專利名稱：一種新型的光纖光柵壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵壓力傳感器，屬于傳感器與檢測技術領域。
背景技術：
目前，國內外對壓力檢測的研究和產品有很多，常采用的是傳統(tǒng)的電測量方法，這種方法不僅具有抗電磁干擾能力差、靈敏度低等缺點外，還不適合于遠距離傳感和信號傳輸。光纖壓力檢測方法提供了較好的解決方案。 在光纖壓力檢測技術方面，(Tomasz R. Woli' nski， Aleksandra Jarmolik， andWojtek J. Bock， Development of Fiber Optic Liquid Crystal Sensor for PressureMeasurement. IEEETRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,48 (1)，1999)提出"液晶+高雙折射保偏光纖壓力傳感器"方法，基于壓力的變化引起扭轉向列液晶單元的變形(液晶厚度變化)，從而導致了輸出橢圓偏振光的方向上的旋轉——旋光效應，使入射的線偏振光經過被壓力作用的液晶單元后，引起在兩個垂直接收方向上的光強度的改變，壓力測量范圍 60MPa。 (Wojtek J. Bock， Coherence Multiplexing of Fiber-OpticPressure and TemperatureSensors Based on Highly Birefringent Fibers, IEEETRANSACTIONS ON INSTRUMENTATIONAND MEASUREMENT, 49 (2) ， 2000)提出的"白光干涉+高
雙折射保偏光纖壓力傳感器"方法，是基于壓力的變化增大了高雙折射保偏光纖各偏振模式之間的傳播常數和極化模色散的差別，從而導致白光干涉條紋的橫向移動，通過CCD檢測條紋的橫向移動就可以探測到壓力的變化，實現了 20MPa測量范圍和0. 5%的測量精度。(劉云啟，郭轉運等，單個光纖光柵壓力和溫度的同時測量，中國激光，27(11)，2000)提出"聚合物封裝+光纖光柵壓力傳感器"是基于壓力的變化引起光纖光柵的軸向應變，從而導致光纖光柵的布拉格中心反射波長的移動，通過檢測中心波長的移動量，可以得到被測壓力。利用具有不同特性的聚合物分別封裝在光纖光柵的兩邊，可以得到不受外界溫度干擾的壓力信息，選用不同的聚合物，可以得到不同的測量靈敏度，測量的輸出信號與被測壓力呈現良好的線性關系，在10MPa范圍內實現了 0. 36MPa的測量分辨力，在20°C 80°C的溫度范圍內實現了 0. 3t:地測量分辨力。但這種方法需要結構復雜或昂貴的光譜波長解調設備實現信號的檢測。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于不僅為了克服已有技術的不足之處、實現較高壓力的檢測問題，還具有成本低、信號解調方法簡單的優(yōu)點，同時，也解決了光纖光柵壓力和溫度交叉敏感的問題。 本發(fā)明提出了一種新穎的用于壓力檢測的傳感器，包括基于自由圓筒的壓力換能
器和基于光纖光柵傳感器的應變檢測技術。其特征在于，包括以下內容 1. —種壓力傳感器，主要包括一個自由彈性圓筒型壓力換能器結構，懸臂梁機構，
一只刻有光纖光柵的光纖，密封機構、外部保護殼體以及起定位作用的端部元件，其特征在
3CN 101782442 A
于所述的壓力傳感器主要是利用一只光纖光柵實現壓力檢測，光纖光柵固結在懸臂梁的上表面，懸臂梁置于自由彈性圓筒的內部，并通過接觸點與其保持永久的"活性"接觸，所述的彈性圓筒由兩個端部元件及閉合螺紋元件將其固定在保護殼體內部的適當位置，這些元件之間分別通過密封墊(端部平面之間)或放置在溝槽中的環(huán)形密封圈(圓柱面之間)彼此以一定的預緊力連接。 2.按照權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的自由圓筒壓力換能器材料為鋁合金，內徑尺寸為20mm，外徑與內徑之比為1. l，長度為150mm。 3.按照權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器中的雙拱形懸臂梁為等厚結構，材料為有機玻璃，長度為130mm。 4.按照權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器探頭中的光纖光柵粘結在雙拱形懸臂梁中點至一端的上表面中間部位。 5.按照權利要求1-4所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器信號檢測方法采
用光纖光柵反射光譜3dB帶寬檢測方法，而不是傳統(tǒng)的波長檢測方法，可以避免溫度對測
量信號的影響問題。 本發(fā)明具有如下特點 (1)可實現較高壓力的測量； (2)信號傳輸損耗低，不失真，適合遠距離測量；
(3)系統(tǒng)的傳感器探頭部分電絕緣、安全性好； (4)采用了光纖光柵反射光譜信號帶寬測量技術，避免了光纖光柵傳感器測量信號交叉敏感問題；


圖1為本發(fā)明提供的光纖光柵壓力傳感器的原理結構示意圖。 圖2為本發(fā)明傳感單元中的雙拱形懸臂梁上表面受力后的應變分布圖。 圖3為利用本發(fā)明實現壓力測量時，光纖光柵反射光譜受不同壓力的變化情況。 圖4為利用本發(fā)明加壓實驗過程中光柵反射光譜圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的光纖光柵壓力傳感器結構及其測量原理，結合

如下
圖l為傳感器結構示意圖。直接感受外界壓力的自由彈性圓筒10通過兩個相同結構的端部元件15和16以及螺紋閉合元件17和18 "活性地"固定在外部保護殼體19的內部，端面元件與彈性圓筒、端面元件與外部殼體之間采用密封墊22和環(huán)形密封圈23緊密相連，懸臂梁ll置于自由彈性圓筒的內部，并通過接觸點14與其保持永久的"活性"接觸，刻制在光纖12上的光纖光柵13固結在懸臂梁上表面中心與右側端之間的位置上，并通過光纖12與外部光源及解調系統(tǒng)等相連接。 當有外界壓力P從進壓口 21引入，作用在自由彈性伸縮的圓筒結構的外表面時，將產生軸向和徑向的應變，這里是利用其徑向應變、導致圓筒內徑D的變化AD(如圖2所示)，再將這一變化傳遞給懸臂梁，此時，懸臂梁等效為在外力F的作用下，在中點位置(接觸點)處產生位移變化，最終引起粘貼在懸臂梁上的光纖光柵的軸向應變、的變化。
4
為
根據自由圓筒型換能器的簡單理論可知被測壓力與圓筒徑向的應變的函數關系 <formula>formula see original document page 5</formula> 其中，P為被測壓力，E為材料的楊氏彈性模量，K為圓筒外徑與內徑之比，v材料 的泊松比。從(1)式可以得出圓筒內徑的變化與外界壓力的變化關系
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，D為圓筒內徑。 根據有限元分析方法，當壓力作用在雙拱形懸臂梁的中點位置時，懸臂梁上表面 的應力分布情況如圖3所示。從圖3可見，在雙拱形懸臂梁的上表面，各處的應變是不同的， 在距離中點位置2cm 3cm之間的部位，應變從負值到正值趨于線性變化。這樣，當光纖光 柵區(qū)域的長度小于lcm時，將其對稱地粘貼于懸臂梁上具有線性變化的正負應變的這段區(qū) 域里，在外界壓力的變化情況下，光纖光柵一段受到負應變的作用，而另一段受到正應變的
將〗
作用，而且正負應變是沿光柵長度方向線性變化的，從而光纖光柵將變成線性啁啾的光柵， 從而會使光纖光柵的反射譜展寬。 光纖光柵的原始中心波長為1549. 338nm。圖4即是不同大小的壓力施加在傳感器 上以后，得到的光纖光柵反射光譜的3dB帶寬的展寬情況。從圖中可見，當壓力逐漸增大的 過程中，光纖光柵的反射光譜的3dB帶寬也隨之逐漸變寬，這樣，測量出光纖光柵的反射光 譜的3dB帶寬的數值，就可以得到對應的被測壓力值。
權利要求
一種光纖光柵壓力傳感器，主要包括一個自由彈性圓筒型壓力換能器結構10，懸臂梁機構11，一只刻有光纖光柵13的光纖12，密封機構17和18、外部保護殼體19以及起定位作用的端部元件15和16，其特征在于所述的壓力傳感器主要是利用一只光纖光柵實現壓力檢測，光纖光柵固結在懸臂梁的上表面，懸臂梁置于自由彈性圓筒的內部，并通過接觸點14與其保持永久的“活性”接觸，所述的彈性圓筒由兩個端部元件及閉合螺紋元件17和18將其固定在保護殼體內部的適當位置，這些元件之間分別通過密封墊22(端部平面之間)或放置在溝槽中的環(huán)形密封圈23(圓柱面之間)彼此以一定的預緊力連接。
2. 按照權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的自由圓筒壓力換能器材料為鋁合金，內徑尺寸為20mm，外徑與內徑之比為1. l，長度為150mm。
3. 按照權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器中的雙拱形懸臂梁為等厚結構，材料為有機玻璃，長度為130mm。
4. 按照權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器探頭中的光纖光柵粘結在雙拱形懸臂梁中點至一端的上表面中間部位。
5. 按照權利要求l-4所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器信號檢測方法采用光纖光柵反射光譜3dB帶寬檢測方法，而不是傳統(tǒng)的波長檢測方法，可以避免溫度對測量信號的影響問題。
全文摘要
一種新型的光纖光柵壓力傳感器，光纖光柵固結在雙拱形等厚懸臂梁的上表面，懸臂梁置于一個自由彈性圓筒的內部，并通過接觸點與其保持永久的“活性”接觸，彈性圓筒由兩個端部元件及密封元件將其固定在保護殼體內部的適當位置，這些元件之間分別通過密封墊(端部平面之間)或放置在溝槽中的環(huán)形密封圈(圓柱面之間)彼此以一定的預緊力連接。采用光纖光柵反射光譜3dB帶寬檢測方法，可以避免溫度對測量信號的影響問題。具有可實現較高壓力的測量，信號傳輸損耗低，不失真，適合遠距離測量，系統(tǒng)的傳感器探頭部分電絕緣、安全性好等優(yōu)點。
文檔編號G01L1/24GK101782442SQ20091001151
公開日2010年7月21日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權日2009年5月13日
發(fā)明者張馨元, 趙勇 申請人:東北大學