本技術(shù)涉及傳感器，特別涉及一種光纖布拉格光柵壓力傳感器及制作方法、使用方法。

背景技術(shù)：

1、對(duì)于海岸及近海構(gòu)筑物的波浪荷載的研究，主要包括研究規(guī)則波及不規(guī)則波對(duì)透空式建筑、單樁、群樁、防波堤、海床的作用以及結(jié)構(gòu)-樁-海床相互作用。一些相關(guān)技術(shù)中，多采用壓阻式或壓電式高頻壓力傳感器，或由壓力傳感器組成的陣列對(duì)規(guī)則波及不規(guī)則波作用于垂直鋼墻、傾斜壁、碎石防波堤上的法向力及切向力進(jìn)行研究。另一些相關(guān)技術(shù)中對(duì)于波浪力的測(cè)量多采用點(diǎn)荷載傳感器、壓力傳感器、及測(cè)力天平，這些傳感器具有固有體積小、固有頻率高、頻域范圍廣的優(yōu)點(diǎn)、但容易受到電磁信號(hào)干擾，同時(shí)傳感器的防腐蝕問(wèn)題也需要解決。

2、進(jìn)一步的，在水槽實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，相關(guān)技術(shù)中多使用各種壓力傳感器對(duì)波浪抨擊力進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)傳感器測(cè)量波浪荷載，要求傳感器量程大，具有寬的頻響、優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，還要具有耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。用來(lái)測(cè)量波浪沖擊力的壓力傳感器已經(jīng)得到了很大改進(jìn)，但有限的傳感面積或需要的大量原件限制了它們的實(shí)用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的在于至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本技術(shù)提出一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，能夠提高測(cè)量精度和適用性，使得監(jiān)測(cè)效率大大提高，滿足不同使用場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)。

2、本技術(shù)還提出一種上述光纖布拉格光柵壓力傳感器的制作方法。

3、本技術(shù)還提出一種上述光纖布拉格光柵壓力傳感器的使用方法。

4、根據(jù)本技術(shù)第一方面實(shí)施例的光纖布拉格光柵壓力傳感器，包括：

5、殼體結(jié)構(gòu)；

6、膜片式結(jié)構(gòu)，所述膜片式結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)，所述膜片式結(jié)構(gòu)用于將所述殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)劃分出上下相鄰的第一空腔和第二空腔；

7、第一進(jìn)水口，所述第一進(jìn)水口設(shè)置在所述殼體結(jié)構(gòu)的頂部并與所述第一空腔連通；

8、等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)，所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的一端設(shè)置在所述第一空腔的內(nèi)壁，所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的另一端懸伸設(shè)置并位于所述第一進(jìn)水口處；

9、第二進(jìn)水口，所述第二進(jìn)水口設(shè)置在所述殼體結(jié)構(gòu)的底部并與所述第二空腔連通；

10、第一光纖光柵組件，所述第一光纖光柵組件設(shè)置在所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)上，以使所述第一光纖光柵組件能夠用于測(cè)量波浪沖擊荷載；

11、第二光纖光柵組件，所述第二光纖光柵組件設(shè)置在所述膜片式結(jié)構(gòu)上，以使所述第二光纖光柵組件能夠用于測(cè)量靜水壓力。

12、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例的光纖布拉格光柵壓力傳感器，至少具有如下有益效果：采用上部等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)測(cè)量波浪沖擊荷載，下部膜片式結(jié)構(gòu)測(cè)量靜水壓力，提高了傳感器的測(cè)量精度和適用性，使得監(jiān)測(cè)效率大大提高，滿足不同使用場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)，同時(shí)光纖光柵具有耐腐蝕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)、并且配合高速光學(xué)解調(diào)儀，可以檢測(cè)到頻率高達(dá)幾千赫茲的高頻信號(hào)，適合應(yīng)用到波浪沖擊荷載的監(jiān)測(cè)中。

13、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的光纖布拉格光柵壓力傳感器，所述第一光纖光柵組件包括第一光纖線和設(shè)置在所述第一光纖線上的第一光柵光纖fbg和第二光柵光纖fbg，所述第一光纖線設(shè)置在所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)上，以使所述第一光柵光纖fbg靠近所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的豎直中心線中部位置設(shè)置，且所述第二光柵光纖fbg靠近所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的一端設(shè)置。

14、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的光纖布拉格光柵壓力傳感器，所述殼體結(jié)構(gòu)上形成有與所述第一空腔連通的第一引出口，所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)上形成有沿豎直中心線延伸的凹槽，所述第一光纖線設(shè)置在所述凹槽內(nèi)并從所述第一引出口引出。

15、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的光纖布拉格光柵壓力傳感器，所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的另一端包括圓柱形結(jié)構(gòu)，所述第一進(jìn)水口的截面形狀為圓形，所述圓柱形結(jié)構(gòu)伸入所述第一進(jìn)水口內(nèi)并與所述第一進(jìn)水口之間存在間隔。

16、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的光纖布拉格光柵壓力傳感器，所述第二光纖光柵組件包括第二光纖線和第三光柵光纖fbg，所述殼體結(jié)構(gòu)上形成有與所述第二空腔連通的第二引出口，所述第三光柵光纖fbg靠近所述膜片式結(jié)構(gòu)的中心位置設(shè)置，所述第二光纖線與所述第三光柵光纖fbg連接并從所述第二引出口引出。

17、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的光纖布拉格光柵壓力傳感器，所述殼體結(jié)構(gòu)包括蓋板、中間組件和底板，所述膜片式結(jié)構(gòu)作為所述中間組件的底部，所述中間組件形成所述第一空腔且頂部用于與所述蓋板裝配，所述中間組件的底部用于與所述底板裝配以圍成所述第二空腔。

18、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的光纖布拉格光柵壓力傳感器，所述中間組件的側(cè)壁設(shè)有排水口。

19、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的光纖布拉格光柵壓力傳感器，所述第二進(jìn)水口設(shè)置多個(gè)，各所述第二進(jìn)水口呈陣列地分布于所述底板上。

20、根據(jù)本技術(shù)第二方面實(shí)施例的光纖布拉格光柵壓力傳感器的制作方法，包括以下步驟：

21、通過(guò)3d軟件建立模型，通過(guò)3d打印將殼體結(jié)構(gòu)、膜片式結(jié)構(gòu)、等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)打印出來(lái)；

22、將第一光纖光柵組件粘貼于等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)上表面中心處，將第二光纖光柵組件粘貼于膜片式結(jié)構(gòu)下表面中心處；

23、將第一光纖光柵組件和所述第二光纖光柵組件從所述殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)引出；

24、進(jìn)行封裝處理使裝置內(nèi)部封閉。

25、根據(jù)本技術(shù)第三方面實(shí)施例的光纖布拉格光柵壓力傳感器的使用方法，包括以下步驟：

26、所述第一光纖光柵組件包括第一光纖線和設(shè)置在所述第一光纖線上的第一光柵光纖fbg和第二光柵光纖fbg，所述第一光纖線設(shè)置在所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)上，以使所述第一光柵光纖fbg靠近所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的豎直中心線中部位置設(shè)置，且所述第二光柵光纖fbg靠近所述等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的一端設(shè)置，所述第二光纖光柵組件包括第二光纖線和第三光柵光纖fbg，所述第三光柵光纖fbg靠近所述膜片式結(jié)構(gòu)的中心位置設(shè)置，所述第二光纖線與所述第三光柵光纖fbg連接；

27、基于光纖布拉格光柵的設(shè)計(jì)原理：

28、

29、其中，λ是無(wú)應(yīng)變條件下光纖布拉格光柵初始波長(zhǎng)，δλ是由于應(yīng)變和溫度變化引起的光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)漂移量；peff＝0.22為光彈性系數(shù)，α和ξ為光纖布拉格光柵熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)；

30、基于等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)測(cè)量波浪沖擊荷載的原理：

31、等強(qiáng)度梁結(jié)構(gòu)的理論公式包括：

32、結(jié)構(gòu)所受的均布荷載簡(jiǎn)化為作用于等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)另一端的圓柱體所受的集中力，即：

33、f＝p×πr2#(2)

34、f為施加在懸臂梁頂端均布荷載的等效值，p為懸臂梁頂端圓柱體所受表面壓強(qiáng)，r為圓柱形感測(cè)結(jié)構(gòu)的半徑；

35、由材料力學(xué)可知：

36、

37、m(x)＝-f(l-x)#(4)

38、

39、由邊界條件ω＝0，ω′＝0，解得：

40、c1＝c2＝0

41、

42、故梁自由端撓度為：

43、

44、梁上應(yīng)變?yōu)椋?/p>

45、

46、上式中，l為梁的長(zhǎng)度，b為梁的寬度，h為梁的厚度，e材料的楊氏模量；

47、結(jié)合(1)、(6)得到在外界荷載下，動(dòng)水壓力和fbg波長(zhǎng)漂移量之間關(guān)系為：

48、

49、從而可知傳感器靈敏度系數(shù)kpa為：

50、

51、根據(jù)力學(xué)理論，在均勻外壓p的作用下，橫向無(wú)約束均勻膜片中心產(chǎn)生的徑向應(yīng)變表示為：

52、

53、其中，e是膜片在垂直方向上的彈性模量；v是泊松比；h是膜片的厚度；r是膜片的半徑；

54、波長(zhǎng)漂移和靜水壓力之間的關(guān)系表示如下：

55、

56、因此，當(dāng)室溫穩(wěn)定時(shí)，傳感器靈敏度系數(shù)kpb為：

57、

58、利用第二光柵光纖fbg測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)第一光柵光纖fbg和第三光柵光纖fbg測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

59、不難理解，本技術(shù)第二方面實(shí)施例中的光纖布拉格光柵壓力傳感器的制作方法和本技術(shù)第二方面實(shí)施例中的光纖布拉格光柵壓力傳感器的使用方法，均具有如前所述第一方面實(shí)施例中的光纖布拉格光柵壓力傳感器的技術(shù)效果，因而不再贅述。

60、本技術(shù)的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本技術(shù)的實(shí)踐了解到。