣體，在圓 柱筒201的左端有一個閥門203，用以控制充入氣體的量。當外界壓力使圓柱 筒201和活塞202相對運動時，就會使光纖204的光纖光柵(FBG) 205產生 應變，布拉格波長發生移動。為減小摩擦和防止活塞202運動時氣體的洩露， 在圓柱筒201和活塞202之間塗有潤滑油。為了使光纖光柵205在測量範圍 內保持拉伸狀態，測量前先使光纖光柵205產生一定的預應變。這種光纖光 柵壓力增敏結構靈敏度可達1078. 8nm/MPa，是裸光纖的3.515><105倍。
該種光纖光柵壓力增敏傳感器，可以通過改變圓柱筒201內所充氣體的 初始參數，來改變裝置的靈敏度和測量範圍，但存在如下尚待改進之處一 方面在滿足靈敏度高的條件下，就不能滿足其測量範圍，其測量範圍僅為 0-0.0045MPa;另一方面這種結構的傳感器比較適用於低壓下氣壓、液壓的傳 感測量，當溫度變化較大時，由於氣體受溫度的影響較大，此時的傳感器不但對壓力變化敏感，而且對溫度變化敏感，使用時需要進行溫度去敏或補償;
另外，由於需要保證活塞202的移動空間，該傳感器在光纖受力方向的尺寸 (長度尺寸) 一般在10cm以上，不能用於狹小空間的壓力測量；並且該傳感 器不能密封，不能應用T帶有腐蝕性的氣體或液體中；最後，該傳感器不能 夠測量兩個空間中的壓力差。
(3) 金屬管組合壓力增敏的光纖光柵壓力傳感器30，其結構如圖3所示。 該傳感器是使用一個機械結構將流體壓力轉換成具有一定數量級的光纖軸向 應變。該結構具傳感管301和支持管302，光纖303的光柵304粘貼於傳感管 301和支撐管302之間，傳感管301用於感受流體的壓強，當流體進入傳感管 301，傳感管301將被拉伸並使粘貼於傳感管301和支撐管302之間的光柵304 也相應的被拉伸，從而使光柵304中心反射波長發生漂移，通過監測波長的 變化即可感知流體壓強的大小。
該種傳感器受結構和傳感管301彈性模量的影響，為了獲得傳感管301 與支撐管302比較大的相對移動距離，需要比較大的尺寸，該傳感器的光纖 受力方向的尺寸一般在10cm以上，其尺寸比較大，不利於在狹小空間內的壓 力測量。另外，該傳感器對加工技術要求較高，成本高。並且該傳感器也只 能檢測壓力，不能測量壓力差。
(4) 波紋管和梯形梁光纖光柵壓力增敏的光纖光柵壓力傳感器40，其結 構如圖4所示。該種光纖光柵壓力傳感器是由波紋管401感受壓力，通過其 他機構傳遞給光纖402的光柵403產生應變的增敏裝置。如梯形梁-波紋管光 纖光柵壓力傳感器，將光纖光柵403粘貼在梯形梁404上，再安裝在密閉容 器405中，密閉容器405壁上裝有波紋管401,波紋管401的移動端與梯形梁 404相連。外界壓力作用在波紋管401上時，梯形梁404上將形成集中載荷， 使梁發生形變，從而引起光纖光柵403產生縱向的應變，導致布拉格反射峰 值波長發生變化。此種梯形梁-波紋管光纖光柵壓力傳感器的靈敏度可以達到 8. 73nm/MPa，是裸光纖光柵的7455倍。但由于波紋管401本身耐壓不高，一 般低於10MPa，所以，該光纖光柵壓力傳感器耐壓範圍不能高於lOMPa。該種傳感器受波紋管加工工藝以及靈敏度的影響，波紋管401的尺寸比
較大，使得該傳感器的光纖受力方向的尺寸(厚度尺寸)不薄於6cm，不能用
於狹小空間的壓力測量。並且，由於採用梯形梁結構，不能消除光纖光柵啁
啾效應，會造成測量的信號失真，影響測量靈敏度。另外，波紋管401直接 施力給梯形梁404，未通過滑動裝置，摩擦力比較大，使得靈敏度受限。並且， 該傳感器也只能測量壓力信號，不能檢測兩個空間的壓力差信號。
綜上所述，現有的光纖光柵壓力傳感器都存在傳感器尺寸比較大，不能 夠用於狹小空間，並且不能測量不同空間的壓力差信號的問題。
因此，有必要提供一種新的光纖光柵傳感器結構，來克服現有光纖光柵 壓力傳感器存在的上述缺陷。

實用新型內容
本實用新型的目的在於，提供一種光纖光柵壓力傳感器，其採用彈性膜 片和懸臂梁結構，能夠有效縮小光纖受力方向的尺寸，從而可用於狹小空間 的壓力測量。
本實用新型的目的還在於，提供一種光纖光柵壓力傳感器，其能夠直接 測量壓力差信號。
本實用新型的上述目的可採用如下技術方案來實現 一種光纖光柵壓力 傳感器，其包括
懸臂梁，具有第一端和第二端，其中第一端固定，而第二端處於懸臂狀
態；
第一彈性膜片，其固定連接有朝向所述懸臂梁的第一頂柱，該第一頂柱
的端部與所述懸臂梁的第二端的一側相頂觸；
光纖，其具有光纖光柵，該光纖光柵固定連接於懸臂梁上。 在本實用新型的一個可選實施方式中，所述的光纖光柵壓力傳感器還包
括第二彈性膜片，其與第一彈性膜片相對設置，並固定連接有朝向懸臂梁的第二頂柱，該第二頂柱與所述懸臂梁的第二端上與第一頂柱的一側相對的 另一側相頂觸。
在本實用新型的一個可選例子中，所述光纖光柵傳感器還包括有殼體， 該殼體形成有容置腔，並在殼體外側上形成有第一安裝槽，在該第一安裝槽 的底部具有連通於所述容置腔的第一通孔；所述的懸臂梁設置於所述殼體的 容置腔內，該懸臂梁的第一端固定支撐在殼體上，所述的第一膜片周邊密封 安裝在殼體的第一安裝槽上，所述的第一頂柱穿過所述第一安裝槽底部的第 一通孔而與所述懸臂梁的第二端相頂觸。
在一個可選的例子中，所述的殼體外側與第一安裝槽相對的位置上還設
置有第二安裝槽，在該第二安裝槽的底部設有連通於所述容置腔的第二通孔;
所述第二膜片周邊密封安裝在所述第二安裝槽上，所述第二頂柱穿過所述第 二通孔而與所述懸臂梁相頂觸。
在本實用新型中，所述第一頂柱上設置有微型滾動軸承，所述第一頂柱 通過該微型滾動軸承頂觸於所述懸臂梁的第二端。
在本實用新型中，所述第二頂柱上設置有微型滾動軸承，所述的第二頂 柱通過該微型滾動軸承頂觸於所述懸臂梁的第二端。
利用該微型滾動軸承，在頂柱受到橫向力作用時，該頂柱可以在懸臂梁 上進行微小的滾動，從而極大地減少頂柱與懸臂梁之間的摩擦，從而能夠在 進行壓力測量時提高測量的準確度。
在本實用新型中，所述的懸臂梁為等強度懸臂梁。採用該等強度懸臂梁， 可以有效消除光纖光柵啁啾效應，提高測量靈敏度。
在本實用新型中，所述的光纖光柵粘貼固定在懸臂梁上。
在本實用新型中，在所述殼體的容置腔內設置有支撐部，所述懸臂梁的 第一端支撐在該支撐部上， 一壓塊壓設在懸臂梁的第一端上，並通過緊固件 固定於支撐部上，從而將懸臂梁的第一端壓緊固定在所述支撐部上。在該例 子中，所述壓塊上可設置有供光纖穿過的穿槽。
在本實用新型中，所述的第一彈性膜片由不鏽鋼材料製成。所述的第二彈性膜片也由不鏽鋼材料製成。
在本實用新型中，所述的懸臂梁由鈹青銅材料製成。
在本實用新型中，在所述的第一彈性膜片的邊緣形成有環形凸緣部，該 環形凸緣部的外側與所述的第一安裝槽密封連接在一起，從而實現第一彈性 膜片與第一安裝槽的密封連接。
在本實用新型中，在所述的第二彈性膜片的邊緣形成有環形凸緣部，該
環形凸緣部的外側與所述的第二安裝槽密封連接在一起，從而實現第二彈性 膜片與第二安裝槽的密封連接。
在本實用新型中，為方便懸臂梁與光纖光柵在殼體內的裝配，所述殼體 包括主殼體和封接於主殼體端部的封蓋，在所述封蓋上形成有供所述光纖通 過的孔，所述封蓋與光纖之間採用聚合物密封。
採用本實用新型的上述結構，本實用新型的效果是顯著的1)由於本實 用新型採用彈性膜片和懸臂梁來實現光纖光柵的增敏，彈性膜片的尺寸可以 做得很小，從而使得本實用新型的光纖光柵壓力傳感器在光纖受力方向(殼
體的厚度方向)的尺寸可以做得很薄，例如其厚度可薄到12mm，從而有利於
安裝在狹小空間內，來對狹小空間的壓力進行壓力測量。並且，本實用新型 的光纖光柵壓力傳感器可以根據測量環境的需要，通過改變彈性膜片和懸臂 梁的厚度來實現測量範圍的改變，也可以通過傳感器外殼的尺寸來實現大面
積的測量，從而使得其應用更為廣泛。2)由於本實用新型的光纖光柵傳感器
在殼體外側安裝有兩片彈性膜片，該兩片彈性膜片可以分別通過頂柱將壓力 傳遞給懸臂梁，壓迫懸臂梁向壓力小的一側移動，光纖光柵可以感知此形變， 從而使得本實用新型的光纖光柵壓力傳感器可以測量兩個不同空間或同一空
間動態環境的壓力差信號。3)由於本實用新型的傳感器外殼可以將形成為一
個密封器件，從而使得傳感器對惡劣環境有很好的抗腐蝕性能。並且傳感器 內部測量所用的光纖光柵，能夠抗電磁千擾，低損耗、體積小、重量輕、成 本低、耐腐蝕、防水防火等。

圖1為現有的灌封式封裝光纖光柵的光纖光柵壓力傳感器結構示意圖2為現有的圓柱筒一活塞式光纖光柵壓力傳感器結構示意圖3為現有的金屬管組合式光纖光柵壓力傳感器結構示意圖4為現有的波紋管和梯形梁光纖光柵壓力傳感器結構示意圖5為本實用新型的實施例1的光纖光柵壓力傳感器正視結構示意圖6為圖5的A-A剖視結構示意圖7為本實用新型的等強度懸臂梁的數學分析結構示意圖8為本實用新型的實施例1的光纖光柵壓力傳感器的力學結構示意圖9為本實用新型的實施例1的實驗例的傳感器I的光纖光柵反射波長
與載重的變化關係示意圖10為本實用新型的實施例1的實驗例的傳感器II的光纖光柵反射波
長與載重的變化關係示意圖11為本實用新型實施例1的一個應用例示意圖12為本實用新型實施例2的光纖光柵壓力傳感器正視結構示意圖13為圖12的B-B剖視結構示意圖。
具體實施方式實施例1
如圖5—圖10所示為本實施例的光纖光柵傳感器50的示意圖。如圖5、 圖6所示，本實施例的光纖光柵傳感器50包括懸臂梁51、第一彈性膜片 521、第一頂柱531、第二彈性膜片522、第二頂柱532以及光纖54。其中， 懸臂梁51具有第一端511和第二端512，第一端511固定，而第二端512處 於懸臂狀態；所述第一頂柱531與第一彈性膜片521固定連接，並朝向所述 懸臂梁51伸出，該第一頂柱531的端部與所述懸臂梁51的第二端512的一 側相頂觸，從而將第一彈性膜片521受到的徑向壓力傳遞給懸臂梁51;第二膜片522設置在與第一膜片521相對的位置，第二頂柱532固定連接於第二 彈性膜片522，並也朝向懸臂梁51伸出，該第二頂柱532與所述懸臂梁51第 二端512上的與第一頂柱531的一側相對的另一側相頂觸，從而將與第一膜 片521相對側的第二膜片522受到的徑向壓力也傳遞給懸臂梁51，而光纖54 具有光纖光柵，該光纖光柵固定連接於懸臂梁51上。使用時，將第一彈性膜 片521和第二彈性膜片522設置於兩個不同空間或者同一空間的的動態環境 中，懸臂梁51兩側的第一膜片521、第二膜片522受到壓力時，通過第一頂 柱531和第二頂柱532分別把壓力傳遞給懸臂梁51的第二端512的相對兩側， 壓迫懸臂梁51的第二端512向壓力小的一側移動，固定在懸臂梁51上的光 纖光柵感知到懸臂梁51的該形變，輸出信號發生變化，從而測量兩個不同空 間或同一空間動態環境中的壓力差信號。
在本實施例中，由於是採用第一彈性膜片521、第二彈性膜片522和懸臂 梁51來實現光纖54的增敏的，第一彈性膜片521和第二彈性膜片522的尺 寸可以做得很小，從而使得本實用新型的光纖光柵壓力傳感器50在光纖54 受力方向的尺寸可以做得很薄，例如其厚度可薄到12腿，從而可以放置在狹 小空間內，對狹小空間的壓力差進行測量。並且，本實施例的光纖光柵壓力 傳感器可以根據測量環境的需要，通過改變第一彈性膜片521、第二彈性膜片 522和懸臂梁的厚度來實現測量範圍的改變，也可以通過增大第一彈性膜片 521和第二彈性膜片522的尺寸來實現大面積的測量，從而使得其應用範圍更 為廣泛。
如圖5、圖6所示，在本實施例的一個具體例子中，所述光纖光柵傳感器 50還包括有殼體55，該殼體55形成有容置腔550，並在殼體55外側的相對 位置上分別形成有第一安裝槽551和第二安裝槽552，所述的第一彈性膜片 521和第二彈性膜片522分別周邊密封安裝在該第一安裝槽551和第二安裝槽 552上。在該第一安裝槽551和第二安裝槽552的底部分別具有連通於所述容 置腔550的第一通孔553和第二通孔554;所述的懸臂梁51設置於所述殼體 55的容置腔550內，該懸臂梁51的第一端511固定支撐在殼體55上，固定連接於第一膜片521的第一頂柱531穿過所述第一安裝槽551底部的第一通 孔553而與所述懸臂梁51的第二端512的一側相頂觸，從而將第一膜片521 受到的徑向壓力傳遞給懸臂梁51的第二端512;固定連接於第二膜片522的 第二頂柱532穿過所述第二通孔554而與所述懸臂梁51的第二端512的另一 側相頂觸，從而將第二膜片522受到的徑向壓力傳遞給懸臂梁51的第二端 512。
在本實施例的一個例子中，所述第一頂柱531上可設置有微型滾動軸承 561，該第一頂柱531通過該微型滾動軸承561頂觸於所述懸臂梁51的第二 端512。在所述第_1頂柱532上也可設置有微型滾動軸承562，該第二頂柱532 通過該微型滾動軸承562頂觸於所述懸臂梁51的第二端512。這樣，利用該 微型滾動軸承561、 562，在第一頂柱531、第二頂柱532受到橫向力作用時， 該第一頂柱531和第二頂柱532可以通過微型滾動軸承561、 562在懸臂梁51 上進行微小的滾動，從而極大地減少第一頂柱531、第二頂柱532與懸臂梁 51之間的摩擦，提高在進行壓力差測量時的準確度。
在實施例的一個具體例子中，為了保證在測量範圍內傳感光纖54的光柵 波長漂移的線性度，避免光纖光柵產生啁啾效應，如圖5所示，所述的懸臂 梁51可採用等強度懸臂梁，以提高測量靈敏度和準確度。其中，如果變截面 梁設計得使梁的各截面上的最大正應力都達到材料的許用應力值，則這樣的 梁就稱為等強度梁。
在本實用新型的一個可選例子中，如圖5、圖6所示，在所述殼體55的 容置腔550內設置有支撐部556，所述懸臂梁51的第一端511支撐在該支撐 部556上， 一壓塊557壓設在懸臂梁51的第一端511上，並通過緊固件558 將壓塊557固定於支撐部556上，從而將懸臂梁51的第一端511壓緊固定在 所述支撐部556上。在該例子中，所述壓塊557上可設置有供光纖54穿過的 穿槽5571。
在本實施例的一個具體例子中，所述的第一彈性膜片521、第二彈性膜片 522以及殼體55可由不鏽鋼材料製成。所述的第一頂柱531可與第一彈性膜片521 —體加工。所述的第二頂柱531可與第二彈性膜片521 —體加工。所 述的懸臂梁51可由鈹青銅材料製成，該種材料的彈性模量相對小，形變恢復 比較好。所述的光纖54的光纖光柵可以粘貼固定在懸臂梁51上。在實施例的一個具體例子中，所述的第一彈性膜片521、第二彈性膜片 522的邊緣可分別形成有環形凸緣部5211、 5221，該環形凸緣部5211的外側 與所述的第一安裝槽551密封連接在一起，從而實現第一彈性膜片521與第 一安裝槽551的密封連接;該環形凸緣部5221的外側與所述的第二安裝槽552 密封連接在一起，從而實現第二彈性膜片522與第二安裝槽552的密封連接。在本實施例中，由於是採用彈性膜片與懸臂梁來實現光纖光柵54的增敏 的，不需要像現有的圓柱筒一活塞式光纖光柵壓力傳感器30和金屬管組合式 光纖光柵壓力傳感器40那樣需要有相對運動，因而殼體55可以在安裝完各 部件後，形成為密封器件，從而使得本實用新型的光纖光柵傳感器50對惡劣 環境有很好的抗腐蝕性能。在本實施例中，為方便懸臂梁51與光纖光柵54 在殼體55內的裝配，所述殼體55包括主殼體581和封接於主殼體581端部 的封蓋582，在所述封蓋582上形成有供所述光纖54的尾纖通過的孔583， 所述封蓋582與光纖54的尾纖之間採用聚合物密封，從而使得該光纖光柵壓 力傳感器50在裝配後形成為密封器件。下面通過理論分析和實驗例來進一步說明本實施例的測量壓力差的光纖 光柵壓力傳感器50。本實施例中的經過應力增敏封裝的應變光纖光柵粘貼在等強度懸臂梁51 上；在殼體55兩側用第一彈性膜片521和第二彈性膜片522密封，該第一膜 片521和第二膜片522分別附有第一頂柱531和第二頂柱532與等強度懸臂 梁51緊密接觸；當兩側受到的壓力不同時兩側第一膜片521、第二膜片522 就會向懸臂梁51的方向發生位移，壓迫等強度懸臂梁51向壓力小的一側移 動產生形變，該形變引起的光纖光柵54中心反射波長的變化，從而由解調儀 進行檢測壓力差。首先光纖光柵的中心反射波長A,可由光纖光柵的布拉格(Bragg)公式確 定4=2"^ (1J可見&取決於兩個因素有效折射率"w和光柵周期A^，任何一個因素的變化 都會引起^的改變。當應力作用於光纖光柵時，可以同時引起A,的變化和由 彈光效應造成的 的變化，其表達式為式中A、為應力引起的光纖光柵反射波長變化量，s為光纖光柵的應變量，《為光纖有效彈光係數。為了保證在測量範圍內傳感光纖光柵波長漂移的線性度，避免光纖光柵 產生啁啾效應，因此本實用新型的傳感器採用了等強度懸臂梁結構。等強度 懸臂梁51如圖7所示，等強度懸臂梁51為等腰三角形，厚力，底邊&，長Z，其x處的寬度6(x)為Z (x) = 60(l —;c/丄) (3^ 在外界應力作用下等強度懸臂梁X處的撓度為2V。/為外界作用在等強度懸臂梁51的義處的垂直向下的集中應力，A為材料的 彈性模量，/。=6^3/12為0點處等強度懸臂梁51的橫截面的慣性矩。 由式(^可知等強度懸臂梁51的頂點處撓度最大少:^ _ 6丄3 / ^等強度懸臂梁51的頂點處的應變為 2《/0 ，2為了適應惡劣的環境，本實用新型傳感器需要密封，以確保等強度懸臂梁51 和光纖光柵的傳感特性，所以採取了彈性膜片(第一彈性膜片521和第二彈性膜片522)密封結構。作為一個具體的例子，在該分析中第一彈性膜片521 和第二彈性膜片522均採用周邊固定的圓形膜片，其中圓形膜片的中心撓度凡表達式為' 16五2,3尋等強度懸臂梁的頂點處撓度公式把式(U代入式(2卩中，得等強度懸臂梁單面受力/公式屍=_^!^^_ 加j—6(1-《)"8對傳感器50進行受力分析(如圖8)，第一彈性膜片521和第二彈性膜片522 有效受力面積相等且為5，受壓力分別為屍,、A (取A〉 A)，第一彈性膜片 521形變力大小為/,，第二彈性膜片522形變力大小為6，等強度懸臂梁51 的形變力為/，則系統受力平衡公式為代入式(S入^及ao」得formula see original document page 163(1-6(1-屍,& 式中AP為本實施例的傳感器50的兩側壓強差，為該傳感器主要性能參數。傳感器50採用的是不鏽鋼膜片和鈹青銅材料的等強度懸臂梁，設計了膜 片厚度不同的兩種傳感器，第一彈性膜片521、第二彈性膜片522厚度為0. 3mm 的簡稱傳感器I，第一彈性膜片521、第二彈性膜片522厚度為0. 4mm的簡稱 傳感器II。式(12卩各參數為(1) 不鏽鋼膜片彈性模量^^206GPa、傳感器I膜片厚度^ 0.3mw 、傳感 器n膜片厚度^0.4附m、泊松比〃 =0.3、圓形膜片半徑^ = 14 、膜片有效受 力面積5 = 7.85><10-5附2 (實驗中砝碼與傳感器的接觸面均為直徑1的圓)；(2) 等強度懸臂梁51:底邊6。-6wm、厚/^0.4加m、彈性模量A = 128G屍"、梁長"30騰；(3) 光纖光柵54:光纖有效彈光係數《=0.22、傳感器I光纖光柵中心反射 波長4=1559.192鵬、傳感器II光纖光柵中心反射波長義,1555.099"w。數據帶入公式a2; AP = [~~3，丄2 + ^得，3(1-〃2)(1 —《)i 、 6(1 —4傳感器IAP = 4.907 xl09& (W傳感器nAP = 11.62> 其中#是實驗中加力的砝碼質量，單位為g， A是傳感器光纖光柵反射波長， 單位為肌傳感器的懸臂梁選用鈹青銅材料的等強度懸臂梁51，傳感器尺寸長 62mm,寬30腿，高12mm;對膜片厚度為0. 3ram和0. 4mm的兩種傳感器的技術 性能分別進行測試，其載重和波長變化之間的關係如圖9和圖10。由圖9和圖10可見，兩傳感器波長隨壓力差(載重)的變化呈較好的線 性關係，符合理論公式f!2人可以看出傳感器I在小於150N和大於IOOON時 線性度較差，在壓力差1500N至10000N之間線性度和穩定性較好(即為該傳 感器的最佳工作範圍)；圖9直線的擬合曲線為A = —8.0xlO—5M + 1559.654 (!7j 斜率-8.0x10-5，為負值，說明實驗中傳感器的光纖光柵受力壓縮；表l給出了 該傳感器的應變響應數據，由此可以看出該傳感器性能良好，其負應變是光 纖光柵受力被壓縮的結果。表1.傳感器I對不同壓力差的應變響應數據壓力/g138. 5238. 5338. 5438. 5538.5638, 5738.5838.5938. 51038. 5應力/ ;t^-1.27-9. 50-21. 14-26. 96-29. 87-35.69-37. 69-40. 90-46, 11-48. 82傳感器II曲線總體成直線，部分數據偏離，可見其靈敏度低，適合粗略測量壓力差信號，不適合精密測量；圖10直線的擬合曲線為/L = 1.0xl(T5M + 1163.756 (W斜率為1.0x10-5，符號正值說明實驗中該傳感器的光纖光柵受力拉伸。實驗中還測定了傳感器在水中施加不同流量水力衝擊時應力和中心反射 波長的變化曲線，發現傳感器I的馳豫時間短，響應速度快，對壓力以及流量有很好的線性響應，可用於精密動態測量；而傳感器n的馳豫時間相當長(大於20秒)，適合靜態粗略測量場合。由式a5^與a7^及a6j與aw比較可知，理論值和實驗值有些區別(相 應斜率不一致)，但是斜率差在誤差範圍之內，這也證明了該傳感器的可靠性。其誤差原因在於未考慮光纖光柵的膠粘係數，以及不鏽鋼膜片加工不夠精細等。下面通過一個本實施例的光纖光柵壓力傳感器50的一個應用例，來進一步說明本實施例在測量壓力差中的應用。如圖11所示，管道7破損後管道液體向外滲漏，可將靈敏度高的木實施 例的光纖光柵傳感器50放入，兩個彈性膜片(第一彈性膜片521、第二彈性 膜片522)正對漏洞71時，由於液體外漏，第二彈性膜片522受到液體衝擊 力，所以第一彈性膜片521和第二彈性膜片522所處同一環境中但受力不同， 該光纖光柵傳感器50便能感受出此壓力差，從而可以進一步分析該漏洞71 情況。實施例2如圖12、圖13為本實施例的光纖光柵傳感器60的結構示意圖。本實施 例的基本結構和工作原理與實施例1相同，其與實施例1的主要區別在於， 在本實施例中，僅設置有一個彈性膜片(例如僅具有第一彈性膜片621)，因 而僅能測量壓力信號，而不能測量壓力差信號。如圖12、圖13所示，本實施例的光纖光柵傳感器60包括懸臂梁61、 第一彈性膜片62、第一頂柱63以及光纖64。其中，懸臂梁61具有第一端611 和第二端612第一端611固定，而第二端612處於懸臂狀態；所述第一頂柱 63與第一彈性膜片62固定連接，並朝向所述懸臂梁61伸出，該第一頂柱63的端部與所述懸臂梁61的第二端612的一側相頂觸，從而將第一彈性膜片62 受到的徑向壓力傳遞給懸臂梁61;而光纖64具有光纖光柵，該光纖光柵固定 連接於懸臂梁61上。使用時，懸臂梁61—側的第一膜片62受到壓力，該壓 力通過第一頂柱63傳遞給懸臂梁61的第二端612的一側，壓迫懸臂梁61的 第二端612向另一側移動，固定在懸臂梁61上的光纖光柵感知到懸臂梁61 的該形變，輸出信號發生變化，從而測量壓力信號。在本實施例中，由於是採用第一彈性膜片62和懸臂梁61來實現光纖64 的光纖光柵的增敏的，第一彈性膜片62的尺寸可以做得很小，從而使得本實 用新型的光纖光柵壓力傳感器60在光纖64受力方向的尺寸可以做得很薄， 例如其厚度可薄到12mm，從而可以放置在狹小空間內，對狹小空間的壓力進 行測量。並且，本實施例的光纖光柵壓力傳感器60可以根據測量環境的需要， 通過改變第一彈性膜片62和懸臂梁61的厚度來實現測量範圍的改變，也可 以通過增大第一彈性膜片62的尺寸來實現大面積的測量，從而使得其應用範 圍更為廣泛。如圖12、圖13所示，在本實施例的一個具體例子中，所述光纖光柵傳感 器60還包括有殼體65，該殼體65形成有容置腔650，並在殼體65外側形成 有第一安裝槽651，所述的第一彈性膜片62周邊密封安裝在該第一安裝槽651 上。在該第一安裝槽651的底部分別具有連通於所述容置腔650的第一通孔 653;所述的懸臂梁61設置於所述殼體65的容置腔650內，該懸臂梁61的 第一端611固定支撐在殼體65上，固定連接於第一膜片62的第一頂柱63穿 過所述第一安裝槽651底部的第一通孔653而與所述懸臂梁61的第二端612 的一側相頂觸，從而將第一膜片62受到的徑向壓力傳遞給懸臂梁61的第二 端612。在本實施例的一個例子中，如圖13所示，所述第一頂柱63上可設置有 微型滾動軸承661，該第一頂柱63通過該微型滾動軸承661頂觸於所述懸臂 梁61的第二端612。這樣，利用該微型滾動軸承661，在第一頂柱63受到橫 向力作用時，該第一頂柱63可以通過微型滾動軸承661在懸臂梁61上進行微小的滾動，從而極大地減少第一頂柱63與懸臂梁61之間的摩擦，提高在 進行壓力測量時的準確度。在實施例的一個具體例子中，為了保證在測量範圍內傳感光纖光柵波長漂移的線性度，避免光纖光柵產生啁啾效應，如圖5所示，所述的懸臂梁51可採用等強度懸臂梁，以提高測量靈敏度和準確度用該等強度懸臂梁。其屮， 如果變截面梁設計得使梁的各截面上的最大正應力都達到材料的許用應力 值，則這樣的梁就稱為等強度梁。在本實用新型的一個可選例子中，如圖13所示，在所述殼體65的容置 腔650內設置有支撐部656，所述懸臂梁61的第一端611支撐在該支撐部656 上， 一壓塊657壓設在懸臂梁61的第一端611上，並通過緊固件658將壓塊 657固定於支撐部656上(如圖12所示)，從而將懸臂梁61的第一端611壓 緊固定在所述支撐部656上。在該例子中，與實施例l相類似，所述壓塊657 上可設置有供光纖光柵穿過的穿槽6571 (如圖12所示)。在本實施例的一個具體例子中，與實施例1相類似，所述的第一彈性膜 片62以及殼體65可由不鏽鋼材料製成，所述的第一頂柱63可與第一彈性膜 片62—體加工。所述的懸臂梁61可由鈹青銅材料製成，該種材料的彈性模 量相對小，形變恢復比較好。所述光纖64的光纖光柵可以粘貼固定在懸臂梁 61上。在實施例的一個具體例子中，如圖13所示，所述的第一彈性膜片62的 邊緣可形成有環形凸緣部621，該環形凸緣部621的外側與所述的第一安裝槽 651密封連接在一起，從而實現第一彈性膜片62與第一安裝槽651的密封連 接。在本實施例中，由於是採用彈性膜片與懸臂梁來實現光纖光柵54的增敏 的，不需要像現有的圓柱筒一活塞式光纖光柵壓力傳感器30和金屬管組合式 光纖光柵壓力傳感器40那樣需要有相對運動，因而殼體65可以在安裝完各 部件後，形成為密封器件，從而使得本實用新型的光纖光柵傳感器60對惡劣 環境有很好的抗腐蝕性能。在本實施例中，為方便懸臂梁61與光纖光柵64在殼體65內的裝配，所述殼體65包括主殼體681和封接於主殼體681端部 的封蓋682，在所述封蓋682上形成有供所述光纖光柵64的尾纖通過的孔683， 所述封蓋682與尾纖之間採用聚合物密封，從而使得該光纖光柵傳感器60在 裝配後形成為密封器件。本實用新型的上述描述僅為示例性的屬性，因此沒有偏離本實用新型要 旨的各種變形理應在本實用新型的範圍之內。這些變形不應被視為偏離本實 用新型的精神和範圍。
權利要求1、一種光纖光柵壓力傳感器，其包括懸臂梁，具有第一端和第二端，其中第一端固定，而第二端處於懸臂狀態；第一彈性膜片，其固定連接有朝向所述懸臂梁的第一頂柱，該第一頂柱的端部與所述懸臂梁的第二端的一側相頂觸；光纖，其具有光纖光柵，該光纖光柵固定連接於懸臂梁上。
2、 如權利要求1所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述的光纖光柵壓力傳感器還包括第二彈性膜片，其與第一彈性膜片相對設置，並固定連接有朝向懸臂梁的第二頂柱，該第二頂柱與所述懸臂梁第二端上的與第 一頂柱的一側相對的另一側相頂觸。
3、 如權利要求1或2所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述光 纖光柵壓力傳感器還包括有殼體，該殼體形成有容置腔，並在該殼體外側上 形成有第一安裝槽，在該第一安裝槽的底部具有連通於所述容置腔的第一通 孔；所述的懸臂梁設置於所述殼體的容置腔內，該懸臂梁的第一端固定支撐 在殼體上，所述的第一膜片周邊密封安裝在殼體的第一安裝槽上，所述的第 一頂柱穿過所述第一安裝槽底部的第一通孔而與所述懸臂梁的第二端相頂 觸。
4、 如權利要求3所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述的殼體 外側與第一安裝槽相對的位置上還設置有第二安裝槽，在該第二安裝槽的底 部設有連通於所述容置腔的第二通孔；所述第二膜片周邊密封安裝在所述第 二安裝槽上，所述第二頂柱穿過所述第二通孔而與所述懸臂梁相頂觸。
5、 如權利要求1所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述第一頂 柱上設置有微型滾動軸承，所述第一頂柱通過該微型滾動軸承頂觸於所述懸 臂梁的第二端。
6、 如權利要求2所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述第二頂柱上設置有微型滾動軸承，所述的第二頂柱通過該微型滾動軸承頂觸於所述 懸臂梁的第二端。
7、 如權利要求1或2所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述的 懸臂梁為等強度懸臂梁。
8、 如權利要求1或2所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述的光纖光柵粘貼固定在所述懸臂梁上。
9、 如權利要求3所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，在所述殼體 的容置腔內設置有支撐部，所述懸臂梁的第一端支撐在該支撐部上， 一壓塊 壓設在懸臂梁的第一端上，並通過緊固件固定於支撐部上，從而將懸臂梁的 第一端壓緊固定在所述支撐部上。
10、 如權利要求9所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述壓塊 上設置有供所述光纖穿過的穿槽。
11、 如權利要求1所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述的第 一彈性膜片由不鏽鋼材料製成。
12、 如權利要求2所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述的第 二彈性膜片由不鏽鋼材料製成。
13、 如權利要求1或2所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述 的懸臂梁由鈹青銅材料製成。
14、 如權利要求3所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，在本實用 新型中，在所述的第一彈性膜片的邊緣形成有環形凸緣部，該環形凸緣部的 外側與所述的第一安裝槽密封連接在一起，從而實現第一彈性膜片與第一安 裝槽的密封連接。
15、 如權利要求4所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，在所述的 第二彈性膜片的邊緣形成有環形凸緣部，該環形凸緣部的外側與所述的第二 安裝槽密封連接在一起，從而實現第二彈性膜片與第二安裝槽的密封連接。
16、 如權利要求3所述的光纖光柵壓力傳感器，其特徵在於，所述殼體 包括主殼體和封接於主殼體端部的封蓋，在所述封蓋上形成有供所述光纖通 過的孔，所述封蓋與光纖之間採用聚合物密封。
專利摘要本實用新型提供了一種光纖光柵壓力傳感器。該傳感器包括懸臂梁、第一彈性膜片和光纖，其中懸臂梁具有第一端和第二端，第一端固定，而第二端處於懸臂狀態；第一彈性膜片固定連接有朝向所述懸臂梁的第一頂柱，該第一頂柱的端部與所述懸臂梁的第二端的一側相頂觸；所述光纖具有光纖光柵，該光纖光柵固定連接於懸臂梁上。本實用新型的光纖光柵壓力傳感器，能夠有效縮小光纖受力方向的尺寸，從而可用於狹小空間的壓力測量。並且，本實用新型還可進一步設置有第二彈性膜片，從而利用第一彈性膜片和第二彈性膜片對懸臂梁的共同作用，能夠直接測量壓力差信號。
文檔編號G01L11/02GK201348549SQ20082012406
公開日2009年11月18日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者盧貴武, 閆志學, 陳少華 申請人:中國石油大學(北京)