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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
壓力和溫度的測(cè)量早已經(jīng)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中非常重要的參數(shù)。在石化工業(yè)、油氣田的勘探開采、航空儀表、水下作業(yè)等領(lǐng)域中，一般是采用電學(xué)量傳感器對(duì)壓力和溫度進(jìn)行分別測(cè)量，而后經(jīng)過電纜將信號(hào)傳輸至終端進(jìn)行信號(hào)的處理。由于電子元器件對(duì)于惡劣環(huán)境的適應(yīng)性差(溫度每升高10℃就會(huì)使電子儀表的故障率成倍增加)、微弱的電信號(hào)容易收到電磁干擾(電磁測(cè)量的先天不足)、特殊測(cè)量地點(diǎn)的安全要求(電信號(hào)容易對(duì)易燃易爆場(chǎng)所造成安全威脅)以及遠(yuǎn)距離傳輸使得信號(hào)大幅損耗等要求一種新的測(cè)量方式來替代傳統(tǒng)的電測(cè)試。
光纖傳感技術(shù)是現(xiàn)代通信的產(chǎn)物，是隨著光纖及通信技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的一門嶄新技術(shù)。光在傳輸過程中，光纖易受到外界環(huán)境的影響，如溫度、壓力等，從而導(dǎo)致傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等光波量發(fā)生變化，從而通過監(jiān)測(cè)這些量的變化可以獲得相應(yīng)的物理量。光纖傳感器具有下列特點(diǎn)不受潮濕環(huán)境影響，能避免電磁場(chǎng)的干擾，電絕緣性好；耐久性好，具有抵抗包括高溫在內(nèi)的惡劣環(huán)境及化學(xué)侵蝕的能力；質(zhì)量輕，體積小，對(duì)結(jié)構(gòu)影響小，易于布置；信號(hào)、數(shù)據(jù)可多路傳輸，單位長(zhǎng)度上信號(hào)衰減小等優(yōu)點(diǎn)，可以完全勝任在惡劣環(huán)境正常工作的任務(wù)。
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在光纖纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。當(dāng)多波長(zhǎng)信號(hào)入射進(jìn)入光纖時(shí)，滿足光柵反射條件的某個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)(稱為Bragg波長(zhǎng))，會(huì)被耦合成反向波并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(yīng)變和應(yīng)力等物理量的變化會(huì)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(zhǎng)發(fā)生漂移，通過檢測(cè)光纖光柵Bragg波長(zhǎng)的變化就可以獲得相應(yīng)的溫度、應(yīng)變和應(yīng)力的信息。光纖光柵傳感器不僅擁有光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)，而且還擁有自身特殊的優(yōu)點(diǎn)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數(shù)問題；檢出量是波長(zhǎng)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(duì)環(huán)境干擾不敏感，穩(wěn)定性好；波長(zhǎng)編碼，可以方便實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的絕對(duì)測(cè)量；輸出線性范圍寬，在10000微應(yīng)變范圍內(nèi)波長(zhǎng)移動(dòng)與應(yīng)變有良好的線性關(guān)系，頻帶寬，信噪比高；便于利用波分復(fù)用技術(shù)串聯(lián)多個(gè)光纖光柵形成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，因此光纖光柵傳感技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。
現(xiàn)有的波登管測(cè)試壓力技術(shù)是在波登管上應(yīng)變最大的地方粘貼電阻應(yīng)變片，其采用的電阻應(yīng)變片在溫度變化或者電磁場(chǎng)干擾下容易形成信號(hào)的漂移，且溫度的增加會(huì)使得應(yīng)變片及電信號(hào)的放大系統(tǒng)故障率大大增加，如(中華人民共和國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)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(shè)計(jì)方面還不成熟，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封難度大，如清華大學(xué)曾經(jīng)提出用圓形的壓力換能器結(jié)合懸臂梁的機(jī)構(gòu)(中華人民共和國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)說明書，申請(qǐng)?zhí)?2121327.5，公開號(hào)CN1384341A)。而現(xiàn)有的波登管光纖光柵壓力傳感器沒有采用雙光柵的結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)壓力和溫度的實(shí)時(shí)分離檢測(cè)，且懸臂梁采用的材料為有機(jī)玻璃等聚合物，無論在溫度測(cè)量范圍、穩(wěn)定性、可重復(fù)性及可靠性等方面存在較大的問題，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種壓力和溫度可以同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器，可以避免傳統(tǒng)電學(xué)量測(cè)量的種種弊端、發(fā)揮光纖傳感器諸多優(yōu)點(diǎn)，且器件采用全金屬結(jié)構(gòu)，達(dá)到在惡劣環(huán)境中檢測(cè)出壓力和溫度的目標(biāo)。本發(fā)明應(yīng)用于各領(lǐng)域氣體或液體的壓力和溫度的測(cè)試、計(jì)量。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器，主要包括一個(gè)波登管(又叫彈簧管)壓力換能器，一個(gè)粘貼兩個(gè)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(dāng)從波登管固定端開口導(dǎo)入被測(cè)壓力時(shí)，波登管的曲率將隨著被測(cè)壓力的改變而改變，同時(shí)引起波登管自由端的產(chǎn)生位移，進(jìn)而帶動(dòng)懸臂梁的自由端，最終使得粘結(jié)在懸臂梁根部的光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，通過對(duì)這個(gè)兩個(gè)波長(zhǎng)的檢測(cè)就可以得到壓力和溫度信息。
一種壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器的方法，其過程如下在介質(zhì)壓力的作用下，波登管在內(nèi)部壓力的作用使其斷面極力傾向變?yōu)閳A形，迫使波登管的自由端13產(chǎn)生移動(dòng)，這一移動(dòng)通過連接點(diǎn)13傳遞給懸臂梁14并使之產(chǎn)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(chǎn)生的拉應(yīng)變或者壓應(yīng)變?chǔ)?，引起光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)的漂移，通過檢測(cè)兩個(gè)光纖光柵相應(yīng)的波長(zhǎng)變化即可知道待測(cè)壓力和溫度大小。
本發(fā)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、磁干擾，避免電測(cè)量的種種不足，提高環(huán)境適應(yīng)能力和應(yīng)用領(lǐng)域。
2.構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)的貼在懸臂梁上下表面相應(yīng)位置的兩個(gè)光纖光柵在實(shí)現(xiàn)提高靈敏度的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的分離檢測(cè)。
3.采用波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離被測(cè)量的絕對(duì)測(cè)量。
4.波登管技術(shù)、工藝成熟，波登管產(chǎn)品早已經(jīng)市場(chǎng)化，任意調(diào)節(jié)波登管相應(yīng)的參數(shù)，可以任意的改變傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍，密封工藝簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化。
5.由于懸臂梁采用高彈性合金材料材料，測(cè)溫范圍高達(dá)200℃，測(cè)量范圍廣且穩(wěn)定性好、可靠性高。


圖1為本發(fā)明光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)施例中等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1為本發(fā)明所述光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器主要包括一個(gè)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(dǎo)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固定于下底板1上，自由端13通過焊接或者粘接的方式和懸臂梁14進(jìn)行固接于點(diǎn)12，導(dǎo)壓咀8和導(dǎo)壓孔7相連，將外界壓力引導(dǎo)到波登管3內(nèi)；一個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁14及其安裝基座17及緊固螺釘15，兩個(gè)性能一致且?guī)в形怖w9和11的光纖光柵4和5分別粘貼于懸臂梁14上下表面相對(duì)應(yīng)的根部；堵頭10和側(cè)壁2密封緊固，連接光纖9、11通過堵頭10和外界相連。
壓力換能器可制成波登管形式。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(dǎo)壓咀8將傳感器和待測(cè)壓力空間相連，介質(zhì)由所測(cè)空間通導(dǎo)壓孔7進(jìn)入波登管3內(nèi)部。在介質(zhì)壓力的作用下，波登管在內(nèi)部壓力的作用使其斷面極力傾向變?yōu)閳A形，迫使波登管的自由端13產(chǎn)生移動(dòng)，這一移動(dòng)通過連接點(diǎn)13傳遞給懸臂梁14并使之產(chǎn)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(chǎn)生的拉應(yīng)變或者壓應(yīng)變?chǔ)?，引起光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)的漂移，通過檢測(cè)兩個(gè)光纖光柵相應(yīng)的波長(zhǎng)變化即可知道待測(cè)壓力和溫度大小。如圖2所示，波登管3和懸臂梁14在壓力作用下變形后為18、19。
光纖光柵懸臂梁可制成等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)。
對(duì)于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(shí))，其自由端的位移和所測(cè)的壓力之間的關(guān)系可以用下式表示W(wǎng)=Δp1-μ2ER3bh(1-b2a2)αβ+x2(θ-sinθ)2+(1-cosθ)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(zhǎng)半軸和短半軸h——波登管的管壁厚度x——波登管的基本參數(shù)x=Rha2]]>α和β——與 有關(guān)的參數(shù)見《壓力測(cè)量?jī)x表》.P18.機(jī)械工業(yè)出版社從(1)式可以看出，波登管的位移和待測(cè)壓力的特性W＝f(p)是線性關(guān)系的。
根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，對(duì)于懸臂梁的應(yīng)變和撓度之間的關(guān)系如下ϵl=6(L-l)L3tW...(2)]]>其中，L——懸臂梁的長(zhǎng)度t——懸臂梁的厚度l——距離固定端的距離聯(lián)立(1)、(2)可以得到ϵl=Δp·6(L-l)L3t1-μ2ER3bh(1-b2a2)αβ+x2(θ-sinθ)2+(1-cosθ)2...(3)]]>上式表明，光纖光柵在待測(cè)壓力作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)變和待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。
對(duì)于光纖光柵在應(yīng)變和溫度作用下產(chǎn)生中心Bragg波長(zhǎng)漂移ΔλBλB=(1-Pe)·ϵl+(χ+ξ)·ΔT...(4)]]>其中λB——中心Bragg波長(zhǎng)ΔλB——應(yīng)變和溫度共同作用下中心Bragg波長(zhǎng)的變化量Pe——光纖的彈光系數(shù)χ——光纖光柵的熱膨脹系數(shù)ξ——光纖光柵的熱光系數(shù)ΔT——光纖光柵所處位置的溫度變化對(duì)于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(yīng)變的影響是等值反向的，故在解調(diào)部分可以得到兩個(gè)不同的Bragg波長(zhǎng)ΔλB1和ΔλB2。由(4)可以得出，波長(zhǎng)變化量和溫度變化的關(guān)系為ΔT=ΔλB1+ΔλB22(χ+ξ)λB]]>波長(zhǎng)變化量和應(yīng)變變化的關(guān)系為ϵl=ΔλB1-ΔλB22(1+Pe)λB]]>由(3)得出，波長(zhǎng)變化量和壓力大小的關(guān)系為Δp=ΔλB1-ΔλB22(1+Pe)λB/6(L-l)L3t1-μ2ER3bh(1-b2a2)αβ+x2(θ-sinθ)2+(1-cosθ)2...(5)]]>從上述過程可以看出，兩個(gè)光纖光柵組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)于兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)的測(cè)量，就可以得到待測(cè)介質(zhì)的壓力、溫度參數(shù)，且使得對(duì)于壓力的靈敏度提高一倍。
圖3是等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)。光纖光柵懸臂梁可制成等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器，主要包括一個(gè)波登管壓力換能器，一個(gè)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(jù)權(quán)利要求1所述的壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器，其特征在于，換能器(3)包括含有導(dǎo)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)固定于下底板(1)上，自由端(13)通過焊接或者粘接的方式和懸臂梁(14)進(jìn)行固接于點(diǎn)(12)，導(dǎo)壓咀(8)和導(dǎo)壓孔(7)相連，將外界壓力引導(dǎo)到波登管(3)內(nèi)；一個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁(14)及其安裝基座(17)及緊固螺釘(15)，兩個(gè)性能一致且?guī)в形怖w(9)和(11)的光纖光柵(4)和(5)分別粘貼于懸臂梁(14)上下表面相對(duì)應(yīng)的根部；堵頭(10)和側(cè)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(jù)權(quán)利要求1所述的壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器，其特征在于，壓力換能器可制成波登管形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器，其特征在于，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(dǎo)壓咀(8)將傳感器和待測(cè)壓力空間相連，介質(zhì)由所測(cè)空間通導(dǎo)壓孔(7)進(jìn)入波登管(3)內(nèi)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器，其特征在于，光纖光柵懸臂梁可制成等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)。
6.一種壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵傳感器的方法，其過程如下在介質(zhì)壓力的作用下，波登管在內(nèi)部壓力的作用使其斷面極力傾向變?yōu)閳A形，迫使波登管的自由端(13)產(chǎn)生移動(dòng)，這一移動(dòng)通過連接點(diǎn)(13)傳遞給懸臂梁(14)并使之產(chǎn)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(chǎn)生的拉應(yīng)變或者壓應(yīng)變?chǔ)?，引起光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)的漂移，通過檢測(cè)兩個(gè)光纖光柵相應(yīng)的波長(zhǎng)變化即可知道待測(cè)壓力和溫度大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)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(gè)波登管壓力換能器，一個(gè)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(zhì)壓力的作用下，彈簧管在內(nèi)部壓力的作用使其斷面極力傾向變?yōu)閳A形，迫使彈簧管的自由端13產(chǎn)生移動(dòng)，這一移動(dòng)通過連接點(diǎn)13傳遞給懸臂梁14并使之產(chǎn)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(chǎn)生的拉應(yīng)變或者壓應(yīng)變?chǔ)?，引起光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)的漂移，通過檢測(cè)兩個(gè)光纖光柵相應(yīng)的波長(zhǎng)變化即可知道待測(cè)壓力和溫度大小。
文檔編號(hào)G01D5/353GK1948914SQ20051010933
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者王永杰, 李芳 , 劉育梁 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所