基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置制造方法
【專利摘要】基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置，涉及一種壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它是為了解決現(xiàn)有光纖光柵壓力傳感器抗外界干擾能力差的問(wèn)題。本實(shí)用新型通過(guò)寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)濾波器濾波后發(fā)送至光強(qiáng)調(diào)制器，光強(qiáng)調(diào)制器的光信號(hào)輸出端連接環(huán)形器的第一光信號(hào)輸入端，環(huán)形器的第一光信號(hào)輸出端連接光纖耦合器的第一光信號(hào)輸入端，經(jīng)光纖耦合器耦合后的光信號(hào)分成n路，并分別發(fā)送給n個(gè)壓力傳感單元；光纖耦合器采集n個(gè)壓力傳感單元反射回的光信號(hào)，光纖耦合器的光信號(hào)輸出端連接環(huán)形器的第二光信號(hào)輸入端，環(huán)形器的第二光信號(hào)輸出端連接光譜分析儀的光信號(hào)輸入端；壓力傳感單元包括壓力傳感器和平膜片。本實(shí)用新型適用于一種壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]水庫(kù)大壩的安危，不僅影響工程效益的發(fā)揮，而且直接威脅下游人民的生命財(cái)產(chǎn)，一旦失事，將產(chǎn)生無(wú)法估量的損失和影響。滲流異常是大壩事故的重要原因，大壩滲流中滲壓監(jiān)測(cè)問(wèn)題將成為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理的關(guān)鍵課題，研發(fā)壽命長(zhǎng)、精度高、抗雷擊、可大規(guī)模組網(wǎng)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分重要的。目前，絕大多數(shù)大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的機(jī)電測(cè)試系統(tǒng)普遍存在抗干擾能力弱，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，相對(duì)誤差、零漂和動(dòng)漂較大等缺點(diǎn)而很難滿足實(shí)際需要。
[0003]目前用于大壩滲壓監(jiān)測(cè)的光纖光柵壓力傳感器中的所使用的裸光纖光柵抗外界干擾能力很差，直接將其用于實(shí)際工程無(wú)法滿足工程結(jié)構(gòu)的粗放施工要求和野外惡劣環(huán)境的長(zhǎng)期耐久性要求，對(duì)光纖光柵傳感器的封裝工藝和封裝結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。大部分壓力傳感器都是將光纖光柵埋入高分子聚合物或無(wú)機(jī)玻璃中，通過(guò)介質(zhì)的形變來(lái)帶動(dòng)光纖光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。雖然其靈敏度均有所提高，但高分子聚合物存在耐腐蝕性差、易老化等致命的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約傳感器耐久性能的發(fā)揮；而無(wú)機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)又存在加工工藝復(fù)雜，成活率低的缺點(diǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型是為了解決現(xiàn)有光纖光柵壓力傳感器抗外界干擾能力差，導(dǎo)致無(wú)法滿足實(shí)際工程施工要求的耐久性的問(wèn)題，從而提供了一種基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置。
[0005]基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置，它包括寬帶光源
1、濾波器2、光強(qiáng)調(diào)制器3、環(huán)形器4、光纖耦合器5、η個(gè)壓力傳感單元6和光譜分析儀7，η為正整數(shù)；
[0006]寬帶光源I發(fā)出的光經(jīng)濾波器2濾波后發(fā)送至光強(qiáng)調(diào)制器3，光強(qiáng)調(diào)制器3的光信號(hào)輸出端連接環(huán)形器4的第一光信號(hào)輸入端,所述環(huán)形器4的第一光信號(hào)輸出端連接光纖耦合器5的第一光信號(hào)輸入端，經(jīng)光纖耦合器5耦合后的光信號(hào)分成η路，并分別發(fā)送給η個(gè)壓力傳感單元6 ；
[0007]光纖耦合器5采集η個(gè)壓力傳感單元6反射回的光信號(hào)，光纖耦合器5的光信號(hào)輸出端連接環(huán)形器4的第二光信號(hào)輸入端，所述環(huán)形器4的第二光信號(hào)輸出端連接光譜分析儀7的光信號(hào)輸入端；
[0008]每個(gè)壓力傳感單元6包括壓力傳感器和平膜片，平膜片用于對(duì)壓力傳感器進(jìn)行封裝。
[0009]本實(shí)用新型的有益效果:本實(shí)用新型集合光學(xué)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)于一體，選擇加工性能好、具有足夠的強(qiáng)度極限、對(duì)于交變的應(yīng)力沒(méi)有殘余的變形、良好的溫度特性、長(zhǎng)期使用沒(méi)有變化、耐腐蝕性良好的特種合金材料，易于推廣使用，提高了光纖光柵壓力傳感器的抗外界干擾能力，同比提高了 20%;本實(shí)用新型解決了工程結(jié)構(gòu)的粗放施工要求和野外惡劣環(huán)境的長(zhǎng)期耐久性要求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2為壓力傳感單元6中平膜片結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖3為壓力與中心波長(zhǎng)關(guān)系原理圖，橫坐標(biāo)為壓力，縱坐標(biāo)為波長(zhǎng)；
[0013]圖4為壓力與中心波長(zhǎng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖， 表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，虛線表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后的直線。
【具體實(shí)施方式】
[0014]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置，它包括寬帶光源1、濾波器2、光強(qiáng)調(diào)制器3、環(huán)形器4、光纖耦合器5、η個(gè)壓力傳感單元6和光譜分析儀7，η為正整數(shù)；
[0015]寬帶光源I發(fā)出的光經(jīng)濾波器2濾波后發(fā)送至光強(qiáng)調(diào)制器3，光強(qiáng)調(diào)制器3的光信號(hào)輸出端連接環(huán)形器4的第一光信號(hào)輸入端,所述環(huán)形器4的第一光信號(hào)輸出端連接光纖耦合器5的第一光信號(hào)輸入端，經(jīng)光纖耦合器5耦合后的光信號(hào)分成η路，并分別發(fā)送給η個(gè)壓力傳感單元6 ；
[0016]光纖耦合器5采集η個(gè)壓力傳感單元6反射回的光信號(hào)，光纖耦合器5的光信號(hào)輸出端連接環(huán)形器4的第二光信號(hào)輸入端，所述環(huán)形器4的第二光信號(hào)輸出端連接光譜分析儀7的光信號(hào)輸入端；
[0017]每個(gè)壓力傳感單元6包括壓力傳感器和平膜片，平膜片用于對(duì)壓力傳感器進(jìn)行封裝。
[0018]壓力傳感單元采用光纖光柵作為傳感元件，具有耐腐蝕、防水、抗電磁干擾及集成化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)；通過(guò)檢測(cè)光纖光柵中心波長(zhǎng)來(lái)監(jiān)測(cè)壓力大小，具有極高的靈敏度；同時(shí)壓力傳感單元還采用膜片作為傳感元件，尺寸小，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化；壓力傳感單元的封裝結(jié)構(gòu)解決了工程結(jié)構(gòu)的粗放施工要求和野外惡劣環(huán)境的長(zhǎng)期耐久性要求；適合在大壩中使用。
[0019]寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)濾波器濾波后，用光強(qiáng)調(diào)制器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)進(jìn)入環(huán)形器，由環(huán)形器出射的光進(jìn)入耦合器，光纖耦合器把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，分別送入不同的壓力傳感單元，由不同的壓力傳感單元反射回的光信號(hào)再由光纖耦合器組合成一個(gè)輸出，經(jīng)環(huán)形器后送入光譜分析儀和信號(hào)處理單元?；谀て椒庋b結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感器，利用的是圓形薄板在兩側(cè)有壓差時(shí)薄板變形，其中心位移最明顯。利用該中心位移反映光纖光柵波長(zhǎng)的變化上是該傳感器的特點(diǎn)。平面圓形膜片是整個(gè)設(shè)計(jì)的中心和重點(diǎn)。它直接決定了所設(shè)計(jì)的傳感器的靈敏度和分辨率?；谄矫鎴A形膜片的設(shè)計(jì)理論，確定設(shè)計(jì)的傳感器的膜片的尺寸。膜片是一種可以在垂直于它的撓性面方向移動(dòng)的壓力敏感元件，它是一種將兩個(gè)壓力不等的介質(zhì)分開，具有撓性的圓薄膜。本實(shí)用新型中膜片的撓性面是平面型膜片，平面型膜片是波紋膜片的一個(gè)特例，基于平面型膜片的光纖光柵傳感器的封裝結(jié)構(gòu)是將金屬化壓力傳感器與壓力敏感平面型膜片進(jìn)行可靠連接，以獲得較好的壓力傳遞和信號(hào)轉(zhuǎn)換特性。
[0020]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置作進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，它還包括信號(hào)處理單元8，所述光譜分析儀7的光信號(hào)輸出端連接信號(hào)處理單元8的光信號(hào)輸出端。
[0021]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置作進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，寬帶光源I的掃描范圍大于1525nm且小于1565nm，輸出光功率為20mw，光功率穩(wěn)定度典型值為±0.02dB，輸出光隔離度為30dB，輸出回波損耗為45dB，工作溫度大于0°C且小于60°C。
[0022]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置作進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，光譜分析儀7波長(zhǎng)測(cè)量范圍大于1525nm且小于1565nm,波長(zhǎng)分辨率為0.1pm,波長(zhǎng)精度為±lpm。
[0023]本實(shí)用新型模擬大壩的工作環(huán)境，如圖2所示，采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制作了高度為1500mm的量筒，底部安裝有水龍頭開關(guān)，用于控制水位高度，在量筒的側(cè)壁預(yù)制有最小單位為毫米的刻度用于直觀指示液位高度。將壓力傳感器輕輕放置到量筒底部，通過(guò)向量筒內(nèi)加注水及借助水龍頭開關(guān)排水，控制量筒內(nèi)的液位處于傳感器各個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的對(duì)應(yīng)值。光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器到達(dá)壓力傳感器，探測(cè)到水深的變化，光纖光柵的波長(zhǎng)反射信號(hào)又經(jīng)耦合器輸出后，到解調(diào)儀內(nèi)部處理，讀出光纖光柵的波長(zhǎng)變化。畫出中心波長(zhǎng)λΒ隨壓力P變化的理論曲線如圖3所示，實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示。在所做實(shí)驗(yàn)水位高度范圍內(nèi)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的擬合曲線為:λ β=-3.21 (nm/MPa).P (MPa)+1531.468 (nm)，即實(shí)際傳感器靈敏度K=3.21nm/MPaο
【權(quán)利要求】
1.基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置，其特征在于:它包括寬帶光源(1)、濾波器(2)、光強(qiáng)調(diào)制器(3)、環(huán)形器(4)、光纖耦合器(5)、η個(gè)壓力傳感單元(6)和光譜分析儀(7)，η為正整數(shù)； 寬帶光源(I)發(fā)出的光經(jīng)濾波器(2)濾波后發(fā)送至光強(qiáng)調(diào)制器(3)，光強(qiáng)調(diào)制器(3)的光信號(hào)輸出端連接環(huán)形器(4)的第一光信號(hào)輸入端，所述環(huán)形器(4)的第一光信號(hào)輸出端連接光纖耦合器(5)的第一光信號(hào)輸入端，經(jīng)光纖耦合器(5)耦合后的光信號(hào)分成η路，并分別發(fā)送給η個(gè)壓力傳感單元(6)； 光纖耦合器(5)采集η個(gè)壓力傳感單元(6)反射回的光信號(hào)，光纖耦合器(5)的光信號(hào)輸出端連接環(huán)形器(4)的第二光信號(hào)輸入端，所述環(huán)形器(4)的第二光信號(hào)輸出端連接光譜分析儀(7)的光信號(hào)輸入端； 每個(gè)壓力傳感單元(6 )包括壓力傳感器和平膜片，平膜片用于對(duì)壓力傳感器進(jìn)行封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置，其特征在于:它還包括信號(hào)處理單元(8)，所述光譜分析儀(7)的光信號(hào)輸出端連接信號(hào)處理單兀(8)的光信號(hào)輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置，其特征在于:寬帶光源(1)的掃描范圍大于1525nm且小于1565nm，輸出光功率為20mw，光功率穩(wěn)定度典型值為±0.02dB，輸出光隔離度為30dB，輸出回波損耗為45dB，工作溫度大于0°C且小于60°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于膜片式封裝結(jié)構(gòu)的大壩滲壓監(jiān)測(cè)用光纖光柵壓力傳感裝置，其特征在于:光譜分析儀(7)波長(zhǎng)測(cè)量范圍大于1525nm且小于1565nm，波長(zhǎng)分辨率為.0.1pm,波長(zhǎng)精度為±lpm。
【文檔編號(hào)】G01L11/02GK203811318SQ201420258751
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】沈濤, 劉洪臣, 王春生, 譚昌龍, 熊燕玲, 楊倩茹 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)