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专利名称：光纤光栅压力传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应用于石油化工、水利、航空、航天、汽车、医疗 等领域的压力、液位、流量测控装置，具体地讲，涉及一种光纤光栅压力传 感器。
背景技术：
传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基�。�成为80年代中期以来 国际市场上最走俏的商品之一。近些年来，在力、热、电压、磁、气、湿、 光等七大类传感器中尤以光传感器中的光纤传感器备受青睐。光纤传感技术 是光子与承载信息传输的导波光子技术的一个领域。光子技术是光子学与电 子学结合而成的技术。随着科学技术的发展，作为信息载体的光子要比电子 的速度容量与空间容量优越得多。光子响应速度比电子高三个数量级，光子 的高并行处理能力和高信息率等特性，使其具有远高于电子信息容量与处理 速度的潜力，必将推动光学信息与光子计算机的发展。
各种电类传感器用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量，存在 不安全的因素(在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、电磁等的干扰下 无法正常工作)。而光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在恶劣环境里的 应用。
光纤光栅传感器在具有诸如抗电磁干扰、低损耗、易弯曲、体积小、重 量轻、成本低、耐腐蚀、防水、防火等固有的优点外，对温度和应力等重要 测量参量具有极高的测量精度和线性度，以及充足的测量范围。
现有的光纤光栅压力增敏传感器主要有以下几种宋丽娜.光纤Bragg 光栅温度压力传感技术研究.西北大学硕士学位论文，2008.6.(1)聚合物灌封光纤光栅压力增敏的光纤压力传感器io，是最常见的光
纤光栅传感器，其结构如图1所示。这种传感器使用特殊聚合物材料101将
光纤104的光纤光栅(FBG) 102封装于金属套管103中，由于特殊聚合物材 料101的弹性模量比裸光纤的弹性模量小，对压力具有较高的响应；因此， 在相同应力作用下产生的应变将增大，应变的增大将会引起中心波长的相对 变化量增加，这样则实现对应力的增敏。为了消除封装过程中由于聚合物固 化收縮以及聚合物与套管壁粘接与摩擦产生的光纤光栅啁啾化，在金属套管 预涂覆一层软弹性材料。经过封装的光纤光栅压力响应灵敏度为0. 036nm/MP， 是裸光纤光栅0. 003nm/MPa的12倍，压力测量范围可达40MP以上。
但是，该种光纤压力传感器由于是采用聚合物来实现增敏的，其耐高温 性能很差，并且为达到较高的灵敏度，需要聚合物与光纤有比较长的接触长 度，从而使得该种光纤压力传感器虽然较细但其在光纤受力方向的尺寸即长 度尺寸一般在7cm以上，无法用于狭小空间的压力测量。并且，该种光纤传 感器只能用于测量压力信号，而不能用于测量压力差。
(2)圆柱筒-活塞式光纤压力传感器20，其结构如图2所示。在一个由 圆柱形容器(圆柱筒201)和活塞202组合成的活塞式结构中充入气体，在圆 柱筒201的左端有一个阀门203，用以控制充入气体的量。当外界压力使圆柱 筒201和活塞202相对运动时，就会使光纤204的光纤光栅(FBG) 205产生 应变，布拉格波长发生移动。为减小摩擦和防止活塞202运动时气体的泄露， 在圆柱筒201和活塞202之间涂有润滑油。为了使光纤光栅205在测量范围 内保持拉伸状态，测量前先使光纤光栅205产生一定的预应变。这种光纤光 栅压力增敏结构灵敏度可达1078. 8nm/MPa，是裸光纤的3.515><105倍。
该种光纤光栅压力增敏传感器，可以通过改变圆柱筒201内所充气体的 初始参数，来改变装置的灵敏度和测量范围，但存在如下尚待改进之处一 方面在满足灵敏度高的条件下，就不能满足其测量范围，其测量范围仅为 0-0.0045MPa;另一方面这种结构的传感器比较适用于低压下气压、液压的传 感测量，当温度变化较大时，由于气体受温度的影响较大，此时的传感器不但对压力变化敏感，而且对温度变化敏感，使用时需要进行温度去敏或补偿;
另外，由于需要保证活塞202的移动空间，该传感器在光纤受力方向的尺寸 (长度尺寸) 一般在10cm以上，不能用于狭小空间的压力测量；并且该传感 器不能密封，不能应用T带有腐蚀性的气体或液体中；最后，该传感器不能 够测量两个空间中的压力差。
(3) 金属管组合压力增敏的光纤光栅压力传感器30，其结构如图3所示。 该传感器是使用一个机械结构将流体压力转换成具有一定数量级的光纤轴向 应变。该结构具传感管301和支持管302，光纤303的光栅304粘贴于传感管 301和支撑管302之间，传感管301用于感受流体的压强，当流体进入传感管 301，传感管301将被拉伸并使粘贴于传感管301和支撑管302之间的光栅304 也相应的被拉伸，从而使光栅304中心反射波长发生漂移，通过监测波长的 变化即可感知流体压强的大小。
该种传感器受结构和传感管301弹性模量的影响，为了获得传感管301 与支撑管302比较大的相对移动距离，需要比较大的尺寸，该传感器的光纤 受力方向的尺寸一般在10cm以上，其尺寸比较大，不利于在狭小空间内的压 力测量。另外，该传感器对加工技术要求较高，成本高。并且该传感器也只 能检测压力，不能测量压力差。
(4) 波纹管和梯形梁光纤光栅压力增敏的光纤光栅压力传感器40，其结 构如图4所示。该种光纤光栅压力传感器是由波纹管401感受压力，通过其 他机构传递给光纤402的光栅403产生应变的增敏装置。如梯形梁-波纹管光 纤光栅压力传感器，将光纤光栅403粘贴在梯形梁404上，再安装在密闭容 器405中，密闭容器405壁上装有波纹管401,波纹管401的移动端与梯形梁 404相连。外界压力作用在波纹管401上时，梯形梁404上将形成集中载荷， 使梁发生形变，从而引起光纤光栅403产生纵向的应变，导致布拉格反射峰 值波长发生变化。此种梯形梁-波纹管光纤光栅压力传感器的灵敏度可以达到 8. 73nm/MPa，是裸光纤光栅的7455倍。但由于波纹管401本身耐压不高，一 般低于10MPa，所以，该光纤光栅压力传感器耐压范围不能高于lOMPa。该种传感器受波纹管加工工艺以及灵敏度的影响，波纹管401的尺寸比
较大，使得该传感器的光纤受力方向的尺寸(厚度尺寸)不薄于6cm，不能用
于狭小空间的压力测量。并且，由于采用梯形梁结构，不能消除光纤光栅啁
啾效应，会造成测量的信号失真，影响测量灵敏度。另外，波纹管401直接 施力给梯形梁404，未通过滑动装置，摩擦力比较大，使得灵敏度受限。并且， 该传感器也只能测量压力信号，不能检测两个空间的压力差信号。
综上所述，现有的光纤光栅压力传感器都存在传感器尺寸比较大，不能 够用于狭小空间，并且不能测量不同空间的压力差信号的问题。
因此，有必要提供一种新的光纤光栅传感器结构，来克服现有光纤光栅 压力传感器存在的上述缺陷。

实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种光纤光栅压力传感器，其采用弹性膜 片和悬臂梁结构，能够有效缩小光纤受力方向的尺寸，从而可用于狭小空间 的压力测量。
本实用新型的目的还在于，提供一种光纤光栅压力传感器，其能够直接 测量压力差信号。
本实用新型的上述目的可采用如下技术方案来实现 一种光纤光栅压力 传感器，其包括
悬臂梁，具有第一端和第二端，其中第一端固定，而第二端处于悬臂状
态；
第一弹性膜片，其固定连接有朝向所述悬臂梁的第一顶柱，该第一顶柱
的端部与所述悬臂梁的第二端的一侧相顶触；
光纤，其具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁上。 在本实用新型的一个可选实施方式中，所述的光纤光栅压力传感器还包
括第二弹性膜片，其与第一弹性膜片相对设置，并固定连接有朝向悬臂梁的第二顶柱，该第二顶柱与所述悬臂梁的第二端上与第一顶柱的一侧相对的 另一侧相顶触。
在本实用新型的一个可选例子中，所述光纤光栅传感器还包括有壳体， 该壳体形成有容置腔，并在壳体外侧上形成有第一安装槽，在该第一安装槽 的底部具有连通于所述容置腔的第一通孔；所述的悬臂梁设置于所述壳体的 容置腔内，该悬臂梁的第一端固定支撑在壳体上，所述的第一膜片周边密封 安装在壳体的第一安装槽上，所述的第一顶柱穿过所述第一安装槽底部的第 一通孔而与所述悬臂梁的第二端相顶触。
在一个可选的例子中，所述的壳体外侧与第一安装槽相对的位置上还设
置有第二安装槽，在该第二安装槽的底部设有连通于所述容置腔的第二通孔;
所述第二膜片周边密封安装在所述第二安装槽上，所述第二顶柱穿过所述第 二通孔而与所述悬臂梁相顶触。
在本实用新型中，所述第一顶柱上设置有微型滚动轴承，所述第一顶柱 通过该微型滚动轴承顶触于所述悬臂梁的第二端。
在本实用新型中，所述第二顶柱上设置有微型滚动轴承，所述的第二顶 柱通过该微型滚动轴承顶触于所述悬臂梁的第二端。
利用该微型滚动轴承，在顶柱受到横向力作用时，该顶柱可以在悬臂梁 上进行微小的滚动，从而极大地减少顶柱与悬臂梁之间的摩擦，从而能够在 进行压力测量时提高测量的准确度。
在本实用新型中，所述的悬臂梁为等强度悬臂梁。采用该等强度悬臂梁， 可以有效消除光纤光栅啁啾效应，提高测量灵敏度。
在本实用新型中，所述的光纤光栅粘贴固定在悬臂梁上。
在本实用新型中，在所述壳体的容置腔内设置有支撑部，所述悬臂梁的 第一端支撑在该支撑部上， 一压块压设在悬臂梁的第一端上，并通过紧固件 固定于支撑部上，从而将悬臂梁的第一端压紧固定在所述支撑部上。在该例 子中，所述压块上可设置有供光纤穿过的穿槽。
在本实用新型中，所述的第一弹性膜片由不锈钢材料制成。所述的第二弹性膜片也由不锈钢材料制成。
在本实用新型中，所述的悬臂梁由铍青铜材料制成。
在本实用新型中，在所述的第一弹性膜片的边缘形成有环形凸缘部，该 环形凸缘部的外侧与所述的第一安装槽密封连接在一起，从而实现第一弹性 膜片与第一安装槽的密封连接。
在本实用新型中，在所述的第二弹性膜片的边缘形成有环形凸缘部，该
环形凸缘部的外侧与所述的第二安装槽密封连接在一起，从而实现第二弹性 膜片与第二安装槽的密封连接。
在本实用新型中，为方便悬臂梁与光纤光栅在壳体内的装配，所述壳体 包括主壳体和封接于主壳体端部的封盖，在所述封盖上形成有供所述光纤通 过的孔，所述封盖与光纤之间采用聚合物密封。
采用本实用新型的上述结构，本实用新型的效果是显著的1)由于本实 用新型采用弹性膜片和悬臂梁来实现光纤光栅的增敏，弹性膜片的尺寸可以 做得很�。�从而使得本实用新型的光纤光栅压力传感器在光纤受力方向(壳
体的厚度方向)的尺寸可以做得很�。�例如其厚度可薄到12mm，从而有利于
安装在狭小空间内，来对狭小空间的压力进行压力测量。并且，本实用新型 的光纤光栅压力传感器可以根据测量环境的需要，通过改变弹性膜片和悬臂 梁的厚度来实现测量范围的改变，也可以通过传感器外壳的尺寸来实现大面
积的测量，从而使得其应用更为广泛。2)由于本实用新型的光纤光栅传感器
在壳体外侧安装有两片弹性膜片，该两片弹性膜片可以分别通过顶柱将压力 传递给悬臂梁，压迫悬臂梁向压力小的一侧移动，光纤光栅可以感知此形变， 从而使得本实用新型的光纤光栅压力传感器可以测量两个不同空间或同一空
间动态环境的压力差信号。3)由于本实用新型的传感器外壳可以将形成为一
个密封器件，从而使得传感器对恶劣环境有很好的抗腐蚀性能。并且传感器 内部测量所用的光纤光栅，能够抗电磁千扰，低损耗、体积小、重量轻、成 本低、耐腐蚀、防水防火等。

图1为现有的灌封式封装光纤光栅的光纤光栅压力传感器结构示意图2为现有的圆柱筒一活塞式光纤光栅压力传感器结构示意图3为现有的金属管组合式光纤光栅压力传感器结构示意图4为现有的波纹管和梯形梁光纤光栅压力传感器结构示意图5为本实用新型的实施例1的光纤光栅压力传感器正视结构示意图6为图5的A-A剖视结构示意图7为本实用新型的等强度悬臂梁的数学分析结构示意图8为本实用新型的实施例1的光纤光栅压力传感器的力学结构示意图9为本实用新型的实施例1的实验例的传感器I的光纤光栅反射波长
与载重的变化关系示意图10为本实用新型的实施例1的实验例的传感器II的光纤光栅反射波
长与载重的变化关系示意图11为本实用新型实施例1的一个应用例示意图12为本实用新型实施例2的光纤光栅压力传感器正视结构示意图13为图12的B-B剖视结构示意图。
具体实施方式实施例1
如图5—图10所示为本实施例的光纤光栅传感器50的示意图。如图5、 图6所示，本实施例的光纤光栅传感器50包括悬臂梁51、第一弹性膜片 521、第一顶柱531、第二弹性膜片522、第二顶柱532以及光纤54。其中， 悬臂梁51具有第一端511和第二端512，第一端511固定，而第二端512处 于悬臂状态；所述第一顶柱531与第一弹性膜片521固定连接，并朝向所述 悬臂梁51伸出，该第一顶柱531的端部与所述悬臂梁51的第二端512的一 侧相顶触，从而将第一弹性膜片521受到的径向压力传递给悬臂梁51;第二膜片522设置在与第一膜片521相对的位置，第二顶柱532固定连接于第二 弹性膜片522，并也朝向悬臂梁51伸出，该第二顶柱532与所述悬臂梁51第 二端512上的与第一顶柱531的一侧相对的另一侧相顶触，从而将与第一膜 片521相对侧的第二膜片522受到的径向压力也传递给悬臂梁51，而光纤54 具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁51上。使用时，将第一弹性膜 片521和第二弹性膜片522设置于两个不同空间或者同一空间的的动态环境 中，悬臂梁51两侧的第一膜片521、第二膜片522受到压力时，通过第一顶 柱531和第二顶柱532分别把压力传递给悬臂梁51的第二端512的相对两侧， 压迫悬臂梁51的第二端512向压力小的一侧移动，固定在悬臂梁51上的光 纤光栅感知到悬臂梁51的该形变，输出信号发生变化，从而测量两个不同空 间或同一空间动态环境中的压力差信号。
在本实施例中，由于是采用第一弹性膜片521、第二弹性膜片522和悬臂 梁51来实现光纤54的增敏的，第一弹性膜片521和第二弹性膜片522的尺 寸可以做得很�。�从而使得本实用新型的光纤光栅压力传感器50在光纤54 受力方向的尺寸可以做得很�。�例如其厚度可薄到12腿，从而可以放置在狭 小空间内，对狭小空间的压力差进行测量。并且，本实施例的光纤光栅压力 传感器可以根据测量环境的需要，通过改变第一弹性膜片521、第二弹性膜片 522和悬臂梁的厚度来实现测量范围的改变，也可以通过增大第一弹性膜片 521和第二弹性膜片522的尺寸来实现大面积的测量，从而使得其应用范围更 为广泛。
如图5、图6所示，在本实施例的一个具体例子中，所述光纤光栅传感器 50还包括有壳体55，该壳体55形成有容置腔550，并在壳体55外侧的相对 位置上分别形成有第一安装槽551和第二安装槽552，所述的第一弹性膜片 521和第二弹性膜片522分别周边密封安装在该第一安装槽551和第二安装槽 552上。在该第一安装槽551和第二安装槽552的底部分别具有连通于所述容 置腔550的第一通孔553和第二通孔554;所述的悬臂梁51设置于所述壳体 55的容置腔550内，该悬臂梁51的第一端511固定支撑在壳体55上，固定连接于第一膜片521的第一顶柱531穿过所述第一安装槽551底部的第一通 孔553而与所述悬臂梁51的第二端512的一侧相顶触，从而将第一膜片521 受到的径向压力传递给悬臂梁51的第二端512;固定连接于第二膜片522的 第二顶柱532穿过所述第二通孔554而与所述悬臂梁51的第二端512的另一 侧相顶触，从而将第二膜片522受到的径向压力传递给悬臂梁51的第二端 512。
在本实施例的一个例子中，所述第一顶柱531上可设置有微型滚动轴承 561，该第一顶柱531通过该微型滚动轴承561顶触于所述悬臂梁51的第二 端512。在所述第_1顶柱532上也可设置有微型滚动轴承562，该第二顶柱532 通过该微型滚动轴承562顶触于所述悬臂梁51的第二端512。这样，利用该 微型滚动轴承561、 562，在第一顶柱531、第二顶柱532受到横向力作用时， 该第一顶柱531和第二顶柱532可以通过微型滚动轴承561、 562在悬臂梁51 上进行微小的滚动，从而极大地减少第一顶柱531、第二顶柱532与悬臂梁 51之间的摩擦，提高在进行压力差测量时的准确度。
在实施例的一个具体例子中，为了保证在测量范围内传感光纤54的光栅 波长漂移的线性度，避免光纤光栅产生啁啾效应，如图5所示，所述的悬臂 梁51可采用等强度悬臂梁，以提高测量灵敏度和准确度。其中，如果变截面 梁设计得使梁的各截面上的最大正应力都达到材料的许用应力值，则这样的 梁就称为等强度梁。
在本实用新型的一个可选例子中，如图5、图6所示，在所述壳体55的 容置腔550内设置有支撑部556，所述悬臂梁51的第一端511支撑在该支撑 部556上， 一压块557压设在悬臂梁51的第一端511上，并通过紧固件558 将压块557固定于支撑部556上，从而将悬臂梁51的第一端511压紧固定在 所述支撑部556上。在该例子中，所述压块557上可设置有供光纤54穿过的 穿槽5571。
在本实施例的一个具体例子中，所述的第一弹性膜片521、第二弹性膜片 522以及壳体55可由不锈钢材料制成。所述的第一顶柱531可与第一弹性膜片521 —体加工。所述的第二顶柱531可与第二弹性膜片521 —体加工。所 述的悬臂梁51可由铍青铜材料制成，该种材料的弹性模量相对�。�形变恢复 比较好。所述的光纤54的光纤光栅可以粘贴固定在悬臂梁51上。在实施例的一个具体例子中，所述的第一弹性膜片521、第二弹性膜片 522的边缘可分别形成有环形凸缘部5211、 5221，该环形凸缘部5211的外侧 与所述的第一安装槽551密封连接在一起，从而实现第一弹性膜片521与第 一安装槽551的密封连接;该环形凸缘部5221的外侧与所述的第二安装槽552 密封连接在一起，从而实现第二弹性膜片522与第二安装槽552的密封连接。在本实施例中，由于是采用弹性膜片与悬臂梁来实现光纤光栅54的增敏 的，不需要像现有的圆柱筒一活塞式光纤光栅压力传感器30和金属管组合式 光纤光栅压力传感器40那样需要有相对运动，因而壳体55可以在安装完各 部件后，形成为密封器件，从而使得本实用新型的光纤光栅传感器50对恶劣 环境有很好的抗腐蚀性能。在本实施例中，为方便悬臂梁51与光纤光栅54 在壳体55内的装配，所述壳体55包括主壳体581和封接于主壳体581端部 的封盖582，在所述封盖582上形成有供所述光纤54的尾纤通过的孔583， 所述封盖582与光纤54的尾纤之间采用聚合物密封，从而使得该光纤光栅压 力传感器50在装配后形成为密封器件。下面通过理论分析和实验例来进一步说明本实施例的测量压力差的光纤 光栅压力传感器50。本实施例中的经过应力增敏封装的应变光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁51 上；在壳体55两侧用第一弹性膜片521和第二弹性膜片522密封，该第一膜 片521和第二膜片522分别附有第一顶柱531和第二顶柱532与等强度悬臂 梁51紧密接触；当两侧受到的压力不同时两侧第一膜片521、第二膜片522 就会向悬臂梁51的方向发生位移，压迫等强度悬臂梁51向压力小的一侧移 动产生形变，该形变引起的光纤光栅54中心反射波长的变化，从而由解调仪 进行检测压力差。首先光纤光栅的中心反射波长A,可由光纤光栅的布拉格(Bragg)公式确 定4=2"^ (1J可见&取决于两个因素有效折射率"w和光栅周期A^，任何一个因素的变化 都会引起^的改变。当应力作用于光纤光栅时，可以同时引起A,的变化和由 弹光效应造成的 的变化，其表达式为式中A、为应力引起的光纤光栅反射波长变化量，s为光纤光栅的应变量，《为光纤有效弹光系数。为了保证在测量范围内传感光纤光栅波长漂移的线性度，避免光纤光栅 产生啁啾效应，因此本实用新型的传感器采用了等强度悬臂梁结构。等强度 悬臂梁51如图7所示，等强度悬臂梁51为等腰三角形，厚力，底边&，长Z，其x处的宽度6(x)为Z (x) = 60(l —;c/丄) (3^ 在外界应力作用下等强度悬臂梁X处的挠度为2V。/为外界作用在等强度悬臂梁51的义处的垂直向下的集中应力，A为材料的 弹性模量，/。=6^3/12为0点处等强度悬臂梁51的横截面的惯性矩。 由式(^可知等强度悬臂梁51的顶点处挠度最大少:^ _ 6丄3 / ^等强度悬臂梁51的顶点处的应变为 2《/0 ，2为了适应恶劣的环境，本实用新型传感器需要密封，以确保等强度悬臂梁51 和光纤光栅的传感特性，所以采取了弹性膜片(第一弹性膜片521和第二弹性膜片522)密封结构。作为一个具体的例子，在该分析中第一弹性膜片521 和第二弹性膜片522均采用周边固定的圆形膜片，其中圆形膜片的中心挠度凡表达式为' 16五2,3 可得膜片受压强尸公式尸="、 W式中A为不锈钢膜片材料的泊松比，f为不锈钢膜片厚度，￡2为膜片材料的弹 性模量，i 为圆形膜片半径。本实施例中的测量压力差的光纤光栅压力传感器 50的工作原理是弹性膜片感受外界压力，并通过顶柱传递给等强度悬臂梁51，等强度悬臂梁51的形变带动光纤54的光纤光栅发生形变，这样由式(2人 (S人$"寻等强度悬臂梁的顶点处挠度公式把式(U代入式(2卩中，得等强度悬臂梁单面受力/公式尸=_^!^^_ 加j—6(1-《)"8对传感器50进行受力分析(如图8)，第一弹性膜片521和第二弹性膜片522 有效受力面积相等且为5，受压力分别为尸,、A (取A〉 A)，第一弹性膜片 521形变力大小为/,，第二弹性膜片522形变力大小为6，等强度悬臂梁51 的形变力为/，则系统受力平衡公式为代入式(S入^及ao」得<formula>formula see original document page 16</formula>3(1-6(1-尸,& 式中AP为本实施例的传感器50的两侧压强差，为该传感器主要性能参数。传感器50采用的是不锈钢膜片和铍青铜材料的等强度悬臂梁，设计了膜 片厚度不同的两种传感器，第一弹性膜片521、第二弹性膜片522厚度为0. 3mm 的简称传感器I，第一弹性膜片521、第二弹性膜片522厚度为0. 4mm的简称 传感器II。式(12卩各参数为(1) 不锈钢膜片弹性模量^^206GPa、传感器I膜片厚度^ 0.3mw 、传感 器n膜片厚度^0.4附m、泊松比〃 =0.3、圆形膜片半径^ = 14 、膜片有效受 力面积5 = 7.85><10-5附2 (实验中砝码与传感器的接触面均为直径1的圆)；(2) 等强度悬臂梁51:底边6。-6wm、厚/^0.4加m、弹性模量A = 128G尸"、梁长"30騰；(3) 光纤光栅54:光纤有效弹光系数《=0.22、传感器I光纤光栅中心反射 波长4=1559.192鹏、传感器II光纤光栅中心反射波长义,1555.099"w。数据带入公式a2; AP = [~~3，丄2 + ^得，3(1-〃2)(1 —《)i 、 6(1 —4传感器IAP = 4.907 xl09& (W传感器nAP = 11.62><109^_实验中传感器-侧空载，另一侧放置质量#不同的砝码(砝码与传感器的接触面均为直径i，的圆)，由此产生不同的压强差AP，依据公式n3^和aw以及光纤光栅中心反射波长数据，我们得到传感器波长信号与砝码质量的数学关系传感器IA = -3.9668x10-5M + 1559.192 (15,传感器n2 = 1.6707x10—5M + 1555.099 A6/> 其中#是实验中加力的砝码质量，单位为g， A是传感器光纤光栅反射波长， 单位为肌传感器的悬臂梁选用铍青铜材料的等强度悬臂梁51，传感器尺寸长 62mm,宽30腿，高12mm;对膜片厚度为0. 3ram和0. 4mm的两种传感器的技术 性能分别进行测试，其载重和波长变化之间的关系如图9和图10。由图9和图10可见，两传感器波长随压力差(载重)的变化呈较好的线 性关系，符合理论公式f!2人可以看出传感器I在小于150N和大于IOOON时 线性度较差，在压力差1500N至10000N之间线性度和稳定性较好(即为该传 感器的最佳工作范围)；图9直线的拟合曲线为A = —8.0xlO—5M + 1559.654 (!7j 斜率-8.0x10-5，为负值，说明实验中传感器的光纤光栅受力压缩；表l给出了 该传感器的应变响应数据，由此可以看出该传感器性能良好，其负应变是光 纤光栅受力被压缩的结果。表1.传感器I对不同压力差的应变响应数据压力/g138. 5238. 5338. 5438. 5538.5638, 5738.5838.5938. 51038. 5应力/ ;t^-1.27-9. 50-21. 14-26. 96-29. 87-35.69-37. 69-40. 90-46, 11-48. 82传感器II曲线总体成直线，部分数据偏离，可见其灵敏度低，适合粗略测量压力差信号，不适合精密测量；图10直线的拟合曲线为/L = 1.0xl(T5M + 1163.756 (W斜率为1.0x10-5，符号正值说明实验中该传感器的光纤光栅受力拉伸。实验中还测定了传感器在水中施加不同流量水力冲击时应力和中心反射 波长的变化曲线，发现传感器I的驰豫时间短，响应速度快，对压力以及流量有很好的线性响应，可用于精密动态测量；而传感器n的驰豫时间相当长(大于20秒)，适合静态粗略测量场合。由式a5^与a7^及a6j与aw比较可知，理论值和实验值有些区别(相 应斜率不一致)，但是斜率差在误差范围之内，这也证明了该传感器的可靠性。其误差原因在于未考虑光纤光栅的胶粘系数，以及不锈钢膜片加工不够精细等。下面通过一个本实施例的光纤光栅压力传感器50的一个应用例，来进一步说明本实施例在测量压力差中的应用。如图11所示，管道7破损后管道液体向外渗漏，可将灵敏度高的木实施 例的光纤光栅传感器50放入，两个弹性膜片(第一弹性膜片521、第二弹性 膜片522)正对漏洞71时，由于液体外漏，第二弹性膜片522受到液体冲击 力，所以第一弹性膜片521和第二弹性膜片522所处同一环境中但受力不同， 该光纤光栅传感器50便能感受出此压力差，从而可以进一步分析该漏洞71 情况。实施例2如图12、图13为本实施例的光纤光栅传感器60的结构示意图。本实施 例的基本结构和工作原理与实施例1相同，其与实施例1的主要区别在于， 在本实施例中，仅设置有一个弹性膜片(例如仅具有第一弹性膜片621)，因 而仅能测量压力信号，而不能测量压力差信号。如图12、图13所示，本实施例的光纤光栅传感器60包括悬臂梁61、 第一弹性膜片62、第一顶柱63以及光纤64。其中，悬臂梁61具有第一端611 和第二端612第一端611固定，而第二端612处于悬臂状态；所述第一顶柱 63与第一弹性膜片62固定连接，并朝向所述悬臂梁61伸出，该第一顶柱63的端部与所述悬臂梁61的第二端612的一侧相顶触，从而将第一弹性膜片62 受到的径向压力传递给悬臂梁61;而光纤64具有光纤光栅，该光纤光栅固定 连接于悬臂梁61上。使用时，悬臂梁61—侧的第一膜片62受到压力，该压 力通过第一顶柱63传递给悬臂梁61的第二端612的一侧，压迫悬臂梁61的 第二端612向另一侧移动，固定在悬臂梁61上的光纤光栅感知到悬臂梁61 的该形变，输出信号发生变化，从而测量压力信号。在本实施例中，由于是采用第一弹性膜片62和悬臂梁61来实现光纤64 的光纤光栅的增敏的，第一弹性膜片62的尺寸可以做得很�。�从而使得本实 用新型的光纤光栅压力传感器60在光纤64受力方向的尺寸可以做得很�。� 例如其厚度可薄到12mm，从而可以放置在狭小空间内，对狭小空间的压力进 行测量。并且，本实施例的光纤光栅压力传感器60可以根据测量环境的需要， 通过改变第一弹性膜片62和悬臂梁61的厚度来实现测量范围的改变，也可 以通过增大第一弹性膜片62的尺寸来实现大面积的测量，从而使得其应用范 围更为广泛。如图12、图13所示，在本实施例的一个具体例子中，所述光纤光栅传感 器60还包括有壳体65，该壳体65形成有容置腔650，并在壳体65外侧形成 有第一安装槽651，所述的第一弹性膜片62周边密封安装在该第一安装槽651 上。在该第一安装槽651的底部分别具有连通于所述容置腔650的第一通孔 653;所述的悬臂梁61设置于所述壳体65的容置腔650内，该悬臂梁61的 第一端611固定支撑在壳体65上，固定连接于第一膜片62的第一顶柱63穿 过所述第一安装槽651底部的第一通孔653而与所述悬臂梁61的第二端612 的一侧相顶触，从而将第一膜片62受到的径向压力传递给悬臂梁61的第二 端612。在本实施例的一个例子中，如图13所示，所述第一顶柱63上可设置有 微型滚动轴承661，该第一顶柱63通过该微型滚动轴承661顶触于所述悬臂 梁61的第二端612。这样，利用该微型滚动轴承661，在第一顶柱63受到横 向力作用时，该第一顶柱63可以通过微型滚动轴承661在悬臂梁61上进行微小的滚动，从而极大地减少第一顶柱63与悬臂梁61之间的摩擦，提高在 进行压力测量时的准确度。在实施例的一个具体例子中，为了保证在测量范围内传感光纤光栅波长漂移的线性度，避免光纤光栅产生啁啾效应，如图5所示，所述的悬臂梁51可采用等强度悬臂梁，以提高测量灵敏度和准确度用该等强度悬臂梁。其屮， 如果变截面梁设计得使梁的各截面上的最大正应力都达到材料的许用应力 值，则这样的梁就称为等强度梁。在本实用新型的一个可选例子中，如图13所示，在所述壳体65的容置 腔650内设置有支撑部656，所述悬臂梁61的第一端611支撑在该支撑部656 上， 一压块657压设在悬臂梁61的第一端611上，并通过紧固件658将压块 657固定于支撑部656上(如图12所示)，从而将悬臂梁61的第一端611压 紧固定在所述支撑部656上。在该例子中，与实施例l相类似，所述压块657 上可设置有供光纤光栅穿过的穿槽6571 (如图12所示)。在本实施例的一个具体例子中，与实施例1相类似，所述的第一弹性膜 片62以及壳体65可由不锈钢材料制成，所述的第一顶柱63可与第一弹性膜 片62—体加工。所述的悬臂梁61可由铍青铜材料制成，该种材料的弹性模 量相对�。�形变恢复比较好。所述光纤64的光纤光栅可以粘贴固定在悬臂梁 61上。在实施例的一个具体例子中，如图13所示，所述的第一弹性膜片62的 边缘可形成有环形凸缘部621，该环形凸缘部621的外侧与所述的第一安装槽 651密封连接在一起，从而实现第一弹性膜片62与第一安装槽651的密封连 接。在本实施例中，由于是采用弹性膜片与悬臂梁来实现光纤光栅54的增敏 的，不需要像现有的圆柱筒一活塞式光纤光栅压力传感器30和金属管组合式 光纤光栅压力传感器40那样需要有相对运动，因而壳体65可以在安装完各 部件后，形成为密封器件，从而使得本实用新型的光纤光栅传感器60对恶劣 环境有很好的抗腐蚀性能。在本实施例中，为方便悬臂梁61与光纤光栅64在壳体65内的装配，所述壳体65包括主壳体681和封接于主壳体681端部 的封盖682，在所述封盖682上形成有供所述光纤光栅64的尾纤通过的孔683， 所述封盖682与尾纤之间采用聚合物密封，从而使得该光纤光栅传感器60在 装配后形成为密封器件。本实用新型的上述描述仅为示例性的属性，因此没有偏离本实用新型要 旨的各种变形理应在本实用新型的范围之内。这些变形不应被视为偏离本实 用新型的精神和范围。
权利要求1、一种光纤光栅压力传感器，其包括悬臂梁，具有第一端和第二端，其中第一端固定，而第二端处于悬臂状态；第一弹性膜片，其固定连接有朝向所述悬臂梁的第一顶柱，该第一顶柱的端部与所述悬臂梁的第二端的一侧相顶触；光纤，其具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁上。
2、 如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的光纤光栅压力传感器还包括第二弹性膜片，其与第一弹性膜片相对设置，并固定连接有朝向悬臂梁的第二顶柱，该第二顶柱与所述悬臂梁第二端上的与第 一顶柱的一侧相对的另一侧相顶触。
3、 如权利要求1或2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述光 纤光栅压力传感器还包括有壳体，该壳体形成有容置腔，并在该壳体外侧上 形成有第一安装槽，在该第一安装槽的底部具有连通于所述容置腔的第一通 孔；所述的悬臂梁设置于所述壳体的容置腔内，该悬臂梁的第一端固定支撑 在壳体上，所述的第一膜片周边密封安装在壳体的第一安装槽上，所述的第 一顶柱穿过所述第一安装槽底部的第一通孔而与所述悬臂梁的第二端相顶 触。
4、 如权利要求3所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的壳体 外侧与第一安装槽相对的位置上还设置有第二安装槽，在该第二安装槽的底 部设有连通于所述容置腔的第二通孔；所述第二膜片周边密封安装在所述第 二安装槽上，所述第二顶柱穿过所述第二通孔而与所述悬臂梁相顶触。
5、 如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第一顶 柱上设置有微型滚动轴承，所述第一顶柱通过该微型滚动轴承顶触于所述悬 臂梁的第二端。
6、 如权利要求2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述第二顶柱上设置有微型滚动轴承，所述的第二顶柱通过该微型滚动轴承顶触于所述 悬臂梁的第二端。
7、 如权利要求1或2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的 悬臂梁为等强度悬臂梁。
8、 如权利要求1或2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的光纤光栅粘贴固定在所述悬臂梁上。
9、 如权利要求3所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，在所述壳体 的容置腔内设置有支撑部，所述悬臂梁的第一端支撑在该支撑部上， 一压块 压设在悬臂梁的第一端上，并通过紧固件固定于支撑部上，从而将悬臂梁的 第一端压紧固定在所述支撑部上。
10、 如权利要求9所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压块 上设置有供所述光纤穿过的穿槽。
11、 如权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的第 一弹性膜片由不锈钢材料制成。
12、 如权利要求2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述的第 二弹性膜片由不锈钢材料制成。
13、 如权利要求1或2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述 的悬臂梁由铍青铜材料制成。
14、 如权利要求3所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，在本实用 新型中，在所述的第一弹性膜片的边缘形成有环形凸缘部，该环形凸缘部的 外侧与所述的第一安装槽密封连接在一起，从而实现第一弹性膜片与第一安 装槽的密封连接。
15、 如权利要求4所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，在所述的 第二弹性膜片的边缘形成有环形凸缘部，该环形凸缘部的外侧与所述的第二 安装槽密封连接在一起，从而实现第二弹性膜片与第二安装槽的密封连接。
16、 如权利要求3所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述壳体 包括主壳体和封接于主壳体端部的封盖，在所述封盖上形成有供所述光纤通 过的孔，所述封盖与光纤之间采用聚合物密封。
专利摘要本实用新型提供了一种光纤光栅压力传感器。该传感器包括悬臂梁、第一弹性膜片和光纤，其中悬臂梁具有第一端和第二端，第一端固定，而第二端处于悬臂状态；第一弹性膜片固定连接有朝向所述悬臂梁的第一顶柱，该第一顶柱的端部与所述悬臂梁的第二端的一侧相顶触；所述光纤具有光纤光栅，该光纤光栅固定连接于悬臂梁上。本实用新型的光纤光栅压力传感器，能够有效缩小光纤受力方向的尺寸，从而可用于狭小空间的压力测量。并且，本实用新型还可进一步设置有第二弹性膜片，从而利用第一弹性膜片和第二弹性膜片对悬臂梁的共同作用，能够直接测量压力差信号。
文档编号G01L11/02GK201348549SQ20082012406
公开日2009年11月18日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者卢贵武, 闫志学, 陈少华 申请人:中国石油大学(北京)