一种基于光纤光栅的压强传感器及压强检测方法与流程

1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的压强传感器及压强检测方法。


背景技术：

2.压强传感器广泛地应用于气象、军事、航空、航海、农业、测量、地质、工矿企业和科研等领域。传统压强传感器多为电子式的，但在面对特殊环境时无法保证测量的准确性。例如在强电磁电场环境下会存在电磁干扰的问题，在面积大的环境下存在无法长期实时在线监测的问题，在温度变化快的环境下会出现温度漂移大的问题，这些问题都会影响传统压强传感器的测量精度。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明实施例提供了一种基于光纤光栅的压强传感器及压强检测方法，以解决现有压强传感器测量结果易受环境影响且测量精度低、分辨率差的问题。
4.本发明的一个方面提供了一种基于光纤光栅的压强传感器，包括：
5.压强传感器主体，所述压强传感器主体为底部封闭且顶部设有开口的腔体；
6.压强感知薄膜，所述压强感知薄膜蒙设在所述压强传感器主体的顶部开口上，以封闭所述顶部开口；所述压强感知薄膜随所述压强传感器主体中腔体内外的压强差发生形变，当所述腔体内压高于外压时所述压强感知薄膜向外凸起，当所述腔体内压低于于外压时所述压强感知薄膜向内凹陷；保持所述压强感知薄膜在不发生形变的情况下，在所述压强传感器主体和所述压强感知薄膜内部填充预设介质，并记录内部压强为预设标准压强；
7.光纤光栅传感器，沿径向粘贴设置在所述压强感知薄膜上，所述光纤光栅传感器的光栅设置在所述压强感知薄膜的中心；
8.所述压强感知薄膜受外部压强的变化发生凸起或凹陷，导致所述压强感知薄膜表面应力变化，所述光纤光栅传感器将所述应力变化转化为布拉格波长变化，以通过检测反射光的波长确定布拉格波长，并根据所述布拉格波长的变化量和所述预设标准压强计算对应的检测压强值。
9.在一些实施例中，所述压强传感器主体由不锈钢材料制作而成，所述压强传感器主体的不锈钢腔体壁厚大于等于5mm。
10.在一些实施例中，当测量气体压强时，所述压强传感器主体内填充惰性气体，所述惰性气体为氦气或氩气。
11.在一些实施例中，当测量液体压强时，所述压强传感器主体内填充去离子水。
12.在一些实施例中，当测量的液体为油时，所述压强传感器主体内填充煤油。
13.在一些实施例中，所述压强感知薄膜采用纯钛、tc4钛合金或铍青铜制成。
14.在一些实施例中，所述压强感知薄膜为聚酰亚胺薄膜。
15.在一些实施例中，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为0.3-1mm。
16.本发明的另一个方面提供了一种压强检测方法，包括：
17.获取关于传感器标准内部压强、各预设标准压强及各预设标准压强对应的布拉格波长变化量的标准压强函数；
18.将所述基于光纤光栅的压强传感器置于待测环境中，并检测得到待测布拉格波长变化量，将所述待测布拉格波长变化量代入所述标准压强函数计算得到待测环境的压强。
19.在一些实施例中，获取关于传感器标准内部压强、各预设标准压强及各预设标准压强对应的布拉格波长变化量的标准压强函数之前，还包括：
20.将所述基于光纤光栅的压强传感器置于多个预设标准压强环境下，并分别检测各预设标准压强对应的布拉格波长变化量；
21.获取所述基于光纤光栅的压强传感器中，压强感知薄膜不发生形变时内部的传感器标准内部压强；
22.根据所述传感器标准内部压强、各预设标准压强的压强值及各预设标准压强对应的布拉格波长变化量拟合得到标准压强函数。
23.本发明的有益效果至少是：
24.本发明所述基于光纤光栅的压强传感器及压强检测方法，在外界环境压力作用下与内部预设标准压强形成压差，使得压强感知薄膜发生向外凸起或向内凹陷的，采用光纤光栅传感器将压强感知薄膜的形变转化为布拉格波长变化，从而建立通过布拉格波长变化与压强变化的映射关系，以实现对外部压强的监测。光纤光栅传感器具有抗干扰、灵敏度高、空间分辨率高、耐腐蚀等特性，所以本发明所述压强传感器在复杂的环境下也能够准确地测量出压强大小。
25.进一步地，压强传感器主体采用不锈钢材料，可以保证压强传感器主体在较大的压强差下不会损坏。
26.进一步地，采用聚酰亚胺薄膜作为压强感知薄膜，聚酰亚胺薄膜具有良好的弹性形变能力，使得光纤光栅传感器在相同的压强差下布拉格波长变化更显著，从而提高了压强传感器的灵敏度。同时由于聚酰亚胺薄膜良好的弹性形变能力，因此本发明基于光纤光栅的压强传感器能够在高海拔低压地区使用。
27.进一步地，本发明提供的基于光纤光栅的压强传感器结构简单，易于安装并且体积小重量轻，方便测量携带。
28.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
29.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明
实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
31.图1为本发明一实施例所述一种基于光纤光栅的压强传感器。
32.图2为本发明一实施例所述布拉格波长变化量与外部大气压的关系图。
33.100：压强传感器主体；200：压强感知薄膜；300：光纤光栅传感器。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
35.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
36.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
37.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
38.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
39.传统的电子式压强传感器测量精度低，分辨率差，同时容易受环境影响导致测量结果不准确，因此，本发明提供一种基于光纤光栅的压强传感器。
40.光纤传感技术是一种新兴的传感技术，其具有无源、抗电磁干扰、信息传输距离长、数据信息传输可靠等优势，因此光纤传感技术在各个领域中得到了广泛的应用，是一种重要的电力监测技术手段。
41.光纤光栅在光纤传感技术中使用最多，它是对光纤纤芯进行处理，使得光纤芯区折射率发生变化，产生小的周期性调制而制成的。当今主流的光纤光栅的制作方式有紫外曝光制备法、co2激光制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、腐蚀刻槽制备法等。当光纤光栅受到了应力变化或者光纤光栅所处的温度发生变化时光纤光栅波长才会随之变化。其中光栅拉伸和温度上升会使光栅的波长增大，光栅压缩和温度下降会使光栅的波长减小。
42.解决现有技术中电子式压强传感器测量精度低，分辨率差，易受环境影响的问题，本发明的一个方面提供了一种基于光纤光栅的压强传感器，如图1所示，包括：
43.压强传感器主体100，压强传感器主体100为底部封闭且顶部设有开口的腔体。
44.在一些实施例中，压强传感器主体100由不锈钢材料制作而成。不锈钢腔体能够保证压强传感器主体100在巨大的压强差下不会损坏。
45.在本实施例中，压强传感器主体100的不锈钢腔体壁厚大于等于5mm，以保证压强传感器主体100有较好的强度，在较大的压强差下不会损坏。
46.压强感知薄膜200，压强感知薄膜200蒙设在压强传感器主体100的顶部开口上，以封闭顶部开口。压强感知薄膜200随压强传感器主体100中腔体内外的压强差发生形变，当腔体内压高于外压时压强感知薄膜200向外凸起，当腔体内压低于外压时压强感知薄膜200
向内凹陷。
47.在另一些实施例中，压强传感器主体100顶部开口处设有密封胶圈，当压强感知薄膜200蒙设在压强传感器主体100的顶部开口上时，可以增加密封效果，防止压强传感器主体100内的气体或液体泄露。
48.光纤光栅传感器300，沿径向粘贴设置在压强感知薄膜上200，光纤光栅传感器300的光栅设置在压强感知薄膜的中心。光纤光栅传感器300通过光学环氧树脂胶粘贴设置在压强感知薄膜200上。
49.光纤光栅传感器300具有抗干扰、灵敏度高、空间分辨率高、耐腐蚀等特性，因此能够在复杂的环境下测量压强大小。
50.在本实施例中，压强感知薄膜200受外部压强的变化发生凸起或凹陷，导致压强感知薄膜200表面应力变化，光纤光栅传感器300将应力变化转化为布拉格波长变化，以通过检测反射光的波长确定布拉格波长，并计算对应的压强。
51.光纤光栅传感器300的工作原理是：当光纤光栅传感器受到的应力发生变化，导致光纤光栅的栅距和折射率发生变化，从而使得布拉格波长发生变化。通过检测光纤光栅传感器300反射光的波长确定布拉格波长，从而根据布拉格波长就可以获得相应的压强信息。
52.进一步地，在本实施例中，基于光纤光栅的压强传感器的工作原理是：压强传感器主体100中腔体内外压强差变化导致压强感知薄膜200发生形变，使得压强感知薄膜200表面产生应力变化，光纤光栅传感器300将受到的应力变化转化为布拉格波长变化，通过反射光的波长确定布拉格波长，并根据布拉格波长的变化量计算出对应的压强。
53.在一些实施例中，压强感知薄膜200为聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的厚度为0.3mm-1mm。
54.在另一些实施例中，压强感知薄膜200采用纯钛、tc4钛合金或铍青铜制成。
55.在本实施例中，采用0.3mm的聚酰亚胺薄膜作为压强感知薄膜200，0.3mm的聚酰亚胺薄膜具有较高的拉伸强度，在压强传感器100中腔体内外压强差较大的情况下压强感知薄膜200仍然能够发生形变并且不会损坏，同时0.3mm的聚酰亚胺薄膜与其他材质的薄膜相比能够在相同的压差下产生更大的形变，使得压强感知薄膜200受到的应力变化更明显，从而光纤光栅传感器300能够更好地将应力变化转化为布拉格波长变化。
56.在一些实施例中，当测量气体压强时，压强传感器主体100内填充惰性气体。
57.在本实施例中，当测量气体压强时，压强传感器主体100内填充的惰性气体为氦气或氩气。由于惰性气体化学性质不活泼，因此用来作为保护气，以保证压强传感器主体100在巨大的压强差下不会损坏。
58.在另一些实施例中，压强传感器主体100内填充的惰性气体为氪气、氙气或氡气。
59.在一些实施例中，当测量液体压强时，压强传感器主体100内可以填充去离子水。例如，当在深海中测量水体压强时，在标准大气压下，向压强传感器主体100腔体内注入去离子水后将压强感知薄膜200蒙设在压强传感器主体100的顶部开口上，同时将光纤光栅传感器300沿径向粘贴设置在压强感知薄膜上200。将压强传感器主体100放入深海中时，当外界水体压强高于压强传感器主体100腔体内压强时，压强感知薄膜200向内凹陷产生应力，光纤光栅传感器300将受到的应力转化为布拉格波长变化，并根据压强计算公式算出水体压强；当外界水体压强低于压强传感器主体100腔体内压强时，压强感知薄膜200向外凸起
产生应力，光纤光栅传感器300将受到的应力转化为布拉格波长变化，并根据压强计算公式算出水体压强。
60.在另一些实施例中，当测量油液环境内部压强时，压强传感器主体100腔体内可以填充煤油。
61.本发明的另一个方面提供了一种压强检测方法，该方法包括步骤s101～s102：
62.步骤s101：获取关于传感器标准内部压强、各预设标准压强及各预设标准压强对应的布拉格波长变化量的标准压强函数。
63.步骤s102：将基于光纤光栅的压强传感器置于待测环境中，并检测得到待测布拉格波长变化量，将待测布拉格波长变化量代入标准压强函数计算得到待测环境的压强。
64.由于基于光纤光栅的压强传感器是预设的，其结构参数尺寸以及内部填充的预设介质的预设标准压强是已知的，在结构特性确定的情况下，标准压强函数不会再发生变化，所以，在一个设定的寿命周期内，本实施例中可以直接获取标准压强函数，进行压强检测。
65.在一些实施例中，获取关于传感器标准内部压强、各预设标准压强及各预设标准压强对应的布拉格波长变化量的标准压强函数之前，还包括步骤s201～s203：
66.步骤s201：将基于光纤光栅的压强传感器置于多个预设标准压强环境下，并分别检测各预设标准压强对应的布拉格波长变化量。
67.步骤s202：获取基于光纤光栅的压强传感器中，压强感知薄膜200不发生形变时内部的传感器标准内部压强。
68.步骤s203：根据传感器标准内部压强、各预设标准压强的压强值及各预设标准压强对应的布拉格波长变化量拟合得到标准压强函数。
69.基于光纤光栅的压强传感器在制造过程中，由于工艺偏差会导致一些性能差异。同时，在使用过程中设备受环境影响导致性能偏差，这导致压强传感器的标准压强函数会产生变化，在一些精度要求较高的场合中，就需要在使用前重新进行标定，重新确定标准压强函数，以保证测量的准确性。
70.具体的，本实施例基于光纤光栅的压强传感器在制造初期填充有预设介质，根据检测对象的差异，预设介质可以为气体或液体，气液种类也可以根据具体应用场景的需要进行设置。在填充预设介质后，压强传感器内部形成了标准内部压强，在外部压强变化时，压强感知薄膜会收到内外压差的变化产生形变，当腔体内压高于外压时压强感知薄膜200向外凸起，当腔体内压低于外压时压强感知薄膜200向内凹陷。光纤光栅传感器固定在压强感知薄膜200上，在形变作用下应力变化导致布拉格波长变化，布拉格波长的变化量能够反应外部环境与标准内部压强的压强差，通过建立这种映射关系可以实现对压强的检测。
71.实际应用过程中，可以采用压强传感器在几个已知压强的环境下进行检测布拉格波长变化量，从而建立布拉格波长变化量与外部压强的关系图，进一步拟合曲线建立该压强传感器的标准压强函数，则可以通过该标准压强函数计算外部压强。
72.通常情况下，压强传感器的内外压差与环境压强呈线性相关，所以布拉格波长变化量与环境压强也呈线性相关，标准压强函数可以写为：
73.y＝ax+b；
74.其中，y表示环境压强，x表示布拉格波长变化量，a、b为固定参数。
75.下面结合一具体实施例进行说明：
76.提供一种基于光纤光栅的气压传感器，其中，压强传感器主体100为底部封闭且顶部设有开口的圆柱形腔体，压强传感器主体100的腔体采用厚度为5mm不锈钢制作而成，压强感知薄膜200为0.3mm的聚酰亚胺薄膜，利用光学环氧树脂胶将光纤光栅传感器300固定在压强感知薄膜200上，将压强传感器主体100腔体内填充满氩气后，形成了该气压传感器的标准内部压强。将该气压传感器放置在几个已知气压的环境下进行检测，得到各预设标准气压对应的布拉格波长变化量，从而建立该气压传感器布拉格波长变化量与外部气压的关系图，如图2所示，进一步拟合曲线建立得到该气压传感器的标准压强函数。
77.其中，标准压强函数的计算公式为：
78.y＝0.01229x+1021；
79.其中，y表示外部气压，x表示光纤光栅的布拉格波长变化量，0.01229表示光栅的压敏系数，1021表示测量各预设标准压强时的实际气压为1021hpa。
80.综上所述，本发明所述基于光纤光栅的压强传感器及压强检测方法，在外界环境压力作用下与内部预设标准压强形成压差，使得压强感知薄膜发生向外凸起或向内凹陷的，采用光纤光栅传感器将压强感知薄膜的形变转化为布拉格波长变化，从而建立通过布拉格波长变化与压强变化的映射关系，以实现对外部压强的监测。光纤光栅传感器具有抗干扰、灵敏度高、空间分辨率高、耐腐蚀等特性，所以本发明所述压强传感器在复杂的环境下也能够准确地测量出压强大小。
81.进一步地，压强传感器主体采用不锈钢材料，可以保证压强传感器主体在较大的压强差下不会损坏。
82.进一步地，采用聚酰亚胺薄膜作为压强感知薄膜，聚酰亚胺薄膜具有良好的弹性形变能力，使得光纤光栅传感器在相同的压强差下布拉格波长变化更显著，从而提高了压强传感器的灵敏度。同时由于聚酰亚胺薄膜良好的弹性形变能力，因此本发明基于光纤光栅的压强传感器能够在高海拔低压地区使用。
83.进一步地，本发明提供的基于光纤光栅的压强传感器结构简单，易于安装并且体积小重量轻，方便测量携带。
84.与上述方法相应地，本发明还提供了一种装置，该装置包括计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该装置实现如前所述方法的步骤。
85.需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
86.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
87.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。