一种基于长周期PCF光栅的远传隔膜压力表的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于长周期PCF光栅的远传隔膜压力表。

背景技术：

1847年，法国人波登制成的弹簧管压力表，广泛应用于各行业的工业生产和科学研究中，是我国至今仍然常用的压力测量仪表。弹簧管压力表的工作方式是待测介质直接进入弹簧管中，使得弹簧管发生形变，利用传动装置将形变位移放大，最终在表盘上指示压力示数。但是由于待测介质种类繁多，性质复杂，如腐触、粘稠、易凝固、结晶等特性，这种工作方式使得弹簧管压力表在使用中容易损坏，报废了许多压力表，因此隔膜式压力表应运而生。隔膜压力表，除了具有普通弹簧管压力表的部分外，又增加了连接法兰、隔离膜片(隔离膜片为了能适应不同的腐蚀性介质或温度，可采用不同的材质)，且在隔离膜片和中空的测压弹簧管之间，充有传压介质。隔膜压力表和弹簧管压力表的主要区别在于，隔膜压力表在测压过程中，待测介质只接触隔离膜片，这样就可以防止腐蚀性介质和易结晶的介质进入弹簧管内部，避免弹簧管的腐蚀和堵塞。

压力的测量不仅在工业中有非常关键的作用而且也是日常生活中重要的参数之一。目前，实际应用中常采用电容式或电阻式膜盒气压表测量压力。电容式气压传感器具有灵敏度高、零漂小、能耗少等优点，但其输出阻抗高、负载能力差，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大。外界环境(温度、湿度、静电)影响较大以及输出具有非线性。将电阻片用于压力检测，性能可以得到一定的改善，但这种压力表结构复杂，成本高，测量结果受温度影响大，传输距离受到一定的限制而且对易燃易爆物质的压力检测有潜在的危险。

光子晶体光纤(PCF)又被称为微结构光纤(Micro-Structured Fibers,MSF)，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。PCF光栅主要利用沿PCF长度方向周期折射率或几何结构的扰动特性，能够兼具光纤光栅和PCF的特性，在航天工程、自动控制、油井监测及道路桥梁健康检测等诸多领域有广泛潜在价值。

针对上述电容式或电阻式膜盒气压表中输寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大、结构复杂、成本高、测量结果受温度影响大、传输距离有限、有潜在的危险性等不足，本实用新型提出一种长周期PCF光栅远传隔膜压力表。光纤本身具有抗电磁干扰、本质安全、易分布和长距离传感测量等优点；除此之外，PCF光栅具有很低的温度敏感性，可以消除外界温度对压力测量结果的影响，测量结果精确、灵敏度高、尤其适合远距离传输，能够在危险环境中工作，具有很高的安全性。

技术实现要素：

本实用新型提出一种结构简单、安全可靠、灵敏度高、消除温度影响、能够同时远程传输和现场读取的一种基于长周期PCF光栅的远传隔膜压力表。

本实用新型为解决技术问题所采取的装置：

一种基于长周期PCF光栅的远传隔膜压力表，其特征在于包括宽带光源、传输光纤、长周期PCF光栅隔膜压力表、光谱仪；宽带光源的信号输出端与传输光纤连接，传输光纤通过光纤法兰盘与长周期PCF光栅隔膜压力表连接，长周期PCF光栅隔膜压力表另一侧的光纤法兰盘与传输光纤相连，并通过传输光纤将信号传输到光谱仪中。所述光纤光栅隔膜压力表由弹簧管压力表头、隔离膜盒、传压介质、长周期PCF光栅、光纤法盘兰组成；上述弹簧管是用弹性材料制作的、弯成C形的中空管，它的一端与弹簧压力表的管座焊接成一体，另一端自由伸展；隔离膜盒是椭圆形的的密封装置，其中间有隔离膜片，将膜盒分割成上下两个独立空间部分，上部分与弹簧管连通，下面部分与待测介质连通；隔离膜片和测压弹簧管之间充有传压介质；所述光纤法兰盘是嵌入在两侧膜盒固定法兰的内部，两者为同心圆结构，严格密封，不漏气；长周期PCF光栅放置在两层隔离膜片的中间，呈自由伸直状态；长周期PCF光栅两侧连接光纤法兰盘，隔离膜片为了能适应不同的腐蚀性介质或温度，可采用不同的材质；宽带光源为信号发生区，长周期PCF光栅和隔离膜片构成压力的传感区，光谱仪为信号解调区。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型利用长周期PCF光栅进行远程监控，尤其适合传输距离远，稳定性好，可以在各种恶劣、危险环境下工作，可靠性高。

本实用新型所述的长周期PCF光栅的远传隔膜压力表，结构简单，成本低。它能够同时满足远程检测和现场读取，适合多种工作场景。

本实用新型采用长周期PCF光栅，具有很低的温度敏感性，可以有效地消除在压力测量过程中温度造成的影响，提高测量精度和准确度。

本实用新型中将隔膜压力表和光纤光栅结合，将隔离膜片的形变转化成光纤光栅的弯曲形变进行放大，提高了压力测量的灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型基于长周期PCF光栅的远传隔膜压力表的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型进一步描述。

如图1所示，基于长周期PCF光栅的远程隔膜压力表包括：宽带光源1、传输光纤2、膜盒固定法兰3、光纤法兰盘4、隔离膜片5，长周期PCF光栅6，传压介质7，弹簧管8、光谱仪9。

宽带光源1输出端口与传输光纤2连接，传输光纤2通过光纤法兰盘4与长周期 PCF光栅6连接，所述光纤法兰盘4是嵌入在膜盒固定法兰3的内部，两者为同心圆结构，且严格密封，不漏气。长周期PCF光栅6放置在两层隔离膜片5的中间，长周期PCF光栅6 呈自由伸直状态，在隔离膜片5和测压弹簧管8之间，充有传压介质7。长周期PCF光栅6 的另一侧通过同样的光纤法兰盘4连接并固定，光纤法兰盘4通过传输光纤2与光谱仪9的信号接收端连接。宽带光源1为信号发生区，长周期PCF光栅6和隔离膜片5构成压力的传感区，光谱仪9为信号解调区。

本实用新型的工作方式为：宽带光源1发射出的电磁波由输出端进入传输光纤2，光由传输光纤2经过光纤法兰盘4传输到长周期PCF光栅6，然后经过另一侧的光纤法兰盘 4由传输光纤2输入到光谱仪9中。当被测介质从进压口进入并作用在隔离膜片5上时，在压力的作用下弹性隔离膜片5会发生弹性形变，压缩系统中填充的传压介质7，由于弹簧管8 的内弧与外弧面积大小不同，所受的压力也不同，迫使弹簧管8发生形变，自由端向外伸张，管子将形成直态，弹簧管8将均衡地移到另一位置；在这一过程中，隔离膜片5的弹性形变带动长周期PCF光栅6也有相应地弯曲形变。随着长周期PCF光栅弯曲形变的增加，光栅的曲率会减小，长周期PCF光栅的谐振波长与曲率有一定的关系。通过观测光谱仪中谐振波长的变化，可以实现远程压力的测量。

在外界参量作用下，长周期PCF光栅产生形变，发生弯曲，L为长周期PCF光栅的长度，h表示长周期PCF光栅的横向弯曲量，R表示长周期PCF光栅因弯曲而形成的曲率半径。当长周期PCF光栅发生弯曲时，弯曲曲率可表示为：

对于所设计长周期光子晶体光纤光栅传感器系统进行如下假设:(1)长周期PCF 光栅折射率改变沿PCF纵向对称周期性分布；(2)在PCF横向结构中，折射率沿各个方向是均匀分布；(3)纤芯基模谐振耦合进LP11包层模；(4)长周期PCF光栅圆形弯曲。根据上面的假设则弯曲PCF等价折射率分布可采用下式定义:

nx表示长周期PCF光栅折射率横向分布，x表示光栅横向偏离中心处位置，R为长周期PCF光栅弯曲半径。长周期PCF光栅在弯曲应变情况下谐振中心波长的漂移量表达式:

式中：p11和p12为光纤的弹光系数，γ为光纤材料泊松比，Δn指一个光栅周期里折射率的改变,ε为长周期PCF光栅的应变，Λ为PCF长周期光栅的周期。当PCF长周期光栅的曲率变大时，波长向长波方向移动。

该装置能够实现弹簧压力表光纤光栅远程传感的关键技术有：

1、本实用新型中隔离膜片可选用金属箔、涂防腐层的金属箔、塑料薄膜或橡胶薄膜等。为了防止薄膜因受压而破裂，它的尺寸应大到由受压变形所造成上膜盒空间体积的变化，足可以抵消同时出现的压力表弹簧管体积的变化与管腔中原有的气体被压缩的体积变化的总和。

2、本实用新型中所采用的光纤法兰盘是嵌入在膜盒固定法兰的内部，两者为同心圆结构，在保证密闭性的同时，还能够使得光路连通，保证了系统的一体性。

3、压力传动液必须洁净并对压力表没有腐蚀作用，它的沸点应高于被测介质的温度。

本实用新型的一个具体实施例中，浩源光电的宽带光源光谱范围为1400nm-1600 nm，光谱解调仪的精度为0.02nm。长周期光栅制备在PCF上，长度为2cm，中心波长为 1530.15nm。隔离膜片材料为聚四氟乙烯，该材料耐强酸、强碱、耐油、耐温不低于250摄氏度。聚四氟乙烯的厚度约为0.2mm，本实验中选用两层该材料，并将长周期PCF光栅放置在两层材料之间，且处于自由伸直状态。传输光纤选用G.652单模光纤。待测量为氮气气压，测量气压的范围为0-130atm。

以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，在不脱离本实用新型的原理的前提下，还可以在光源和信号解调方面做出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。