基于波登管作為換能器的光纖光柵傳感器及方法

2023-12-02 16:22:26

專利名稱：基于波登管作為換能器的光纖光柵傳感器及方法
技術領域：
本發明涉及傳感器技術領域，特別是一種基于波登管(又叫彈簧管)作為換能器的光纖光柵傳感器及方法。
背景技術：
壓力和溫度的測量早已經是現代工業生產過程中非常重要的參數。在石化工業、油氣田的勘探開採、航空儀表、水下作業等領域中，一般是採用電學量傳感器對壓力和溫度進行分別測量，而後經過電纜將信號傳輸至終端進行信號的處理。由於電子元器件對於惡劣環境的適應性差(溫度每升高10℃就會使電子儀表的故障率成倍增加)、微弱的電信號容易收到電磁幹擾(電磁測量的先天不足)、特殊測量地點的安全要求(電信號容易對易燃易爆場所造成安全威脅)以及遠距離傳輸使得信號大幅損耗等要求一種新的測量方式來替代傳統的電測試。
光纖傳感技術是現代通信的產物，是隨著光纖及通信技術的發展而逐步發展起來的一門嶄新技術。光在傳輸過程中，光纖易受到外界環境的影響，如溫度、壓力等，從而導致傳輸光的強度、相位、頻率、偏振態等光波量發生變化，從而通過監測這些量的變化可以獲得相應的物理量。光纖傳感器具有下列特點不受潮溼環境影響，能避免電磁場的幹擾，電絕緣性好；耐久性好，具有抵抗包括高溫在內的惡劣環境及化學侵蝕的能力；質量輕，體積小，對結構影響小，易於布置；信號、數據可多路傳輸，單位長度上信號衰減小等優點，可以完全勝任在惡劣環境正常工作的任務。
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在光纖纖芯內形成空間相位光柵。當多波長信號入射進入光纖時，滿足光柵反射條件的某個波長信號(稱為Bragg波長)，會被耦合成反向波並沿原光纖線路反向傳輸。光纖光柵傳感的基本原理是溫度、應變和應力等物理量的變化會引起光纖光柵的柵距和有效折射率的變化，從而使光纖光柵反射的Bragg波長發生漂移，通過檢測光纖光柵Bragg波長的變化就可以獲得相應的溫度、應變和應力的信息。光纖光柵傳感器不僅擁有光纖傳感器的優勢，而且還擁有自身特殊的優點測量動態範圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數問題；檢出量是波長信息，因此不受接頭損失、傳輸損耗、彎曲損耗、光源功率起伏等因素的影響，對環境幹擾不敏感，穩定性好；波長編碼，可以方便實現被測量的絕對測量；輸出線性範圍寬，在10000微應變範圍內波長移動與應變有良好的線性關係，頻帶寬，信噪比高；便於利用波分復用技術串聯多個光纖光柵形成分布式傳感網絡，因此光纖光柵傳感技術有著廣闊的應用前景。
現有的波登管測試壓力技術是在波登管上應變最大的地方粘貼電阻應變片，其採用的電阻應變片在溫度變化或者電磁場幹擾下容易形成信號的漂移，且溫度的增加會使得應變片及電信號的放大系統故障率大大增加，如(中華人民共和國實用新型專利申請說明書CN85 2 03516 U)。已有的光纖光柵壓力溫度傳感器還不多見，且在加工工藝和模塊化設計方面還不成熟，結構複雜，密封難度大，如清華大學曾經提出用圓形的壓力換能器結合懸臂梁的機構(中華人民共和國發明專利申請說明書，申請號02121327.5，公開號CN1384341A)。而現有的波登管光纖光柵壓力傳感器沒有採用雙光柵的結構，不能實現壓力和溫度的實時分離檢測，且懸臂梁採用的材料為有機玻璃等聚合物，無論在溫度測量範圍、穩定性、可重複性及可靠性等方面存在較大的問題，不能實現實用化。

發明內容
本發明的目的是提供一種壓力和溫度可以同時測量的光纖光柵傳感器，可以避免傳統電學量測量的種種弊端、發揮光纖傳感器諸多優點，且器件採用全金屬結構，達到在惡劣環境中檢測出壓力和溫度的目標。本發明應用於各領域氣體或液體的壓力和溫度的測試、計量。
為了達到上述目的，本發明的技術方案如下一種壓力和溫度同時測量的光纖光柵傳感器，主要包括一個波登管(又叫彈簧管)壓力換能器，一個粘貼兩個相同光纖光柵的彈性合金懸臂梁，光纖耦合器，傳輸光纖，封裝外殼及各部件的緊固定位器件、密封器件。波登管自由端和在上下表面分別粘貼光纖光柵的懸臂梁的自由端相連接，光纖光柵通過耦合器和傳輸光纖相連接。當從波登管固定端開口導入被測壓力時，波登管的曲率將隨著被測壓力的改變而改變，同時引起波登管自由端的產生位移，進而帶動懸臂梁的自由端，最終使得粘結在懸臂梁根部的光纖光柵的Bragg波長產生漂移，通過對這個兩個波長的檢測就可以得到壓力和溫度信息。
一種壓力和溫度同時測量的光纖光柵傳感器的方法，其過程如下在介質壓力的作用下，波登管在內部壓力的作用使其斷面極力傾向變為圓形，迫使波登管的自由端13產生移動，這一移動通過連接點13傳遞給懸臂梁14並使之產生撓曲變形，粘貼在懸臂梁14上下表面的光纖光柵4、5分別受到所處面產生的拉應變或者壓應變ε，引起光纖光柵的Bragg波長的漂移，通過檢測兩個光纖光柵相應的波長變化即可知道待測壓力和溫度大小。
本發明的有益效果1.傳感器中無電子器件和功耗器件，可以有效的消除電、磁幹擾，避免電測量的種種不足，提高環境適應能力和應用領域。
2.構成差動結構的貼在懸臂梁上下表面相應位置的兩個光纖光柵在實現提高靈敏度的同時可以實現溫度和壓力的分離檢測。
3.採用波長編碼的方式，因此不受接頭損失、傳輸損耗、彎曲損耗、光源功率起伏等因素的影響，可以方便實現遠距離被測量的絕對測量。
4.波登管技術、工藝成熟，波登管產品早已經市場化，任意調節波登管相應的參數，可以任意的改變傳感器的靈敏度和測量範圍，密封工藝簡單，簡單地實現產品的模塊化。
5.由於懸臂梁採用高彈性合金材料材料，測溫範圍高達200℃，測量範圍廣且穩定性好、可靠性高。


圖1為本發明光纖光柵傳感器的結構示意圖。
圖2為本發明實施例中波登管在外界壓力作用下曲率變化從而引起自由端位移的示意圖。
圖3為本發明實施例中等強度懸臂梁結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明進一步詳細說明。
圖1為本發明所述光纖光柵傳感器的結構示意圖。該傳感器主要包括一個波登管(又叫彈簧管)壓力換能器3，換能器(即波登管)3包括含有導壓孔7的安裝基座16和封閉的自由端13，安裝基座通過若干螺釘6固定於下底板1上，自由端13通過焊接或者粘接的方式和懸臂梁14進行固接於點12，導壓咀8和導壓孔7相連，將外界壓力引導到波登管3內；一個等強度懸臂梁14及其安裝基座17及緊固螺釘15，兩個性能一致且帶有尾纖9和11的光纖光柵4和5分別粘貼於懸臂梁14上下表面相對應的根部；堵頭10和側壁2密封緊固，連接光纖9、11通過堵頭10和外界相連。
壓力換能器可製成波登管形式。波登管3是一根彎曲成圓弧形的橫截面為橢圓形或者平橢圓的空心管子，末端為自由端13密封，另一端與安裝基座16焊接一起，首端有導壓咀8將傳感器和待測壓力空間相連，介質由所測空間通導壓孔7進入波登管3內部。在介質壓力的作用下，波登管在內部壓力的作用使其斷面極力傾向變為圓形，迫使波登管的自由端13產生移動，這一移動通過連接點13傳遞給懸臂梁14並使之產生撓曲變形，粘貼在懸臂梁14上下表面的光纖光柵4、5分別受到所處面產生的拉應變或者壓應變ε，引起光纖光柵的Bragg波長的漂移，通過檢測兩個光纖光柵相應的波長變化即可知道待測壓力和溫度大小。如圖2所示，波登管3和懸臂梁14在壓力作用下變形後為18、19。
光纖光柵懸臂梁可製成等強度懸臂梁結構。
對於橢圓形截面薄臂波登管(管壁厚h和管截面半軸b之比不超過0.7～0.8時)，其自由端的位移和所測的壓力之間的關係可以用下式表示W=p1-2ER3bh(1-b2a2)+x2(-sin)2+(1-cos)2...(1)]]>
其中E——波登管材料的彈性模量μ——波登管材料的泊松比R——波登管的曲率半徑a和b——波登管截面的長半軸和短半軸h——波登管的管壁厚度x——波登管的基本參數x=Rha2]]>α和β——與 有關的參數見《壓力測量儀表》.P18.機械工業出版社從(1)式可以看出，波登管的位移和待測壓力的特性W＝f(p)是線性關係的。
根據材料力學的知識，對於懸臂梁的應變和撓度之間的關係如下l=6(L-l)L3tW...(2)]]>其中，L——懸臂梁的長度t——懸臂梁的厚度l——距離固定端的距離聯立(1)、(2)可以得到l=p6(L-l)L3t1-2ER3bh(1-b2a2)+x2(-sin)2+(1-cos)2...(3)]]>上式表明，光纖光柵在待測壓力作用下產生的軸向應變和待測壓力呈線性關係。
對於光纖光柵在應變和溫度作用下產生中心Bragg波長漂移BB=(1-Pe)l+(+)T...(4)]]>其中λB——中心Bragg波長ΔλB——應變和溫度共同作用下中心Bragg波長的變化量Pe——光纖的彈光係數χ——光纖光柵的熱膨脹係數ξ——光纖光柵的熱光係數ΔT——光纖光柵所處位置的溫度變化對於懸臂梁上下表面的光纖光柵，受到的溫度影響是一致的，受到應變的影響是等值反向的，故在解調部分可以得到兩個不同的Bragg波長ΔλB1和ΔλB2。由(4)可以得出，波長變化量和溫度變化的關係為T=B1+B22(+)B]]>波長變化量和應變變化的關係為l=B1-B22(1+Pe)B]]>由(3)得出，波長變化量和壓力大小的關係為p=B1-B22(1+Pe)B/6(L-l)L3t1-2ER3bh(1-b2a2)+x2(-sin)2+(1-cos)2...(5)]]>從上述過程可以看出，兩個光纖光柵組成差動結構，通過對於兩個光纖光柵波長的測量，就可以得到待測介質的壓力、溫度參數，且使得對於壓力的靈敏度提高一倍。
圖3是等強度懸臂梁結構。光纖光柵懸臂梁可製成等強度懸臂梁結構。
權利要求
1.一種壓力和溫度同時測量的光纖光柵傳感器，主要包括一個波登管壓力換能器，一個光纖光柵懸臂梁，光纖耦合器，傳輸光纖，封裝外殼及各部件的緊固定位器件、密封器件。
2.根據權利要求1所述的壓力和溫度同時測量的光纖光柵傳感器，其特徵在於，換能器(3)包括含有導壓孔(7)的安裝基座(16)和封閉的自由端(13)，安裝基座通過螺釘(6)固定於下底板(1)上，自由端(13)通過焊接或者粘接的方式和懸臂梁(14)進行固接於點(12)，導壓咀(8)和導壓孔(7)相連，將外界壓力引導到波登管(3)內；一個等強度懸臂梁(14)及其安裝基座(17)及緊固螺釘(15)，兩個性能一致且帶有尾纖(9)和(11)的光纖光柵(4)和(5)分別粘貼於懸臂梁(14)上下表面相對應的根部；堵頭(10)和側壁(2)密封緊固，連接光纖(9、11)通過堵頭(10)和外界相連。
3.根據權利要求1所述的壓力和溫度同時測量的光纖光柵傳感器，其特徵在於，壓力換能器可製成波登管形式。
4.根據權利要求3所述的壓力和溫度同時測量的光纖光柵傳感器，其特徵在於，波登管(3)是一根彎曲成圓弧形的橫截面為橢圓形或者平橢圓的空心管子，末端為自由端(13)密封，另一端與安裝基座(16)焊接一起，首端有導壓咀(8)將傳感器和待測壓力空間相連，介質由所測空間通導壓孔(7)進入波登管(3)內部。
5.根據權利要求1所述的壓力和溫度同時測量的光纖光柵傳感器，其特徵在於，光纖光柵懸臂梁可製成等強度懸臂梁結構。
6.一種壓力和溫度同時測量的光纖光柵傳感器的方法，其過程如下在介質壓力的作用下，波登管在內部壓力的作用使其斷面極力傾向變為圓形，迫使波登管的自由端(13)產生移動，這一移動通過連接點(13)傳遞給懸臂梁(14)並使之產生撓曲變形，粘貼在懸臂梁(14)上下表面的光纖光柵(4)、(5)分別受到所處面產生的拉應變或者壓應變ε，引起光纖光柵的Bragg波長的漂移，通過檢測兩個光纖光柵相應的波長變化即可知道待測壓力和溫度大小。
全文摘要
本發明涉及傳感器技術領域，特別是一種基于波登管(又叫彈簧管)作為換能器的光纖光柵傳感器及方法。主要包括一個波登管壓力換能器，一個光纖光柵懸臂梁，光纖耦合器，傳輸光纖，封裝外殼及各部件的緊固定位器件、密封器件。在介質壓力的作用下，彈簧管在內部壓力的作用使其斷面極力傾向變為圓形，迫使彈簧管的自由端13產生移動，這一移動通過連接點13傳遞給懸臂梁14並使之產生撓曲變形，粘貼在懸臂梁14上下表面的光纖光柵4、5分別受到所處面產生的拉應變或者壓應變ε，引起光纖光柵的Bragg波長的漂移，通過檢測兩個光纖光柵相應的波長變化即可知道待測壓力和溫度大小。
文檔編號G01D5/353GK1948914SQ20051010933
公開日2007年4月18日 申請日期2005年10月13日 優先權日2005年10月13日
發明者王永傑, 李芳 , 劉育梁 申請人:中國科學院半導體研究所