專利名稱：一種光纖布拉格光柵壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光纖傳感器技術(shù)，尤其是涉及一種高靈敏度的光纖布拉格光柵壓力傳感器。
背景技術(shù)：
光纖傳感器與常規(guī)的傳感器相比，在靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在建筑、石油、軍事應(yīng)用領(lǐng)域顯得尤為突出。在光纖傳感器測(cè)量中，為了提高測(cè)量的精度及穩(wěn)定性，要求選擇恰當(dāng)?shù)拿舾性?duì)其進(jìn)行合理的封裝，其中，在光纖光柵中光纖布拉格(Bragg)光柵是應(yīng)變、溫度、位移等物理量的良好敏感元件，其越來越受到人們的關(guān)注，在建筑監(jiān)測(cè)、石油勘探等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。光纖布拉格光柵傳感器與常規(guī)的傳感器相比，其對(duì)應(yīng)變、溫度、位移等物理量具有更高的靈敏度，同時(shí)又具有體積小、重量輕、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。然而，光纖布拉格光柵傳感器在實(shí)際工程測(cè)試中，由于光纖布拉格光柵的反射中心波長(zhǎng)會(huì)隨著所處環(huán)境溫度的起伏發(fā)生漂移，從而給準(zhǔn)確測(cè)量壓力帶來了很大的困難，因此，在設(shè)計(jì)光纖布拉格光柵傳感器時(shí)，必須克服溫度交叉敏感的問題。此外，在傳感器實(shí)用化進(jìn)程中，如何降低加工難度，提高傳感器靈敏度，提高傳感器測(cè)量精度，同時(shí)解決溫度補(bǔ)償問題，一直都是科研人員重點(diǎn)關(guān)注的課題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制作、壓敏系數(shù)和測(cè)量精確度高，且能夠有效克服溫度交叉敏感問題的光纖布拉格光柵壓力傳感器。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，其特征在于包括筒狀的殼體、呈圓形的彈性膜片、僅具有測(cè)量溫度功能的第一光纖布拉格光柵及具有測(cè)量壓力和溫度功能的第二光纖布拉格光柵，所述的殼體的頂端具有一個(gè)與所述的殼體的內(nèi)部空腔相連通的開口，所述的殼體的內(nèi)部空腔的底部設(shè)置有兩個(gè)硬支柱，所述的第一光纖布拉格光柵連接于兩個(gè)所述的硬支柱之間，所述的彈性膜片與所述的殼體的頂端相連接，所述的彈性膜片覆蓋所述的開口，所述的彈性膜片的下表面上以圓心對(duì)稱設(shè)置有兩個(gè)凸臺(tái)，所述的第二光纖布拉格光柵連接于兩個(gè)所述的凸臺(tái)之間，所述的第二光纖布拉格光柵與所述的第一光纖布拉格光柵處于同一豎直位置上，所述的第一光纖布拉格光柵的光纖的一端與所述的第二光纖布拉格光柵的光纖的一端相連接，所述的第二光纖布拉格光柵的光纖的另一端引出于所述的殼體外。所述的彈性膜片的邊緣與所述的殼體的頂端的邊緣之間通過緊固件相連接，所述的彈性膜片與所述的殼體的連接處涂有高強(qiáng)度密封膠，所述的彈性膜片與所述的殼體的內(nèi)部空腔構(gòu)成一個(gè)密閉空氣腔。兩個(gè)所述的凸臺(tái)一體設(shè)置于所述的彈性膜片的下表面上，兩個(gè)所述的凸臺(tái)的下表面上均刻設(shè)有細(xì)槽，所述的第二光纖布拉格光柵繃緊連接于兩個(gè)所述的細(xì)槽之間。[0009]所述的第一光纖布拉格光柵繃緊連接于兩個(gè)所述的硬支柱之間，所述的第一光纖布拉格光柵的光纖通過粘貼方式粘貼于所述的硬支柱的上表面上。所述的第一光纖布拉格光柵與所述的第二光纖布拉光柵在豎直位置上之間的間距小于4mmO所述的殼體的側(cè)壁上貫穿設(shè)置有通孔，所述的通孔內(nèi)設(shè)置有中空的連接接頭，所述的第二光纖布拉格光柵的光纖的另一端通過所述的連接接頭引出并固定。所述的殼體采用的材料為剛度強(qiáng)、防腐性能良好的材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1)、本實(shí)用新型通過將第二光纖布拉格光柵連接于設(shè)置于彈性膜片的下表面的兩個(gè)凸臺(tái)之間，這樣在彈性膜片受到均布?jí)毫r(shí)，可使第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵發(fā)生均勻應(yīng)變，避免了第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射譜的展寬和啁啾，從而可有效降低傳感器的信號(hào)噪聲，同時(shí)提高測(cè)量精度與穩(wěn)定性。2)、本實(shí)用新型通過將第二光纖布拉格光柵連接于設(shè)置于彈性膜片的下表面的兩個(gè)凸臺(tái)之間，這樣當(dāng)彈性膜片受到壓力載荷作用變形時(shí)，其通過凸臺(tái)帶動(dòng)第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵發(fā)生均勻應(yīng)變，這種方式可有效提高傳感器的測(cè)量靈敏度。3)、本實(shí)用新型采用第一光纖布拉格光柵僅用于測(cè)量溫度，采用第二光纖布拉格光柵用于測(cè)量溫度和壓力，且在設(shè)計(jì)時(shí)使第一光纖布拉格光柵的布拉格光柵的位置和第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵的位置處于同一豎直位置上，這樣可成功解決溫度交叉敏感的問題。4)、此外，本實(shí)用新型的光纖布拉格光柵壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于操作。5)、本實(shí)用新型的光纖布拉格光柵壓力傳感器在測(cè)量時(shí)根據(jù)第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵對(duì)壓力和溫度的敏感差異及第一光纖布拉格光柵的布拉格光柵對(duì)溫度的敏感差異，利用溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的精確測(cè)量，同時(shí)，結(jié)合第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)與應(yīng)變和溫度的關(guān)系及第一光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的分離檢測(cè)。

圖1為本實(shí)用新型的光纖布拉格光柵壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為彈性膜片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為凸臺(tái)的下表面的平面示意圖；圖4為彈性膜片受均布?jí)毫η昂蟮暮?jiǎn)化示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本實(shí)用新型提出的一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，如圖1所示，其包括筒狀的殼體1、呈圓形的彈性膜片2、僅具有測(cè)量溫度功能的第一光纖布拉格光柵3及具有測(cè)量壓力和溫度功能的第二光纖布拉格光柵4，殼體1的頂端設(shè)置有一個(gè)開口，開口與殼體1的內(nèi)部空腔相連通構(gòu)成一個(gè)具有開口的腔體12，腔體12的底部設(shè)置有兩個(gè)硬支柱5，第一光纖布拉格光柵3連接于兩個(gè)硬支柱5之間，彈性膜片2與殼體1的頂端相連接，彈性膜片2覆蓋開口，彈性膜片2的下表面上以圓心對(duì)稱設(shè)置有兩個(gè)凸臺(tái)21，第二光纖布拉格光柵4連接于兩個(gè)凸臺(tái)21之間，第二光纖布拉格光柵4與第一光纖布拉格光柵3處于同一豎直位置上，第一光纖布拉格光柵3的光纖的一端與第二光纖布拉格光柵4的光纖的一端相連接，第二光纖布拉格光柵4的光纖的另一端通過設(shè)置于殼體1的側(cè)壁上且貫穿該側(cè)壁的通孔13 引出殼體1外。在此，第一光纖布拉格光柵3和第二光纖布拉格光柵4均采有現(xiàn)有技術(shù)。在此具體實(shí)施例中，彈性膜片2的邊緣與殼體1的頂端的邊緣之間通過緊固件如螺栓6等相連接，如圖2所示，彈性膜片2的邊緣設(shè)置有8個(gè)螺栓孔22用于固定螺栓，在實(shí)際操作時(shí)，螺栓孔22的個(gè)數(shù)可根據(jù)需求增減；彈性膜片2與殼體1的連接處涂有高強(qiáng)度密封膠(圖中未示出)，使彈性膜片2的下表面與腔體12構(gòu)成一個(gè)密閉空氣腔7，密閉空氣腔 7的設(shè)置使其內(nèi)的溫度更為穩(wěn)定，從而可有效維持第一光纖布拉格光柵3和第二光纖布拉格光柵4所處的環(huán)境更為穩(wěn)定。在此具體實(shí)施例中，兩個(gè)凸臺(tái)21 —體設(shè)置于彈性膜片2的下表面上，兩個(gè)凸臺(tái)21 的下表面上均刻設(shè)有細(xì)槽23，如圖3所示，第二光纖布拉格光柵4繃緊連接于兩個(gè)細(xì)槽23 之間，即第二光纖布拉格光柵4的光纖內(nèi)嵌于細(xì)槽中，同時(shí)涂覆上強(qiáng)粘性膠用以固定第二光纖布拉格光柵4的光纖，使第二光纖布拉格光柵4繃緊。在此，對(duì)于凸臺(tái)21的形狀沒有任何限制，為方便加工，一般可設(shè)計(jì)長(zhǎng)方體的凸臺(tái)。在此具體實(shí)施例中，第一光纖布拉格光柵3繃緊連接于兩個(gè)硬支柱5之間，第一光纖布拉格光柵3的光纖通過現(xiàn)有的粘貼方式粘貼于硬支柱5的上表面上。在此，對(duì)于硬支柱5的形狀沒有任何限制，為方便加工，一般可設(shè)計(jì)長(zhǎng)方體的硬支柱，硬支柱5可采用與殼體1相同的材料制成。在此具體實(shí)施例中，設(shè)計(jì)時(shí)需使第一光纖布拉格光柵3與第二光纖布拉光柵4在豎直位置上之間的間距小于4mm，以保證第一光纖布拉格光柵3的布拉格光柵和第二光纖布拉格光柵4的布拉格光柵的溫度梯度達(dá)到基本相同，但兩者又不能靠在一起，如若兩者很靠近甚至靠在一起，兩者會(huì)相互影響，從而影響測(cè)量結(jié)果，同時(shí)兩者在豎直位置上之間的間距也不能相差太遠(yuǎn)，如果兩者間距相差太遠(yuǎn)，則會(huì)導(dǎo)致第一光纖布拉格光柵3的布拉格光柵的溫度梯度與第二光纖布拉格光柵4的布拉格光柵的溫度梯度不同。在此，豎直位置是指與筒狀的殼體的軸線相平行的位置。在此具體實(shí)施例中，可在通孔13內(nèi)設(shè)置中空的連接接頭8，第二光纖布拉格光柵4 的光纖的另一端通過連接接頭8引出并固定。在此具體實(shí)施例中，殼體1可采用剛度比較強(qiáng)、防腐性能良好的材料制成，如不銹鋼等，這樣在外界壓力作用下，殼體1也不會(huì)發(fā)生應(yīng)變；彈性膜片2可采用不銹鋼材料制成， 如采用2Crl3型不銹鋼。本實(shí)用新型的光纖布拉格光柵壓力傳感器工作時(shí)，當(dāng)外界壓力作用于彈性膜片時(shí)，彈性膜片2發(fā)生形變，設(shè)置于彈性膜片2的下表面上的兩個(gè)凸臺(tái)21之間的橫向間距發(fā)生微小改變，帶動(dòng)第二光纖布拉格光柵4發(fā)生應(yīng)變，從而引起第二光纖布拉格光柵4的布拉格光柵的反射中心波長(zhǎng)發(fā)生變化；同時(shí)，處于同一溫度場(chǎng)中的第一光纖布拉格光柵3的布拉格光柵可以檢測(cè)溫度變化而引起的中心波長(zhǎng)偏移量。因此，可以根據(jù)第二光纖布拉格光柵4的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)與應(yīng)變和溫度的關(guān)系，及第一光纖布拉格光柵3的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系，可計(jì)算出外界溫度和均布?jí)毫Φ拇笮?，從而?shí)現(xiàn)了壓力和溫度的分離檢測(cè)。應(yīng)用本實(shí)用新型的光纖布拉格光柵壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量的具體過程如下①根據(jù)圓形薄片力學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算彈性膜片的中心撓度，記為ω，
0 =，其中，ρ表示彈性膜片的上表面所受的均布?jí)毫?，μ表示彈性膜片所采?br> 16Ed3
的材料的泊松比，r表示受均布?jí)毫Φ牟糠謴椥阅て陌霃剑珽表示彈性膜片所采用的材料的彈性模量，d表示彈性膜片的厚度。②彈性膜片受均布?jí)毫η昂蟮暮?jiǎn)化模型示意圖如圖4所示，由于彈性膜片的中心撓度一般較小，因此可作近似處理，得到彈性膜片的上表面受到均布?jí)毫后第二光纖布拉格光柵發(fā)生應(yīng)變而拉伸的拉伸長(zhǎng)度的一半與彈性膜片的中心撓度的比值，同凸臺(tái)的高度與受均布?jí)毫Φ牟糠謴椥阅て陌霃降谋戎迪嗤?。因此根?jù)彈性膜片的中心撓度ω和設(shè)置于彈性膜片的下表面上的凸臺(tái)的高度，可計(jì)算在均布?jí)毫的作用下第二光纖布拉格光
柵的應(yīng)變，記為ε ,￡ = - = -χ- =，其中，x表示彈性膜片的上表面受到均布?jí)毫
a r a \6Ead5
后第二光纖布拉格光柵發(fā)生應(yīng)變而拉伸的拉伸長(zhǎng)度的一半，圖4中表示為彈性膜片受壓前后凸臺(tái)位移的距離，α表示凸臺(tái)的中心與彈性膜片的下表面的圓心之間的垂直距離，即凸臺(tái)的中心與彈性膜片的軸線之間的垂直距離，h表示凸臺(tái)的高度即凸臺(tái)的上表面的中心與其下表面的中心之間的垂直距離。③根據(jù)第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)計(jì)算其反射的中心波長(zhǎng)的變化量，記為Δ λ2，Δ λ2/λ2 = (1-t) ε ‘ +(α+β) ΔΤ，根據(jù)第一光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)計(jì)算其反射的中心波長(zhǎng)的變化量，記為Δ λ” Δ A1ZA1 = (α+β)ΔΤ，其中，λ 2表示第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)，X1表示第一光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)，t表示第二光纖布拉格光柵的光纖的彈光系數(shù)，ε ‘表示第二光纖布拉格光柵的光纖的軸向應(yīng)變，α表示第二光纖布拉格光柵的光纖和第一光纖布拉格光柵的光纖的熱光系數(shù)，β表示第二光纖布拉格光柵的光纖和第一光纖布拉格光柵的光纖的熱膨脹系數(shù)，△T表示第二光纖布拉格光柵和第一光纖布拉格光柵的溫度變化量。如單模石英光纖，其彈光系數(shù)t = 0. 22，其熱光系數(shù)α = 6. 17X10-6/oC, 其熱膨脹系數(shù)β =5X10_7/°C。④根據(jù)在均布?jí)毫的作用下第二光纖布拉格光柵的應(yīng)變?chǔ)排c第二光纖布拉格光柵的光纖的軸向應(yīng)變?chǔ)?‘相等的特性，結(jié)合Δ λ2/λ2 = (Ι-t) ε ‘ +(α+β)ΔΤ禾口
χ hco 1 WhiJ-μ1 λΘ Ζι| , ,^ 3Ph(l-u2)r3η
￡ = - = —χ-=，得至仏七/七=1-0+ + PW。
a r a XeEadiXeEadi⑤結(jié)合Δλ/入工 = (a+g)AT 禾口八七/七=(1-0 wh^/ +( + / )ΑΓ ，得到
IoEaa
ρ— \6Ead3 (AA2 Δ/ ^
η\6Ead3 (AA7 Αλλ⑥從Ρ=3加Hy^l^f j可以看出，第二光纖布拉格光棚的布拉格
光柵反射的中心波長(zhǎng)的漂移量能線性的反饋外界壓力的變化，因此在實(shí)際測(cè)試時(shí)，只需通過與引出殼體外的光纖相連接的現(xiàn)有的光柵解調(diào)儀中讀取波峰，獲取第一光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)的變化量△ λ工及第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的
η\6Ead3 (AA7 Αλλ
中心波長(zhǎng)的變化量Δ λ ”結(jié)合戶=3加3 (^仲^2)^-^1]，就可計(jì)算得到彈性膜片
的上表面所受的均布?jí)毫。 ⑦根據(jù)第一光纖布拉格光柵的布拉格光柵反射的中心波長(zhǎng)的變化量△ λ工，結(jié)合 AXl7^1=(Ciiii)AT,計(jì)算得到溫度變化量Δ T ；或根據(jù)第二光纖布拉格光柵的布拉格
光柵反射的中心波長(zhǎng)的變化量Δ λ 2，結(jié)合從^2 =(I-O3Hf3)"3 +(α + β)ΑΤ，計(jì)算得到溫度
\6Ead
變化量ΔΤ。
權(quán)利要求1.一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，其特征在于包括筒狀的殼體、呈圓形的彈性膜片、 僅具有測(cè)量溫度功能的第一光纖布拉格光柵及具有測(cè)量壓力和溫度功能的第二光纖布拉格光柵，所述的殼體的頂端具有一個(gè)與所述的殼體的內(nèi)部空腔相連通的開口，所述的殼體的內(nèi)部空腔的底部設(shè)置有兩個(gè)硬支柱，所述的第一光纖布拉格光柵連接于兩個(gè)所述的硬支柱之間，所述的彈性膜片與所述的殼體的頂端相連接，所述的彈性膜片覆蓋所述的開口，所述的彈性膜片的下表面上以圓心對(duì)稱設(shè)置有兩個(gè)凸臺(tái)，所述的第二光纖布拉格光柵連接于兩個(gè)所述的凸臺(tái)之間，所述的第二光纖布拉格光柵與所述的第一光纖布拉格光柵處于同一豎直位置上，所述的第一光纖布拉格光柵的光纖的一端與所述的第二光纖布拉格光柵的光纖的一端相連接，所述的第二光纖布拉格光柵的光纖的另一端引出于所述的殼體外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，其特征在于所述的彈性膜片的邊緣與所述的殼體的頂端的邊緣之間通過緊固件相連接，所述的彈性膜片與所述的殼體的連接處涂有高強(qiáng)度密封膠，所述的彈性膜片與所述的殼體的內(nèi)部空腔構(gòu)成一個(gè)密閉空氣腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，其特征在于兩個(gè)所述的凸臺(tái)一體設(shè)置于所述的彈性膜片的下表面上，兩個(gè)所述的凸臺(tái)的下表面上均刻設(shè)有細(xì)槽，所述的第二光纖布拉格光柵繃緊連接于兩個(gè)所述的細(xì)槽之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，其特征在于所述的第一光纖布拉格光柵繃緊連接于兩個(gè)所述的硬支柱之間，所述的第一光纖布拉格光柵的光纖通過粘貼方式粘貼于所述的硬支柱的上表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，其特征在于所述的第一光纖布拉格光柵與所述的第二光纖布拉光柵在豎直位置上之間的間距小于4mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，其特征在于所述的殼體的側(cè)壁上貫穿設(shè)置有通孔，所述的通孔內(nèi)設(shè)置有中空的連接接頭，所述的第二光纖布拉格光柵的光纖的另一端通過所述的連接接頭引出并固定。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種光纖布拉格光柵壓力傳感器，本傳感器包括殼體、彈性膜片、第一光纖布拉格光柵及第二光纖布拉格光柵，殼體的內(nèi)部空腔的底部設(shè)置有兩個(gè)用于連接第一光纖布拉格光柵的硬支柱，彈性膜片與殼體的頂端連接，彈性膜片的下表面上設(shè)置有兩個(gè)用于連接第二光纖布拉格光柵的凸臺(tái)，優(yōu)點(diǎn)在于通過將第二光纖布拉格光柵連接于兩個(gè)凸臺(tái)之間，這樣在彈性膜片受到均布?jí)毫r(shí)，可使第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵發(fā)生均勻應(yīng)變，可有效提高測(cè)量精度及測(cè)量靈敏度；在設(shè)計(jì)時(shí)使僅用于測(cè)量溫度的第一光纖布拉格光柵的布拉格光柵與用于測(cè)量溫度和壓力的第二光纖布拉格光柵的布拉格光柵處于同一豎直位置上，可成功解決溫度交叉敏感問題。
文檔編號(hào)G01L1/24GK202008416SQ201120032209
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者冷志鵬, 李宏偉 申請(qǐng)人:寧波杉工結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與控制工程中心有限公司