一种可控预拉伸的光纤光栅压力传感器的制作方法

本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种可控预拉伸的光纤光栅压力传感器。

背景技术：

近年来，水利、石油、化工等领域的重大安全事故频发，造成了巨大的经济损失和生态环境破坏，其社会环境影响等间接损失更是无法估量。而压力是水利、石油、化工等领域监测和安全评估的重要参数。因此，压力传感器是工业生产中最为重要的传感器之一。

目前用于液体和气体压力测量或监测的压力传感器大多是机械式和电磁类压力传感器。机械式压力传感器多用于单点压力的测量，测量数据无法传输到计算机中进行分析处理；电磁类压力传感器抗电磁干扰能力差，无法在易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣环境下长期安全可靠工作，测量信号难以实现远距离传输，传感器间无法进行串接。现存光纤光栅压力传感器，长期测量稳定性较差，封装工艺复杂难以复用，大多处于实验室阶段，需要进一步研究。

因此，发展工艺简单、灵敏高、长期稳定性好适合工程应用的光纤光栅压力传感器具有重大的意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出了一种可控预拉伸的光纤光栅压力传感器。该传感器实现了光纤光栅可控预拉伸，解决了传感器在压力作用下光纤光栅的测量稳定性问题，且封装简单，适于批量化生产。

本发明的技术方案：

一种可控预拉伸的光纤光栅压力传感器，主要由外壳、预拉伸系统、力转换装置和传感结构14组成；

所述的外壳，主要由压力连接结构8、带孔套筒9和圆管10组成；所述的压力连接结构8与带孔套筒9分别安装在圆管10的两端，与圆管10螺纹连接，形成圆柱筒封闭结构；所述的压力连接结构8上设有孔，用于待测液体的流入；所述的带孔套筒9上设有孔，用于尾纤13与光纤光栅解调仪相连接；

所述的力转换装置，主要由波纹膜片1和传力杆2组成；所述的波纹膜片1垂直安装在圆管10的内壁上，将圆管10分为两个腔室，并对波纹膜片1与圆管10内壁之间的连接处进行密封；待测液体从压力连接结构8上的孔进入右侧腔室；所述的传力杆2位于左侧腔室，且一端固定在波纹膜片1的中心点处；传力杆2的侧壁上设有孔，用于尾纤13的穿过；

所述的预拉伸系统，位于圆管10的左侧腔室，主要由固定螺母4、预拉伸螺母5、固定杆6和圆盘7组成；所述的圆盘7垂直固定安装在圆管10的内壁上，圆盘7上设有通孔和中心孔，分别用于尾纤13的穿过和固定杆6的安装；所述的固定杆6为中空的螺纹杆，固定杆6穿过圆盘7上的中心孔，固定螺母4和预拉伸螺母5分别位于圆盘7的两侧，通过固定螺母4和预拉伸螺母5将固定杆6固定在圆盘7上；

所述的传感结构14，主要由空心支撑管、光纤光栅3和保护管12组成；所述的光纤光栅3位于保护管12内，保护管12的两端设有空心支撑管，光纤光栅3穿过两个空心支撑管；两个空心支撑管的一端分别固定在保护管12的两端，其中一个空心支撑管的另一端固定在固定杆6内，另一个空心支撑管的另一端固定在传力杆2内，保护管12外部的空心支撑管的外壁上通过封装金属材料进行封装；保护管12位于固定杆6和传力杆2之间，三者位于同一水平线上；光纤光栅3的两个尾纤13，分别穿过固定杆6和传力杆2，然后穿过带孔套筒9上的孔，最终与光纤光栅解调仪相连接。

所述的波纹膜片1的直径、波纹形状和波高根据压力传感器灵敏度和量程的要求进行选取。

所述的圆管10和保护管12的材质为不锈钢。

本发明的效果和益处：本发明实现了光纤光栅可控预拉伸，提高了受压状态下光纤光栅传感器测量稳定性；其传感器制作简单、灵敏度高、抗电磁干扰、传输距离远、可以实现传感器之间的串联、根据需要可以设计不同的灵敏度和量程。

附图说明

图1是本发明的光纤光栅压力传感器示意图。

图2是传感结构示意图。

图中：1波纹膜片；2传力杆；3光纤光栅；4固定螺母；5预拉伸螺母；6固定杆；7圆盘；8压力连接结构；9带孔套筒；10圆管；11封装金属材料；12保护管；13尾纤；14传感结构。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，一种可控预拉伸的光纤光栅压力传感器，主要由外壳、预拉伸系统、力转换装置和传感结构14组成。

传感结构14的两端采用空心支撑管和封装金属材料11进行封装，中间采用保护管12保护，将光纤光栅3的一端穿过传力杆2，传力杆2固定于波纹膜片1中心处并密封，以防波纹膜片1右侧腔室的待测液体泄露影响测量结果；另一端穿过两端安装有固定螺母4和预拉伸螺母5的固定杆6，并将其固定；将光纤光栅3的尾纤13接入光纤光栅解调仪，拧动固定杆6侧的预拉伸螺母5对传感结构14进行预拉伸，根据光纤光栅解调仪的读数控制光纤光栅3波长的增加量。在压力作用下，波纹膜片1产生与压力成正比的垂直位移，通过传力杆2将波纹膜片1中心处垂直位移的测定转化为光纤光栅3应变的测定。

将传感结构14与光纤光栅解调仪连接，待测液体从压力连接结构8的孔进入，并将压力连接结构8与待测液体压力连接部位密封。此时，波纹膜片1右侧所受的待测液体压力p即为待测液体压力。在液体压力p作用下，传力杆2对波纹膜片1产生方向与待测液体压力方向相反的集中力f，则传感结构14受到与液体压力p方向相同，大小为f的集中力。因此，通过测定光纤光栅3的波长变化，即可测定待测液体压力值。

技术特征：

技术总结
本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种可控预拉伸的光纤光栅压力传感器。该压力传感器主要由外壳、预拉伸系统、力转换装置和传感结构组成，利用波纹膜片在内外压差作用下，膜片中心点产生与压力差成正比的垂直位移，传力杆将膜片中心垂直位移的测定转化为光纤光栅应变的测定。传感结构穿过固定杆，在端部通过拧动螺母实现光纤光栅的预拉伸控制，使传感结构在压力作用下光纤光栅始终处于受拉状态。本发明的益处是：该传感器结构简单，制作方便，耐腐蚀，抗电磁干扰，长期稳定性好，灵敏度高；可以实现预拉伸控制，适宜批量生产等优点。

技术研发人员：任亮;温明翠;师琪
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2018.09.28
技术公布日：2019.01.08