本發(fā)明屬于管道測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量的一體化光纖傳感器。

背景技術(shù)：

管道是在一定溫度、壓力和流量下，用于運(yùn)輸流體介質(zhì)的一種特殊設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、冶金、化工等行業(yè)生產(chǎn)及燃?xì)庀到y(tǒng)、供暖系統(tǒng)等公眾生活之中。溫度、壓力和流量是流體管道結(jié)構(gòu)的三個(gè)重要參數(shù)，關(guān)乎工程生產(chǎn)的安全及效益。然而，目前市面上用于溫度、壓力和流量單參數(shù)測(cè)量的各類傳感器已較多，而三參數(shù)同時(shí)測(cè)量的一體化傳感器較少。同時(shí)，傳統(tǒng)電式的各類傳感器在工作時(shí)易產(chǎn)生電火花，無(wú)法用于對(duì)易燃易爆流體的檢測(cè)。

光纖傳感器利用光進(jìn)行傳感和傳輸，因此不受電磁干擾。同時(shí)，光纖傳感器具有徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕、絕緣、耐水、耐高溫、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。另外，光纖光柵是光纖傳感器家族中發(fā)展較為成熟的一種，具有成熟的制作工藝和低廉的價(jià)格。近年來(lái)，許多基于光纖光柵的溫度、壓力和流量單參數(shù)測(cè)量的傳感器被提出。

文進(jìn)等人提出了一種光纖光柵溫度探頭(中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201010279045.9)，該種溫度探頭包括了介質(zhì)封裝筒，光纖光柵以及封裝裝置，封裝裝置將外界溫度傳遞至光纖光柵，利用光纖光柵對(duì)溫度敏感的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。該裝置的介質(zhì)封裝筒是由絕緣塑料制成的，且光纖光柵是懸空，熱傳遞較慢，傳感器響應(yīng)速度較慢。

張?zhí)扈さ热颂岢隽艘环N用于管道檢測(cè)的光纖光柵壓力傳感器(中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201510415610.2)，該壓力傳感器通過(guò)彈性膜片將壓力變化轉(zhuǎn)換為膜片中心撓度變化，通過(guò)光纖光柵測(cè)量膜片中心撓度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道壓力的測(cè)量。該種結(jié)構(gòu)壓力傳感器體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)力的傳遞機(jī)構(gòu)較多，容易造成誤差的累積。

李川等人提出了一種靶式光纖光柵液體流量計(jì)(中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)20091004845.0)，該流量計(jì)利用圓靶、連接桿等裝置將流體作用于圓靶上的力傳遞給光纖光柵，通過(guò)測(cè)量光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量。該設(shè)計(jì)通過(guò)軸封膜片實(shí)現(xiàn)密封，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量的一體化光纖傳感器，解決了存在的下述問(wèn)題：光纖流量計(jì)體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量等問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方式如下：

一種溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量的一體化光纖傳感器，包括：外殼、靶片、應(yīng)變棒、第一光纖光柵、第二光纖光柵、薄壁圓筒、第三光纖光柵和第四光纖光柵。

該一體化傳感器與被測(cè)管道通過(guò)外殼連接；靶片設(shè)置在流體流經(jīng)的測(cè)量管道，位于管道測(cè)量中心，感受流量信息。

所述的靶片開(kāi)有通孔，用于安裝應(yīng)變棒自由端。

應(yīng)變棒為空心圓柱結(jié)構(gòu)，其內(nèi)安裝第一光纖光柵和第二光纖光柵；應(yīng)變棒的一端固定于靶片的靶片通孔內(nèi)，一端固定于薄壁圓筒底部法蘭的圓筒通孔內(nèi)；第一光纖光柵和第二光纖光柵都是沿應(yīng)變棒軸線方向?qū)ΨQ粘貼于應(yīng)變棒的內(nèi)壁，且第一光纖光柵和第一光纖光柵所處平面與外殼軸線方向平行。

薄壁圓筒內(nèi)安裝第三光纖光柵和第四光纖光柵，第三光纖光柵沿圓周方向粘貼于薄壁圓筒中間凹槽內(nèi)，第四光纖光柵沿圓周方向粘貼于薄壁圓筒頂部凹槽內(nèi)；第四光纖光柵所處位置為實(shí)心結(jié)構(gòu)。

上述方案中，所述的一體化傳感器設(shè)置外保護(hù)套筒(9)，所述的外殼的連接方式為法蘭連接。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提出的一種溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量的一體化光纖傳感器，將光纖光柵、與流體分隔開(kāi)，避免其被流體沖擊而損壞，提高了傳感器的使用壽命；同時(shí)，將溫度、壓力和流量探頭集成于一個(gè)探頭內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧。

附圖說(shuō)明

圖1為基于溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量的一體化光纖傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為靶片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為第一光纖光柵4和第二光纖光柵5中心波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系。

圖5為第一光纖光柵4和第二光纖光柵5中心波長(zhǎng)與流量的關(guān)系。

圖6為第三光纖光柵7和第四光纖光柵8中心波長(zhǎng)與壓力的關(guān)系。

圖中：1外殼；2靶片；3應(yīng)變棒；4第一光纖光柵；5第二光纖光柵；6薄壁圓筒；7第三光纖光柵；8第四光纖光柵；9外保護(hù)套筒；10靶片通孔；11圓筒通孔；12第一凹槽；13第二凹槽。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖說(shuō)細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施例。

如圖1、圖2、圖3所示，一種溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量的一體化光纖傳感器，該傳感器包括：安裝一體化傳感器和實(shí)現(xiàn)與被測(cè)管道連接的外殼1，感受流量信息的靶片2，安裝第一光纖光柵4和第二光纖光柵5的應(yīng)變棒3，感受壓力信息的薄壁圓筒6，用于感受不同流量下應(yīng)變棒3產(chǎn)生應(yīng)變大小的第一光纖光柵4和第二光纖光柵5，用于感受不同壓力下薄壁圓筒6產(chǎn)生應(yīng)變大小的第三光纖光柵7和第四光纖光柵8，用于保護(hù)一體化傳感器的外保護(hù)套筒9。其工作過(guò)程是：流體流經(jīng)測(cè)量管道，流體溫度通過(guò)應(yīng)變棒傳遞給第一光纖光柵4和第二光纖光柵5，導(dǎo)致其中心波長(zhǎng)向同一方向移動(dòng)，如圖4所示；流體沖擊靶片，迫使應(yīng)變棒3產(chǎn)生屈服變形，從而使安裝于應(yīng)變棒3內(nèi)壁上的第一光纖光柵4和第二光纖光柵5的中心波長(zhǎng)向相反方向移動(dòng)，如圖5所示。通過(guò)測(cè)量第一光纖光柵4和第二光纖光柵5的中心波長(zhǎng)，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、流量的同時(shí)測(cè)量。溫度的變化導(dǎo)致第三光纖光柵7和第四光纖光柵8中心反射波長(zhǎng)向同一方向移動(dòng)；壓力的變化導(dǎo)致薄壁圓筒中空部分膨脹，使第三光纖光柵7受到拉伸應(yīng)變，中心反射波長(zhǎng)紅移，第四光纖光柵8所處位置為實(shí)心結(jié)構(gòu)，壓力的變化幾乎不會(huì)使第四光纖光柵8受到拉伸應(yīng)變，從而第四光纖光柵8中心波長(zhǎng)大小與壓力無(wú)關(guān)，如圖6所示。通過(guò)測(cè)量第三光纖光柵7和第四光纖光柵8的中心波長(zhǎng)，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量的一體化光纖傳感器，由外殼、靶片、應(yīng)變棒、光纖光柵、光纖光柵、薄壁圓筒、光纖光柵、光纖光柵、保護(hù)套筒組成。應(yīng)變棒為空心圓柱結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部粘貼有光纖光柵和光纖光柵，通過(guò)測(cè)量光纖光柵和光纖光柵的兩個(gè)中心反射波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)溫度、流量的測(cè)量。光纖光柵、光纖光柵粘貼于薄壁圓筒上，通過(guò)測(cè)量光纖光柵和光纖光柵的兩個(gè)中心反射波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。該結(jié)構(gòu)形式傳感器體積小巧，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、壓力和流量的同時(shí)測(cè)量。本發(fā)明解決了現(xiàn)有光纖傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度、壓力和流量同時(shí)測(cè)量的問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：趙勇;呂日清;顧亞飛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.08.14
技術(shù)公布日：2017.10.27