專(zhuān)利名稱(chēng)：一種壓力與溫度同時(shí)檢測(cè)的光纖光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器，尤其涉及一種壓力與溫度同時(shí)檢測(cè)的光纖光柵傳感器，屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓力檢測(cè)的研究有很多方法，但能適合井下較高壓力(最高可達(dá)140MPa)和溫度(最高到175℃)的實(shí)用方法，尤其是通過(guò)同一個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)壓力與溫度的方法還沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)報(bào)導(dǎo)。
在以光纖傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的較高壓力檢測(cè)技術(shù)方面，(W.J.Bock，T.Eftimov，G.F.Molinar，and R.Wisniewski.Free Active Element Bulk-Modulus High-PressureTransducer Based on Fiber-Optic Displacement Sensor.IEEE TRANSACTIONS ONINSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，47(1)，1998)曾提出“彈性圓筒+強(qiáng)度調(diào)制型光纖位移傳感器”，基于壓力的變化引起彈性圓筒徑向和軸向擴(kuò)張或伸縮(這里是利用圓筒在外部壓力的作用下收縮產(chǎn)生的徑向變形)，利用光纖位移傳感器來(lái)檢測(cè)這一徑向的尺寸變化，從而獲得外界壓力信息，實(shí)現(xiàn)了最高可達(dá)140MPa的測(cè)量范圍，測(cè)量精度估計(jì)可達(dá)1.5％。這種方法的不足之處是基于強(qiáng)度調(diào)制型的光纖位移傳感器對(duì)壓力產(chǎn)生的懸臂梁的撓度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，容易受到光源光強(qiáng)度的波動(dòng)、光纖連接器及耦合器等的不穩(wěn)定性、光纖傳輸損耗以及環(huán)境光干擾等因素給測(cè)量帶來(lái)的影響，這也是強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器所存在的共性問(wèn)題，從而制約了這種傳感器的實(shí)用化和商品化。而且這種傳感器只能實(shí)現(xiàn)壓力的單參數(shù)檢測(cè)，而在一些工程實(shí)際中，壓力較大的場(chǎng)合往往都會(huì)有較高的溫度同時(shí)存在，而溫度又會(huì)在一定范圍內(nèi)變化或波動(dòng)(如在海洋油井中，壓力和溫度都會(huì)隨著井深而增加)，這就必定會(huì)給測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)影響。所以有必要在壓力檢測(cè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的分離檢測(cè)，以便于實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正或進(jìn)行雙參數(shù)同時(shí)監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種壓力與溫度同時(shí)檢測(cè)的光纖光柵傳感器，主要包括一個(gè)自由彈性圓筒型壓力換能器，置于自由彈性圓筒型壓力換能器內(nèi)的懸臂梁機(jī)構(gòu)，傳輸光纖，密封部件，預(yù)緊彈簧、帶有靜壓孔的外部保護(hù)殼以及起定位作用的端部元件，其特征在于在懸臂梁的上下表面的對(duì)應(yīng)位置上分別固結(jié)兩只光纖光柵，兩只光纖光柵通過(guò)一個(gè)光纖耦合器與傳輸光纖相連。
本發(fā)明所述的懸臂梁機(jī)構(gòu)采用等厚的等腰三角形結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的特征還在于所述的密封部件對(duì)稱(chēng)的設(shè)置在自由彈性圓筒型壓力換能器兩端，并與自由彈性圓筒分別以端面的密封墊和柱面的環(huán)形密封圈進(jìn)行雙重密封連接。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及有益效果(1)由于采用了雙光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)，可同時(shí)共點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)壓力與溫度雙參數(shù)測(cè)量；(2)傳感器中沒(méi)有電子器件及電信號(hào)傳輸，使傳感器不受電磁場(chǎng)的干擾、電絕緣、安全性好；(3)由于采用了差動(dòng)測(cè)量技術(shù)，解決了光柵傳感器測(cè)量信號(hào)交叉敏感問(wèn)題，并提高了測(cè)量靈敏度，其壓力測(cè)量的靈敏度為23pm/MPa，溫度測(cè)量的靈敏度為28pm/℃；(4)由于采用了等厚的等腰三角形懸臂梁結(jié)構(gòu)，避免了光柵信號(hào)的啁啾現(xiàn)象，提高了測(cè)量的分辨率，選用分辨率為1pm的光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)壓力檢測(cè)的分辨率可達(dá)0.05MPa，溫度檢測(cè)分辨率可達(dá)0.04℃。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中自由圓筒在外界壓力作用下內(nèi)徑變化示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖3的俯視圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例自由圓筒壓力換能器內(nèi)徑尺寸變化與被測(cè)壓力的關(guān)系曲線。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例壓力檢測(cè)特性曲線。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例溫度檢測(cè)特性曲線。


圖1為本發(fā)明所述傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器主要包括一個(gè)自由彈性圓筒型壓力換能器10，置于自由彈性圓筒型壓力換能器內(nèi)的懸臂梁機(jī)構(gòu)11，傳輸光纖20，密封機(jī)構(gòu)15、16，預(yù)緊彈簧18，帶有進(jìn)壓孔21的外部保護(hù)殼體19以及起定位作用的端部元件17。懸臂梁機(jī)構(gòu)11采用等厚的等腰三角形結(jié)構(gòu)(如圖3、4所示)，在懸臂梁11的上下表面的對(duì)應(yīng)位置上分別固結(jié)兩只光纖光柵12和13，這兩只光纖光柵具有相同的參數(shù)和性能，并通過(guò)一個(gè)光纖耦合器與傳輸光纖20相連。
由直接感受外界壓力的自由彈性圓筒10通過(guò)兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的密封部件15和16以及預(yù)緊彈簧18和端部元件17“活性地”固定在外部保護(hù)殼體19的內(nèi)部，密封部件對(duì)稱(chēng)的設(shè)置在自由彈性圓筒型壓力換能器兩端，并與自由彈性圓筒分別以端面的密封墊22和柱面的環(huán)形密封圈23進(jìn)行雙重密封連接；密封部件與外部殼體之間亦采用環(huán)形密封圈密封。在懸臂梁11的自由端上設(shè)有承壓柱14，該承壓柱與自由彈性圓筒型壓力換能器10保持永久的“活性”接觸。
當(dāng)有外界壓力P從進(jìn)壓口21引入，作用在自由彈性圓筒的外表面時(shí)，將產(chǎn)生軸向和徑向的應(yīng)變，這里是利用其徑向應(yīng)變?chǔ)與導(dǎo)致圓筒內(nèi)徑D的變化ΔD(如圖2所示)，再將這一變化傳遞給懸臂梁，此時(shí)，懸臂梁等效為在外力F的作用下，在自由端A點(diǎn)處產(chǎn)生撓度變化ω(α)(如圖3所示)，最終引起粘貼在懸臂梁上的光纖光柵的軸向應(yīng)變?chǔ)舩的變化。
根據(jù)自由圓筒型換能器的簡(jiǎn)單理論可知被測(cè)壓力與圓筒徑向應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系為ϵc=-PEK2K2-1(2-v)---(1)]]>其中，P為被測(cè)壓力，E為材料的楊氏彈性模量，K為圓筒外徑與內(nèi)徑之比，v為材料的泊松比。從(1)式可以得出圓筒內(nèi)徑的變化與外界壓力的變化關(guān)系ΔDD=ΔPEK2K2-1(2-v)---(2)]]>其中，D為圓筒內(nèi)徑。由材料力學(xué)可知，對(duì)于一個(gè)等厚的懸臂梁，其沿軸向產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)舩與自由端的撓度ω的關(guān)系為ϵx=6·(L-x)L3·h·ω---(3)]]>其中，L為懸臂梁全長(zhǎng)，h為懸臂梁厚度，而自由端的撓度又可以表示為 其中Jy為懸臂梁截面的慣性矩，對(duì)于三角形等厚矩形截面懸臂梁，表示為Jy=b·h312=b0(L-x)·h312·L---(4)]]>其中，b為懸臂梁任意截面處的寬度，b0為懸臂梁固定端的寬度。將(4)式帶入(3)式，有ϵx=6·(L-x)L3·h·12F·L3L3Eb0(L-x)h3=24FLEb0h2---(5)]]>式中，F(xiàn)為外界壓力作用在圓筒后在A點(diǎn)作用在懸臂梁上的等效作用力?？梢?jiàn)，懸臂梁上沿軸線方向應(yīng)變的大小不隨位置的不同和變化，而只與外界的壓力成正比，這樣有利于避免光柵信號(hào)的啁啾現(xiàn)象，提高信號(hào)的分辨率。
在圓筒與懸臂梁的接觸點(diǎn)A處，由外界被測(cè)壓力產(chǎn)生的圓筒的徑向應(yīng)變引起內(nèi)徑的變化就相當(dāng)于由F在懸臂梁A點(diǎn)處產(chǎn)生的撓度值，即有ω(α)＝ΔD，如圖3。結(jié)合(2)，(3)，(4)，(5)式，可得出ϵx=6·(L-a)L3·h·ω=6·(L-a)L3·h·ΔD=ΔP6hDK2(L-a)(2-v)E·L3·(K2-1)---(6)]]>至此，得到了懸臂梁上光纖光柵的軸向應(yīng)變與外界被測(cè)壓力的線形關(guān)系式。
假設(shè)由于應(yīng)變和溫度所引起的光纖光柵中心的變化是相互獨(dú)立的，當(dāng)應(yīng)變和溫度同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，光柵反射波長(zhǎng)為ΔλBλB=(1-Pe)ϵx+(α+ξ)·ΔT---(7)]]>式中，λB為光柵布拉格反射中心波長(zhǎng)，ΔλB在外界影響下反射波長(zhǎng)的變化，Pe為光纖的有效彈光系數(shù)，α為光纖的熱膨脹系數(shù)，ξ為光纖的熱光系數(shù)，ΔT為溫度變化量。
由于兩只光纖光柵處于同一個(gè)環(huán)境溫度場(chǎng)中，因此由于溫度變化引起兩只光柵的波長(zhǎng)變化應(yīng)該是相等的，而由于在懸臂梁上部的光柵感受到的是正應(yīng)變?chǔ)舩，在下部是負(fù)應(yīng)變-εx，兩者絕對(duì)值大小相等，根據(jù)差動(dòng)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在應(yīng)變作用下，兩光纖光柵的布拉格反射波長(zhǎng)分別向相反移動(dòng)，即出現(xiàn)了兩個(gè)反射峰，兩者之差由下式給出ΔλB12λB=ΔλB1-ΔλB2λB=2(1-Pe)ϵx=12·ΔP·(1-Pe)hDK2(L-a)(2-v)E·L3·(K2-1)---(8)]]>而由溫度引起的光纖光柵的布拉格反射波長(zhǎng)的變化由下式給出ΔλB12λB=ΔλB1+ΔλB2λB=2(α+ξ)·ΔT---(9)]]>由(8)，(9)兩式可見(jiàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變(壓力)與溫度的分離檢測(cè)，而且使信號(hào)增強(qiáng)了一倍，即提高了測(cè)量的靈敏度。
圖5為傳感器自由圓筒壓力換能器內(nèi)徑尺寸變化與被測(cè)壓力的關(guān)系曲線，由圖可見(jiàn)，在100MPa的外界壓力作用下，自由圓筒將產(chǎn)生210μm大小的徑向形變。圖6和圖7分別為傳感器壓力和溫度檢測(cè)特性曲線，從圖6可以看出，本發(fā)明提出的雙光柵差動(dòng)測(cè)量(DM)方法在壓力測(cè)量時(shí)，在任意外界溫度(RT)的條件下輸出只隨壓力線性變化，壓力測(cè)量的靈敏度為23pm/MPa，而單光柵測(cè)量(SM)方法的輸出受溫度的影響，在不同的溫度下，輸出曲線不同，而且靈敏度低；同理，對(duì)于溫度測(cè)量時(shí)，差動(dòng)法不受外界壓力的影響，靈敏度為28pm/℃，而單光柵方法測(cè)溫時(shí)受壓力的影響，而且，靈敏度較低，如果光柵信號(hào)的解調(diào)系統(tǒng)的分辨率能達(dá)到1pm，則傳感器系統(tǒng)壓力檢測(cè)的分辨率可達(dá)0.05MPa，溫度檢測(cè)分辨率可達(dá)0.04℃。
權(quán)利要求
1.一種壓力與溫度同時(shí)檢測(cè)的光纖光柵傳感器，主要包括一個(gè)自由彈性圓筒型壓力換能器，置于自由彈性圓筒型壓力換能器內(nèi)的懸臂梁機(jī)構(gòu)，傳輸光纖，密封部件，預(yù)緊彈簧，帶有進(jìn)壓孔的外部保護(hù)殼體以及起定位作用的端部元件，其特征在于在懸臂梁的上下表面的對(duì)應(yīng)位置上分別固結(jié)兩只光纖光柵，兩只光纖光柵通過(guò)一個(gè)光纖耦合器與傳輸光纖相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的光纖光柵傳感器，其特征在于所述的懸臂梁機(jī)構(gòu)采用等厚的等腰三角形結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的光纖光柵傳感器，其特征在于所述的密封機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的設(shè)置在自由彈性圓筒型壓力換能器兩端，并與自由彈性圓筒分別以端面的密封墊和柱面的環(huán)形密封圈進(jìn)行雙重密封連接。
全文摘要
一種壓力與溫度同時(shí)檢測(cè)的光纖光柵傳感器,主要由自由彈性圓筒型壓力換能器、置于自由彈性圓筒型壓力換能器內(nèi)的懸臂梁機(jī)構(gòu)、光纖光柵、密封部件、端部元件、預(yù)緊彈簧、外部保護(hù)殼體以及傳輸光纖組成。其技術(shù)方案是在懸臂梁的上下表面的對(duì)應(yīng)位置上分別固結(jié)兩只光纖光柵,兩只光纖光柵通過(guò)一個(gè)光纖耦合器與傳輸光纖相連。通過(guò)等厚的等腰三角形懸臂梁結(jié)構(gòu)將外界壓力作用下的圓筒徑向形變轉(zhuǎn)化為懸臂梁的撓度,從而引起懸臂梁上光纖光柵的布喇格反射波長(zhǎng)隨外界溫度和壓力而產(chǎn)生變化;利用差動(dòng)測(cè)量技術(shù)解決了光纖光柵交叉敏感問(wèn)題,可以通過(guò)同一套裝置實(shí)現(xiàn)溫度與壓力同時(shí)共點(diǎn)的高靈敏度分離檢測(cè),可用于石油勘探、測(cè)井、軍事潛艇等高壓及環(huán)境惡劣的測(cè)量領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01D21/02GK1384341SQ0212132
公開(kāi)日2002年12月11日 申請(qǐng)日期2002年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月14日
發(fā)明者趙勇, 廖延彪 申請(qǐng)人:清華大學(xué)