高灵敏度光纤光栅渗水压力传感器.pdf

本发明公开一种光纤光栅渗水压力传感器，主要包括：光纤布拉格光栅、高弹合金丝、连接件1、连接件2、进水孔、金属弹性片和金属封装外壳。所述金属封装外壳与金属弹性片相连，金属封装外壳的一端设有进水孔，另一端设有光纤出口；所述高弹合金丝与金属弹性片之间通过连接件1进行连接；所述光纤布拉格光栅通过连接件2与高弹合金丝进行连接。本发明的有益之处在于：能够准确监测出水压力的变化并且安全性好，测量范围大、灵敏度高、精度高、长期稳定性好、结构体积小质量轻、线性度符合工程化要求。

1.  光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：主要包括：光纤Bragg光栅、高弹合金丝、连接件1、连接件2、进水孔、金属弹性片及金属封装外壳，所述金属封装外壳与金属弹性片相连，金属封装外壳的一端设有进水孔，另一端设有光纤出口；所述高弹合金丝与金属弹性片之间通过连1接件进行连接；所述光纤布拉格光栅通过连接件2与高弹合金丝进行连接。

2.  根据权利要求1所述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：上述金属弹性片数目为2。

3.  根据权利要求2所述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：上述金属弹性片为不锈钢或殷钢制成的薄片。

4.  根据权利要求1至3任意一项所述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：上述金属弹性片未直接与光纤光栅相连进行压力传递，光纤光栅与高弹合金丝相连。

5.  根据权利要求1或4所述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：高弹合金丝采用不锈钢丝或铍青铜丝。

6.  根据权利要求5所述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：高弹合金丝与金属弹性片间采用连接件1相连。

7.  根据权利要求1所述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：上述金属封装外壳内的光纤光栅未与被监测的液体直接接触。

8.  根据权利要求7所述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：光纤光栅始终处于张紧状态。

高灵敏度光纤光栅渗水压力传感器
技术领域
 本发明属光电子测量技术领域，具体地说是一种弹性片式光纤bragg光栅渗水压力传感器，它对水利工程健康监测具有非常重要的意义。
背景技术
传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱。随着信息化的发展，信息的传输、获取及处理已称为现代社会极其重要的组成部分。随着工业技术的发展，应用中对传感器的要求逐步提高，要求传感器具有高精度、高灵敏度以及广泛的量程，此外，还需具备数字化或线性化输出的能力。
  光纤通信的迅猛发展加快了光纤传感器在工程领域的应用。其中，光纤光栅传感器的表现尤为突出，是使用范围最广频率最高的光纤传感器。光纤传感器还包括光纤电流传感器、光纤水听器以及光纤陀螺。与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：抗电磁干扰、耐腐蚀、化学性能极其稳定、绝缘性能优异；传感器结构灵巧轻便、几何形状可塑，适用于一些要求传感器体积小重量轻的应用场合，可埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度进行连续实时监测；传输损耗小，可实现远距离遥控监测；光栅制作方便，没有零漂，出厂后无需定期检定；光纤光栅的写入工艺成熟，便于大规模生产和商品化。但也具备不足之处：封装工艺复杂、对应力和温度同时敏感且受到传感信号的解调技术的限制，需要波长解调仪对光纤光栅的信号进行解调，可以达到解调精度的解调仪以及光谱仪价格较为昂贵，使得成本增高，而一般的光谱仪无法达到解调精度。
  光纤光栅渗水压力传感器的设计原理在于光纤光栅在压力的作用下，波长值变化与压力大小成线性关系。水压力检测是测量技术中最基本的测量项目之一，是多种物理量测量的基础。电学渗水压力传感器有其本身的不足，如抗电磁干扰能力差，容易受外界环境影响，而光纤光栅渗水压力传感器作为一种新型的智能传感器则不受其影响。由于光纤光栅的众多优点，光纤光栅传感器已不仅仅用于高端军工业，而渐渐地实现了商业化进行批量生产以满足市场需求。
  现有的许多制造光纤光栅压力传感器的方法，如把光栅粘贴在平面膜片或金属壳体上，水压作用在膜片或这金属壳体上，使其发生微小变形，从而使光纤光栅受到压缩或拉伸导致光纤光栅的中心波长发生变化，通过波长的变化量来得到实际的压力的结果。还有一些是通过复杂的薄壁圆筒结构。这些传感器虽然具有精度高，抗电磁干扰，可分布式测量等优点，但也存在不足之处：平面膜片在弹性范围内，线性特性十分优良，但挠度不可过大，否则线性特性会迅速消失。同时，光纤光栅若直接用胶粘贴于平面膜片上，容易产生应力集中或者光栅发生啁啾现象、波长瞬时偏移且胶固化在平面膜片上，与理论计算时的状态有所不同，会微小的改变膜片结构并使其受力不均匀。除此之外，一些机构复杂，存在较大的安装误差，迟滞误差明显以及由于薄壁圆筒材料在高压下弹性模量不稳定而导致的线性度差。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足并在此基础上进行改进设计，提供一种精度高、测量范围广、稳定性好、灵敏度高的光纤光栅渗水压力传感器。本发明主要是针对现有技术中的不足并在此基础上进行改进，将光纤光栅张拉于平面膜片之间改为高弹合金丝且水压作用于另两块平面膜片进行传递。
  本发明是通过如下技术措施实现的：本光纤光栅渗水压力传感器由光纤Bragg光栅、金属弹性片、高弹合金丝、引入引出光纤、连接件1、连接件2、进水孔、金属封装外壳组成；金属弹性片与液体压力环境相接触并通过连接件1与高弹合金丝连接，外压发生变化引起金属弹性片发生变形，金属弹性片通过连接件1将变形传递给高弹合金丝，从而导致通过连接件2固定在高弹合金丝上的光纤Bragg光栅产生相应的波长移位；金属弹性片固定于金属封装外壳形成了一个封闭腔，保障了安装在腔内的高弹合金丝只承受来自金属弹性片的压力作用；光纤光栅在压力作用下，波长值变化与压力大小成线性关系；引入引出光纤分别与两支串联的光纤Bragg光栅的两端联结，以实现传感光栅与信号处理装置光连接。
前述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：上述金属弹性片数目为2。
前述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：上述金属弹性片为不锈钢或殷钢制成的薄片。
前述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：上述金属弹性片未直接与光纤光栅相连进行压力传递，光纤光栅与高弹合金丝相连。
前述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：高弹合金丝采用不锈钢丝或铍青铜丝。
前述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：高弹合金丝与金属弹性片间采用连接件1相连。
前述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：上述金属封装外壳内的光纤光栅未与被监测的液体直接接触。
前述的光纤光栅渗水压力传感器，其特征在于：光纤光栅始终处于张紧状态。
本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知：采用光纤光栅作为传感元件，克服了传统电类传感器容易受电磁干扰、长期稳定性差等缺点；此外，由于光纤Bragg光栅是固定在高弹合金丝上，一方面避免了粘贴在平面膜片上的光栅因膜片应变差异而产生的啁啾；同时，可通过选择高弹合金丝特征指标（比如：长度和直径）来调整测量灵敏度和测量量程。本发明的光栅置于密封腔内，避免与待测液体直接接触且传感器的量程可达250m，非常适用于水利工程的压力监测。因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明的主视剖面示意图。
图2为本发明的测视剖面示意图。
图3为本发明的俯视剖面示意图。
 图4为250m量程光纤光栅渗水压力传感器压力响应曲线。
图中各标号依次表示： 1、高弹合金丝；2、金属弹性片；3、引入引出光纤；4、光栅；5、连接件1；6、连接件2；7、金属封装外壳；8、进水孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但实施例不是对本发明的限定。
如图1所示，本光纤光栅渗水压力传感器包括：高弹合金丝1、金属弹性片2、引入引出光纤3、光栅4、金属封装外壳7、进水孔8；金属弹性片2将变形传递给高弹合金丝1，从而导致固定于高弹合金丝1上的光纤Bragg光栅4产生相应的Bragg波长移位；此外，本光纤光栅渗水压力传感器还包括：连接件1、连接件2，用于固定金属弹性片3、高弹合金丝以及光纤Bragg光栅。
本发明设计的渗水压力传感器监测物理量与光栅波长之间的关系满足下述表达式：（式中，                                                为监测水压力变化量；为光栅波长变化量；为温度导致的光栅波长变化量；为传感 器灵敏度系数；为光栅温度灵敏度系数，为一常数10.8；为温度变化量。）。
在本发明中，传感器封装外壳采用不锈钢，并焊接密封且传输光缆也采用不锈钢，将传感器安装于水利工程中，即液体环境下，通过光缆与地面解调仪传输信号，实现对液体压力的监测，对水利工程健康监测有着非常重要的意义。
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