高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器的製作方法

2023-10-07 03:30:59

專利名稱：高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及土木工程以及光纖傳感領域，特別是一種高精度雙波 紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器。
技術背景
流體壓力是最基本的工業過程參數之一。在工業生產過程以及大型工 程現場中，使用了大量的各種基於電信號檢測原理的壓力傳感器。在許多 存在電磁幹擾、受雷擊機率較大、易燃、易爆等惡劣環境中，以及多點測 量、傳感器與檢測設備距離遠的情況下，準確、安全、可靠地實現壓力的 測量對保證生產工藝過程的安全性和經濟性具有十分重要意義。
近十幾年來，隨著光纖光柵製作技術的日益成熟、光纖光柵解調技術 日益完善，光纖光柵具有抗電磁幹擾、抗腐蝕、抗雷擊、波長直接絕對編 碼、不受光功率波動影響、長期可靠性和穩定性好、信號長距離傳輸、波 分復用組網以及能在易燃易爆環境中應用等諸多優點，基於光纖光柵原理 的流體壓力傳感監測系統可以較好地完成在惡劣環境下的流體壓力測量。 但是，由於光纖光柵本身壓力敏感係數僅為-1.98X10^MPa—1，直接使用時 其靈敏度不夠，所以壓力測量時必須對光纖光柵進行壓力增敏才能夠滿足 實用化的要求。現有技術對光纖光柵進行壓力增敏主要有以下兩種辦法
1、 聚合物封裝方式劉雲啟等人2000年在中國雷射雜誌(2000， 27 (3)， 211 214)上報導了利用聚合物封裝方式將光纖光柵的壓力敏感系
數提高到-6.28X10-SMPa—1，為裸光柵的31. 7倍，該封裝結構具有壓力增 敏和保護光柵的雙重作用。但該方案的封裝工藝較為複雜，並且容易導致 光纖光柵的反射譜出現啁啾現象，不利於探測，還存在老化和蠕變現象， 影響傳感器的穩定性和可靠性。
2、 彈性元件的壓力變送方式中國專利"光纖光柵液位傳感器"(專
3利號CN 200320117647. X)描述了一種壓力增敏結構的液位傳感器，其構 成為殼體、片狀彈性元件以及帶有光纖光柵的光纖。液體壓力的變化導致 片狀彈性元件中心的產生一定的位移量，進而引起光纖光柵的形變，導致 光纖光柵反射波長發生移動，通過監測光纖光柵反射波長的移動獲知液位 (液壓)的變化。該專利技術很好地將液體壓力的變化轉換成了光纖光柵 中心反射波長的變化，但是該技術還存在如下問題(1)在封裝過程中為 了保證傳感器的量程必須要對光纖光柵進行較大的預拉伸，這就增加了封 裝過程中的難度；(2)對小量程壓力傳感器，較大的預拉伸量導致片狀彈 性元件的出現嚴重非線性，影響測量精度；(3)該技術方案只能單端引出 光纖，不利於組網。
發明內容
本實用新型的目的在於提供一種高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓 力傳感器，所述的這種高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器要解 決現有技術中光纖光柵流體壓力傳感器穩定性和可靠性不理想、封裝難度 大的技術問題。
本實用新型的這種高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器由一 個殼體、 一個第一光纜、 一個第二光纜、 一個外波紋管、 一個內波紋管和 一個敏感元件構成，其中，所述的殼體呈盲管狀，所述的內波紋管設置在 所述的外波紋管內，內波紋管與外波紋管之間設置有間隙，內波紋管的一 端和外波紋管的一端均固定連接在一個固定端蓋上，所述的固定端蓋固定 連接在殼體的開口一端，內波紋管的另一端和外波紋管的另一端均固定連 接在一個自由端子上，所述的自由端子懸浮設置在殼體內，固定端蓋中設 置有一個固定端光纖固定件，自由端子中設置有一個自由端光纖固定件， 所述的敏感元件懸浮設置在內波紋管內，敏感元件的兩端分別與所述的固 定端光纖固定件和自由端光纖固定件連接，所述的第一光纜從殼體外與固 定端光纖固定件連接，所述的第二光纜從殼體的另一端穿入殼體並與自由端光纖固定件連接，固定端蓋中設置有兩個流體導孔，任意一個所述的流 體導孔的一端均與內波紋管與外波紋管之間的間隙連通。
進一步的，所述的固定端蓋通過螺紋與殼體密封連接。 進一歩的，所述的固定端蓋通過焊接結構與殼體密封連接。 進一步的，所述的敏感元件是光纖光柵、或者光纖F-P腔、或者鋼弦。 本實用新型的工作原理是將殼體於變化的流體壓力環境中，通過流 體導孔，外界的流體壓力的變化施加給外波紋管和內波紋管之間形成的承 壓腔，在雙波紋管結構的帶動下，自由端子發生位移，進而光纖光柵受到 拉伸或者壓縮，從而引起光纖光柵的反射波長的移動，通過第一光纜、第 二光纜傳遞的光信號檢測光纖光柵的反射波長的移動量，即可檢測得到流 體壓力的變化信息。
本實用新型和已有技術相對比，其效果是積極和明顯的。本實用新型 將光纖光柵與雙波紋管結構連接，利用雙波紋管結構中承壓腔內的壓力變 化來拉伸或者壓縮光纖光柵，從而引起光纖光柵的反射波長的移動，通過 光纜傳遞的光信號來檢測光纖光柵的反射波長的移動量，即可檢測得到流 體壓力的變化信息。本實用新型封裝簡單，穩定性和可靠性高。


圖1是本實用新型的高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器的 結構示意圖。
具體實施方式
實施例1 :
如圖1所示，本實用新型的高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳 感器，由一個殼體IO、 一個第一光纜ll、 一個第二光纜l、 一個外波紋管
2、 一個內波紋管3和一個敏感元件7構成，其中，所述的殼體10呈盲管 狀，所述的內波紋管3設置在所述的外波紋管2內，內波紋管3與外波紋 管2之間設置有間隙，內波紋管3的一端和外波紋管2的一端均固定連接在一個固定端蓋4上，所述的固定端蓋4固定連接在殼體10的開口一端， 內波紋管3的另一端和外波紋管2的另一端均固定連接在一個自由端子8 上，所述的自由端子8懸浮設置在殼體10內，固定端蓋4中設置有一個固 定端光纖固定件5，自由端子8中設置有一個自由端光纖固定件9，所述的 敏感元件7懸浮設置在內波紋管3內，敏感元件7的兩端分別與所述的固 定端光纖固定件5和自由端光纖固定件9連接，所述的第一光纜11從殼體 10外與固定端光纖固定件5連接，所述的第二光纜1從殼體10的另一端 穿入殼體10並與自由端光纖固定件9連接，固定端蓋4中設置有兩個流體 導孔6，任意一個所述的流體導孔6的一端均與內波紋管3與外波紋管2 之間的間隙連通。
進一步的，所述的固定端蓋4通過螺紋與殼體10密封連接。 進一步的，所述的固定端蓋4通過焊接結構與殼體10密封連接。 進一歩的，所述的敏感元件7是光纖光柵、或者光纖F-P腔、或者鋼弦。
本實施例的工作過程是將殼體10於變化的流體壓力環境中，通過流 體導孔6，外界的流體壓力的變化施加給外波紋管2和內波紋管3之間形 成的承壓腔，在雙波紋管結構的帶動下，自由端子8發生位移，進而光纖 光柵受到拉伸或者壓縮，從而引起光纖光柵的反射波長的移動，通過第一 光纜ll、第二光纜1傳遞的光信號檢測光纖光柵的反射波長的移動量，即 可檢測得到流體壓力的變化信息。
具體的，本實施例的製作過程是
1 )先將光纖光柵的一端尾纖通過粘接或者焊接固定在固定端光纖固定 件5上；
2) 將固定端光纖固定件5通過螺紋旋進固定端蓋4的中心螺紋孔中， 並進行密封；
3) 將自由端光纖固定件9和自由端子8通過粘接或者焊接牢靠固定在
6一起，然後，將光纖光柵稍微拉伸，利用現有技術將光纖光柵7的這一端 的尾纖固定在自由端光纖固定件9上；
4) 將殼體10通過螺紋與固定端蓋4進行密封性連接；
5) 光纖光柵的尾纖用鎧裝光纜保護，並做好與殼體IO之間的密封措施。
內、外波紋管的材質可以為不鏽鋼、青銅的一種或其它良好的彈性材 料。內、外波紋管既可以是成型波紋管，也可以是焊接波紋管。殼體與外 波紋管之間的空氣腔可以設導氣管，與大氣連通，起到平衡大氣壓靜態壓 力變化的作用。
作為對本實用新型的進一步改進，可以在固定端蓋4外可以加環形透
水石，以起到透水、阻止泥沙的作用。
作為對本實用新型的進一步改進，通過改變固定端光纖固定件5的長 度或者材料，可以起到環境溫度變化補償的效果。
權利要求1.一種高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器，由一個殼體、一個第一光纜、一個第二光纜、一個外波紋管、一個內波紋管和一個敏感元件構成，其特徵在於所述的殼體呈盲管狀，所述的內波紋管設置在所述的外波紋管內，內波紋管與外波紋管之間設置有間隙，內波紋管的一端和外波紋管的一端均固定連接在一個固定端蓋上，所述的固定端蓋固定連接在殼體的開口一端，內波紋管的另一端和外波紋管的另一端均固定連接在一個自由端子上，所述的自由端子懸浮設置在殼體內，固定端蓋中設置有一個固定端光纖固定件，自由端子中設置有一個自由端光纖固定件，所述的敏感元件懸浮設置在內波紋管內，敏感元件的兩端分別與所述的固定端光纖固定件和自由端光纖固定件連接，所述的第一光纜從殼體外與固定端光纖固定件連接，所述的第二光纜從殼體的另一端穿入殼體並與自由端光纖固定件連接，固定端蓋中設置有兩個流體導孔，任意一個所述的流體導孔的一端均與內波紋管與外波紋管之間的間隙連通。
2. 如權利要求l所述的高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器，其特徵在於所述的固定端蓋通過螺紋與殼體密封連接。
3. 如權利要求1所述的高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器，其 特徵在於所述的固定端蓋通過焊接結構與殼體密封連接。
4. 如權利要求1所述的高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器，其 特徵在於所述的敏感元件是光纖光柵、或者光纖F-P腔、或者鋼弦。
專利摘要一種高精度雙波紋管結構光纖光柵流體壓力傳感器，由殼體、外波紋管、內波紋管和光纖光柵構成，內波紋管設置在外波紋管內，內波紋管和外波紋管的一端均固定連接在固定端蓋上，內波紋管和外波紋管的另一端均固定連接在一個自由端子上，自由端子懸浮設置在殼體內，光纖光柵懸浮在內波紋管內，光纖光柵的兩端分別與固定端光纖固定件和自由端光纖固定件連接，固定端蓋中設置有流體導孔，流體導孔與內波紋管與外波紋管之間的承壓腔連通。流體壓力變化使自由端子位移，進而光纖光柵受到拉伸或者壓縮，光纖光柵的反射波長移動，通過光纜傳遞的光信號檢測反射波長的移動量，即可得到流體壓力的變化信息。本實用新型封裝簡單，穩定性和可靠性高。
文檔編號G01L7/06GK201408100SQ20092007128
公開日2010年2月17日 申請日期2009年4月28日 優先權日2009年4月28日
發明者吳亞明, 趙恩國, 鍾少龍 申請人:上海前所光電科技有限公司