專利名稱：內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于傳感器技術領域，涉及一種新型的投入式的用于液體和氣體壓 力測量的光纖Bmgg (布拉格)光柵壓力傳感器，其采用雙層金屬筒式結構，兩 個金屬化封裝的光纖Bmgg光柵呈相互垂直方向分別焊接在該結構金屬薄壁內 筒外壁的側面(沿周向)和頂端，可解決壓力/溫度交叉敏感問題，并實現(xiàn)在高 溫條件下的壓力測量。
技術背景光纖Bragg光柵是光纖纖芯內折射率發(fā)生永久性、周期性調制的一種特殊光 纖，它作為一種新型的無源光電子器件，具有可靠性好、抗電磁干擾、體積小、 重量輕、壽命長、便于復用/解復用、可遠距離傳輸、耐腐蝕、能在復雜惡劣的 環(huán)境下工作等優(yōu)點，在傳感器領域成為研究人員關注的焦點。目前典型的與本發(fā)明最接近的光纖Bragg光柵壓力傳感器為基于薄壁應變 筒的光纖Bmgg光柵壓力傳感器(如圖1所示，見文獻"基于薄壁應變筒的光 纖布拉格光柵壓力傳感器"，胡志新，張桂蓮，張陵等，南京理工大學學報， Vol. 28 No. 3， 2004， 277-280)。這種傳感器由金屬薄壁內筒l、帶有光纖出孔2 的金屬外筒3、壓力測量光纖Bragg光柵4、溫度補償光纖Bragg光柵5等部件構成， 使用合適的耦連膠將壓力測量光纖Bragg光柵4和溫度補償光纖Bmgg光柵5平行粘貼于金屬薄壁內筒l的外壁上。由于這種光纖Bragg光柵壓力傳感器內層筒的內側頂端為平頂結構，頂端拐 角處容易出現(xiàn)局部壓力過大而損壞的缺陷，從而導致該傳感器測量范圍較小，無法滿足人們對于較大壓力測量范圍的需求。又由于用于將光纖Bragg光柵粘貼 到薄壁內筒的耦連膠通常為聚合物類膠， 一旦測量環(huán)境溫度超過100'C，這類耦 連膠就失效了，使得傳感器無法再準確測量。另外，這種平行粘貼的兩條光纖 Bragg光柵容易相互干擾，溫度補償效果不理想。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的是要解決上述技術問題，設計提出的一種簡單實用、效果良 好的投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，這種傳感器能夠在較高溫度環(huán)境下工 作，能夠測量較大的液體和氣體壓力。本發(fā)明的技術方案是本發(fā)明所述的內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bmgg光柵壓力傳感器，如附 圖2和附圖3，由金屬薄壁內筒l、帶有光纖出孔2的金屬厚壁外筒3、壓力測量光 纖Bragg光柵4、溫度補償光纖Bragg光柵5、兩條信號引出單模光纖6和密封墊7 等部件構成，其特征是金屬薄壁內筒l的內側頂端是弧形結構；壓力測量光纖 Bragg光柵4和溫度補償光纖Bragg光柵5均采用金屬化封裝，壓力測量光纖Bragg 光柵4用金屬沿軸向焊接在金屬薄壁內筒1的外壁側面，溫度補償光纖Bragg光柵 5用金屬焊接在金屬薄壁內筒1的頂端外側，且壓力測量光纖Bragg光柵4和溫度 補償光纖Bragg光柵5呈相互垂直方向；兩條信號引出單模光纖6在通過光纖出孔 2時也采用局部金屬化封裝，用金屬焊接于光纖出孔2處，并將光纖出孔2封閉。本發(fā)明的效果和益處本發(fā)明采用的金屬薄壁內筒l的內側頂端是弧形結構，使得該傳感器的金屬 薄壁內筒l頂端受力均勻，彌補了頂端拐角處局部壓力過大易損壞的缺陷，提高 了壓力傳感器的測量范圍；金屬薄壁內筒l的頂端壁厚遠大于其側壁厚，減小了 壓力對于溫度補償光纖Bmgg光柵5的影響，溫度補償效果好；壓力測量光纖Bragg光柵4、溫度補償光纖Bragg光柵5和在光纖出孔2處的兩條單模信號引出光 纖6的局部都采用金屬化封裝，并用金屬焊接在相應位置，既提高了傳感器可穩(wěn) 定工作的環(huán)境溫度，又保證了傳感器的密閉性，更好的保護了光纖Bragg光柵； 壓力測量光纖Bragg光柵4和溫度補償光纖Bragg光柵5呈相互垂直方向焊接，進一 步減少了壓力測量光纖Bragg光柵4和溫度補償光纖Bragg光柵5之間的相互干擾， 使溫度補償效果更好。本發(fā)明所設計的光纖Bragg光柵壓力傳感器可直接投入到 被測液體或氣體中，實現(xiàn)壓力的測量，其理論壓力測量的最高值可達63MPa。
圖1是基于薄壁應變筒的光纖Bmgg光柵壓力傳感器結構示意圖。圖2是內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器結構示意圖。圖3是內外弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器結構示意圖。圖中1金屬薄壁內筒；2光纖出孔；3金屬厚壁外筒；4壓力測量光纖Bragg 光柵；5溫度補償光纖Bragg光柵；6兩條信號引出單模光纖；7密封墊。
具體實施方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。 實施例l.內弧形頂外平頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器。內弧形頂外 平頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器如圖2所示，這種傳感器由金 屬薄壁內筒l、帶有光纖出孔2的金屬厚壁外筒3、壓力測量光纖Bragg光柵4、溫 度補償光纖Bragg光柵5、兩條信號引出單模光纖6和密封墊7等部件構成，其特 征是金屬薄壁內筒l的內側頂端是弧形結構，外側頂端是平頂結構；金屬薄壁內 筒1和帶有光纖出孔2的金屬厚壁外筒3均用不銹鋼材料加工制成；壓力測量光纖Bragg光柵4和溫度補償光纖Bragg光柵5均采用金屬化封裝，壓力測量光纖Bragg 光柵4用金屬沿軸向焊接在金屬薄壁內筒1的外壁側面，溫度補償光纖Bragg光柵 5用金屬焊接在金屬薄壁內筒1的頂端外側，且壓力測量光纖Bragg光柵4和溫度 補償光纖Bragg光柵5呈相互垂直方向；金屬薄壁內筒1和金屬厚壁外筒3采用螺 紋結構連接成一體，用密封墊7密封；兩條信號引出單模光纖6在通過光纖出孔2 時也采用局部金屬化封裝，用金屬焊接于光纖出孔2處，并將光纖出孔2封閉。 實施例2.內外弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器。內外弧形頂薄 壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器如圖3所示，這種傳感器和實施例1 的內弧形頂外平頂薄壁應變筒投入式光纖Bmgg光柵壓力傳感器相比較，其特 征是金屬薄壁內筒1的外側頂端也是弧形結構，其余部分都相同。這種傳感器 的優(yōu)點是使得金屬薄壁內筒1的頂端內部受力更加均勻，進一步彌補了頂端拐 角處局部壓力過大易損壞的缺陷，提高了壓力測量范圍。實施例3.鋁質內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，這種傳感器可 以是實施例l所示的內弧形頂外平頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感 器，也可以是實施例2所示的內外弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力 傳感器，其特征是金屬薄壁內筒l采用鋁質材料制成；由于鋁質材料具有很好的 延展性，受壓力的應變比較敏感，因此該類傳感器具有較高的壓力響應度；又 由于鋁質材料抗拉強度較低，所以鋁質結構的傳感器適用于較低壓力范圍內的 壓力測量。實施例4.銅質內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，這種傳感器可以是實施例l所示的內弧形頂外平頂薄壁應變筒投入式光纖Bmgg光柵壓力傳感 器，也可以是實施例2所示的內外弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力 傳感器，其特征是金屬薄壁內筒l采用銅質材料制成；并且銅質材料同樣具有很 好的延展性，因此該類傳感器也具有較高的壓力響應度；但是銅質材料較鋁質 材料還具有抗拉強度高的特點，所以銅質結構的傳感器更適用于較高壓力范圍 內的壓力測量；還有，銅質材料更適合金屬焊接，有利用光纖的金屬化焊接。 實施例5.金屬薄壁內筒的壁厚和半徑之比為一定值的內弧形頂薄壁應變筒投入式光 纖Bragg光柵壓力傳感器?？紤]到傳感器的小型化和光纖光柵的實際大小，金屬 薄壁內筒l的壁厚和內徑之比可根據(jù)壓力測量范圍和壓力響應度的需求設定不 同的制作比例。這種傳感器可以是實施例l所示的內弧形頂外平頂薄壁應變筒投 入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，可以是實施例2所示的內外弧形頂薄壁應變筒 投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，可以是實施例3鋁質內弧形頂薄壁應變筒投 入式光纖Bmgg光柵壓力傳感器，也可以是實施例4銅質內弧形頂薄壁應變筒投 入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，其特征是金屬薄壁內筒l的壁厚與內徑的比例 為1:6 1:20，金屬薄壁內筒l的內徑為10 30mm，經過理論分析計算和相應的 比較實驗得出，這樣尺寸范圍的的傳感器壓力響應度及壓力測量范圍綜合性能 最好。如我們制造的不銹鋼、銅、鋁金屬薄壁內筒的內徑為IO、 15、 20，壁厚 和內徑之比為I:IO， 1:15的傳感器，理論壓力測量的最高值可達63MPa，目前我 們因為條件的限制實際測量已達到42MPa，測量環(huán)境溫度可高達23(TC 。
權利要求
1、一種內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，是由金屬薄壁內筒(1)、帶有光纖出孔(2)的金屬厚壁外筒(3)、壓力測量光纖Bragg光柵(4)、溫度補償光纖Bragg光柵(5)、兩條信號引出單模光纖(6)和密封墊(7)部件構成，其特征是金屬薄壁內筒(1)的內側頂端是弧形結構；壓力測量光纖Bragg光柵(4)和溫度補償光纖Bragg光柵(5)采用金屬化封裝，壓力測量光纖Bragg光柵(4)用金屬沿軸向焊接在金屬薄壁內筒(1)的外壁側面，溫度補償光纖Bragg光柵(5)用金屬焊接在金屬薄壁內筒(1)的頂端外側，壓力測量光纖Bragg光柵(4)和溫度補償光纖Bragg光柵(5)呈相互垂直方向；金屬薄壁內筒(1)和金屬厚壁外筒(2)采用螺紋結構連接成一體，用密封墊(7)密封；兩條信號引出單模光纖(6)在通過光纖出孔(2)時也采用局部金屬化封裝，用金屬焊接于光纖出孔(2)處，并將光纖出孔(2)封閉。
2、 根據(jù)權利要求l所述一種內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力 傳感器，其特征是金屬薄壁內筒(1)的內側頂端是弧形結構，外側頂端是平頂 結構；金屬薄壁內筒(1)和帶有光纖出孔(2)的金屬厚壁外筒(3)均用不銹 鋼材料加工制成；壓力測量光纖Bragg光柵(4)和溫度補償光纖Bragg光柵(5) 采用金屬化封裝，壓力測量光纖Bragg光柵(4)用金屬沿軸向焊接在金屬薄壁 內筒(1)的外壁側面，溫度補償光纖Bragg光柵(5)用金屬焊接在金屬薄壁內 筒(1)的頂端外側，壓力測量光纖Bragg光柵(4)和溫度補償光纖Bragg光柵(5) 呈相互垂直方向；金屬薄壁內筒(1)和金屬厚壁外筒(2)采用螺紋結構連接 成一體，用密封墊(7)密封；兩條信號引出單模光纖(6)在通過光纖出孔(2) 時也采用局部金屬化封裝，用金屬焊接于光纖出孔(2)處，并將光纖出孔(2) 封閉。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵 壓力傳感器，其特征是金屬薄壁內筒(1)的內外側頂端是弧形結構。
4、 根據(jù)權利要求l所述的一種內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓 力傳感器，其特征是金屬薄壁內筒(1)采用鋁質材料制成。
5、 根據(jù)權利要求l所述的一種內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，其特征是金屬薄壁內筒(1)采用銅質材料制成。
6、 根據(jù)權利要求l所述的一種內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bmgg光柵壓 力傳感器，其特征是金屬薄壁內筒(1)的壁厚與內徑的比例為1:6 1:20，金屬 薄壁內筒(1)的內徑為10 30mm。
全文摘要
一種內弧形頂薄壁應變筒投入式光纖Bragg光柵壓力傳感器，屬于傳感器技術領域，涉及一種投入式的壓力測量的光纖Bragg光柵壓力傳感器。其特征是金屬薄壁內筒的內側頂端是弧形結構；壓力測量光纖Bragg光柵和溫度補償光纖Bragg光柵均采用金屬化封裝，壓力測量光纖Bragg光柵用金屬沿軸向焊接在金屬薄壁內筒的外壁側面，溫度補償光纖Bragg光柵用金屬焊接在金屬薄壁內筒的頂端外側，壓力測量光纖Bragg光柵和溫度補償光纖Bragg光柵呈相互垂直方向；兩條信號引出單模光纖在通過光纖出孔時也采用局部金屬化封裝，用金屬焊接于光纖出孔處，并將光纖出孔封閉。本發(fā)明的效果和益處是可提高了壓力傳感器的壓力測量范圍，解決兩條Bragg光柵交叉敏感問題，提高傳感器的工作溫度范圍。
文檔編號G01L11/02GK101266179SQ20081001062
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月10日 優(yōu)先權日2008年3月10日
發(fā)明者張玉書, 杜國同, 申人升, 閆衛(wèi)平 申請人:大連理工大學