本發(fā)明涉及一種基于差壓法的新型光纖光柵密度傳感器。

背景技術(shù)：

光纖光柵傳感具有尺寸小，重量輕，抗電磁干擾，復(fù)用性好等其它類型傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，各種光纖光柵傳感產(chǎn)品得到開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用。光纖光柵應(yīng)變傳感器在航空航天、大型機(jī)電設(shè)備，橋梁建筑等各個(gè)工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮重要作用。近年來(lái)，光纖光柵傳感器在其他被測(cè)量，如溫度、應(yīng)變、位移、壓力、流量等方面得到了良好的發(fā)展，但是光纖光柵傳感器在密度測(cè)量領(lǐng)域的研究和應(yīng)用報(bào)道較少，并且在光纖光柵傳感器作為密度傳感器的研究中，由于裸光纖光柵傳感器的靈敏度較低，不能滿足工程測(cè)量精度的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于差壓法的新型光纖光柵密度傳感器，可以以較高靈敏度測(cè)量外界液體密度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案：

基于差壓法的新型光纖光柵密度傳感器，其特征在于：包括

保護(hù)外殼：為圓筒狀，在靠近頂部沿直徑方向設(shè)置第一橫梁，在靠近底部沿直徑方向設(shè)置第二橫梁，所述第一橫梁和第二橫梁的長(zhǎng)度與直徑相同，且相互平行；

第一波紋膜片沿水平面固定在保護(hù)外殼的頂部，第二波紋膜片沿水平面固定在保護(hù)外殼的底部；所述兩個(gè)波紋膜片相互平行；

第一金屬增敏結(jié)構(gòu)固定在第一橫梁上，且與第一波紋膜片相接觸，第二金屬增敏結(jié)構(gòu)固定在第二橫梁上，且與第二波紋膜片相接觸；所述金屬增敏結(jié)構(gòu)與橫梁構(gòu)成等腰三角形，與波紋膜片的接觸點(diǎn)為等腰頂點(diǎn)，所述與波紋膜片的接觸點(diǎn)位于保護(hù)外殼的軸線上；

第一光纖光柵貫穿固定在第一金屬增敏結(jié)構(gòu)的兩腰之間；第二光纖光柵貫穿固定在第二金屬增敏結(jié)構(gòu)的兩腰之間；

保護(hù)外殼具有光纖引出孔；

所述兩個(gè)波紋膜片采用相同的材料和幾何結(jié)構(gòu)；所述兩個(gè)金屬增敏結(jié)構(gòu)采用相同的材料和幾何結(jié)構(gòu)；所述兩個(gè)光纖光柵具有相同的中心波長(zhǎng)。

根據(jù)兩個(gè)波紋膜片間的垂直距離得到外界液體對(duì)兩個(gè)波紋膜片的應(yīng)力差。

設(shè)置所述波紋膜片的彈性模量、泊松比、厚度和半徑，并結(jié)合所述外界液體對(duì)兩個(gè)波紋膜片的應(yīng)力差得到波紋膜片的應(yīng)變。

根據(jù)所述波紋膜片的應(yīng)變以及金屬增敏結(jié)構(gòu)的底邊高度、橫梁半長(zhǎng)度，計(jì)算得到光纖光柵的軸向應(yīng)變。

根據(jù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)及所述光纖光柵的軸向應(yīng)變，得到光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化量。

所述兩個(gè)光纖光柵分別膠結(jié)固定在金屬增敏結(jié)構(gòu)兩端。

所述兩個(gè)波紋膜片的材料和幾何結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)。

所述兩個(gè)波紋膜片的垂直距離可調(diào)節(jié)。

所述兩個(gè)金屬增敏結(jié)構(gòu)的材料和幾何結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果：

(1)通過(guò)采用本發(fā)明的光纖光柵密度傳感器，建立了外界密度參數(shù)與光柵波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依此關(guān)系可以得到外界液體密度；

(2)采用兩個(gè)幾何及材料參數(shù)相同的金屬增敏結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了波紋膜片表面應(yīng)變與光纖光柵軸向應(yīng)變之間的轉(zhuǎn)變及相同增敏，盡可能的減少對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

(3)兩個(gè)光纖光柵與金屬增敏結(jié)構(gòu)通過(guò)兩端膠結(jié)連接，避免了非均勻應(yīng)力對(duì)于光纖光柵反射光譜及傳感器測(cè)量結(jié)果的影響；

(4)兩個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)相同，避免了不同的光柵溫度敏感系數(shù)對(duì)其測(cè)量結(jié)果的影響；

(5)波紋膜片的幾何及材料參數(shù)可調(diào)節(jié)，因此可以通過(guò)改變波紋膜片的相關(guān)參數(shù)，調(diào)節(jié)外界液體被測(cè)量密度的測(cè)量精度；兩波紋膜片間的垂直距離也可通過(guò)改變傳感器保護(hù)外殼尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量傳感器測(cè)量范圍；

(6)金屬增敏結(jié)構(gòu)的幾何及材料參數(shù)可調(diào)節(jié)，因此可以通過(guò)改變金屬增敏結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵軸向應(yīng)變的不同增敏，以改變?cè)搨鞲衅鞯臋z測(cè)靈敏度；

(7)光纖尾纖從光纖引出孔引出，可以方便光纖尾纖與光源、波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備相連接；

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明光纖光柵密度傳感器的三維結(jié)構(gòu)剖視圖。

其中1，2—波紋膜片，3，4—金屬增敏結(jié)構(gòu)，5，6—光纖光柵，7—保護(hù)外殼，8—光纖引出孔，9—第一橫梁，10—第二橫梁。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

一種基于差壓法的新型光纖光柵密度傳感器如圖1所示，包括

保護(hù)外殼：為圓筒狀，在靠近頂部沿直徑方向設(shè)置第一橫梁，在靠近底部沿直徑方向設(shè)置第二橫梁，所述第一橫梁和第二橫梁的長(zhǎng)度與直徑相同，且相互平行；

第一波紋膜片沿水平面固定在保護(hù)外殼的頂部，第二波紋膜片沿水平面固定在保護(hù)外殼的底部；所述兩個(gè)波紋膜片相互平行；

第一金屬增敏結(jié)構(gòu)固定在第一橫梁上，且與第一波紋膜片相接觸，第二金屬增敏結(jié)構(gòu)固定在第二橫梁上，且與第二波紋膜片相接觸；所述金屬增敏結(jié)構(gòu)與橫梁構(gòu)成等腰三角形，與波紋膜片的接觸點(diǎn)為等腰頂點(diǎn)，所述與波紋膜片的接觸點(diǎn)位于保護(hù)外殼的軸線上；

第一光纖光柵貫穿固定在第一金屬增敏結(jié)構(gòu)的兩腰之間；第二光纖光柵貫穿固定在第二金屬增敏結(jié)構(gòu)的兩腰之間；

保護(hù)外殼具有光纖引出孔，可以方便光纖尾纖與光源、波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備相連接；

所述兩個(gè)波紋膜片采用相同的材料和幾何結(jié)構(gòu)。

所述兩個(gè)金屬增敏結(jié)構(gòu)采用相同的材料和幾何結(jié)構(gòu)；以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器敏感元件的相同增敏，盡可能的減少對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

所述兩個(gè)光纖光柵具有相同的中心波長(zhǎng)，避免不同的光柵溫度敏感系數(shù)對(duì)其測(cè)量結(jié)果的影響。

在傳感器保護(hù)外殼內(nèi)，相互平行的兩個(gè)波紋膜片高度差為h，以此來(lái)感知外界被測(cè)密度因高度差異導(dǎo)致的壓力差，并將此壓力差轉(zhuǎn)變?yōu)樯舷聝刹y膜片的表面應(yīng)變差，上下兩波紋膜片的表面應(yīng)變差ε可以表示為：

ΔP＝ρgh (1)

式中代表外界密度，g代表重力加速度，h代表兩波紋膜片間的高度差。

$\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\ϵ}{|}_{r=0}=\frac{3\mathrm{\Δ}P}{8{\mathrm{EH}}^2}(1-{\mathrm{\υ}}^2)(R^2-r^2)=\frac{3{\mathrm{\ΔPR}}^2(1-{\mathrm{\υ}}^2)}{8{\mathrm{EH}}^2}---\left(2\right)$

式中，E,υ,H及R分別為波紋膜片的彈性模量、泊松比、厚度及其半徑；

通過(guò)兩個(gè)幾何及材料參數(shù)相同的金屬增敏裝置對(duì)膜片表面應(yīng)變進(jìn)行一定的增敏，以提高該傳感器的檢測(cè)靈敏度；并實(shí)現(xiàn)波紋膜片表面應(yīng)變與核心敏感元件光纖光柵軸向應(yīng)變的轉(zhuǎn)變。光纖光柵軸向應(yīng)變與波紋膜片的表面應(yīng)變之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示為：

${\mathrm{\ϵ}}_{FBG1}=\sqrt{1+\frac{2h_1^2\·\mathrm{\ϵ}}{l_1^2}-{\left(\frac{h_1\·\mathrm{\ϵ}}{l_1}\right)}^2}-1---\left(3\right)$

式中，h₁及I₁分別為金屬增敏結(jié)構(gòu)的高度及橫梁半長(zhǎng)度值。

進(jìn)而，光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化量為：

Δλ_B＝λ_B(1-p_ε)ε_FBG (4)

式中，為光纖光柵的初始中心波長(zhǎng)，代表光纖的彈光系數(shù)。

光纖光柵的尾纖通過(guò)傳感器的尾纖引出孔引出與光源及波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備連接。

所述兩個(gè)光纖光柵分別膠結(jié)固定在金屬增敏結(jié)構(gòu)兩端，避免了非均勻應(yīng)力對(duì)于光纖光柵反射光譜及傳感器測(cè)量結(jié)果的影響。

所述兩個(gè)波紋膜片的材料和幾何結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)，可以改變波紋膜片得相關(guān)參數(shù)，改變外界液體密度參數(shù)的測(cè)量精度。

所述兩個(gè)波紋膜片相互平行，且其相對(duì)空間位置可以通過(guò)改變傳感器保護(hù)外殼尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量傳感器測(cè)量范圍及精度的調(diào)節(jié)。

所述兩個(gè)金屬增敏結(jié)構(gòu)的材料和幾何結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵軸向應(yīng)變的不同增敏，可以改變?cè)搨鞲衅鞯臋z測(cè)靈敏度。

通過(guò)上述介紹，該新型光纖光柵密度傳感器建立了外界液體被測(cè)量密度與光纖光柵中心波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)反演分析光纖光柵中心波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)變化實(shí)現(xiàn)外界被測(cè)量密度的測(cè)量。通過(guò)改變?cè)搨鞲衅魉ǖ慕饘僭雒艚Y(jié)構(gòu)及波紋膜片的幾何及材料參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)該新型光纖光柵密度傳感器測(cè)量靈敏度及量程的有效調(diào)整。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。