一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器及测量方法，该传感器包括底部开口的薄壁筒、封装在薄壁筒外部的保护外壳，所述薄壁筒和保护外壳之间存在间隙；所述薄壁筒外表面固定有第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一和第二光纤光栅的光纤尾纤穿出保护外壳的顶部，所述薄壁筒的横截面为由两条直线边和分别连接两条直线边两端的两个半圆弧围成的类椭圆形，所述第一光纤光栅沿薄壁筒轴线方向固定在薄壁筒的直线边所在面的中央，所述第二光纤光栅沿薄壁筒轴线方向固定在薄壁筒的半圆弧所在面的中央，且第一和第二光纤光栅的中心与薄壁筒的中心位于同一高度上，本发明专利技术所公开的传感器结构新颖、灵敏度高、测量结果可靠、应用广。

A fiber Bragg grating sensor and its measurement method for measuring temperature and pressure at the same time

The invention discloses a fiber Bragg grating sensor and a measuring method which can simultaneously measure temperature and pressure. The sensor comprises a thin-walled cylinder with a bottom opening, a protective shell enclosed outside the thin-walled cylinder, and a gap between the thin-walled cylinder and the protective shell; the outer surface of the thin-walled cylinder is fixed with a first fiber grating and a second fiber grating, and the light of the first and second fiber gratings The tail fiber passes through the top of the protective shell. The cross section of the thin-walled tube is a kind of ellipse surrounded by two straight edges and two semicircle arcs connecting two straight edges. The first fiber grating is fixed in the center of the straight edge of the thin-walled tube along the axis direction of the thin-walled tube, and the second fiber grating is fixed in the semicircle of the thin-walled tube along the axis direction of the thin-walled tube The center of the first and second fiber gratings is at the same height as the center of the thin-walled tube. The sensor disclosed in the invention has novel structure, high sensitivity, reliable measurement results and wide application.

【技术实现步骤摘要】
一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器及测量方法
本专利技术涉及一种光纤光栅传感器，特别涉及一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器及测量方法。
技术介绍
压力是一个重要的物理参数，在海洋，国防，石化，医疗，航空，电力等领域有着重要的测量价值。通过压力测量，我们可以了解设备的安全状况，系统的运行状态，环境的变化情况以及海下某一位置的深度等。现有的压力传感器多为电式传感器，在抗电磁干扰，使用安全性，信号远距离传输等方面存在一些问题，因而在强电磁干扰，易燃易爆，远距离参数监控等场合使用受限。而基于光信号的光纤压力传感器，既有传感器的本质安全性，又可实现信号的远距离传输而不受干扰。现在常用的光纤压力传感器主要有光纤光栅式压力传感器和光纤法布里珀罗式压力传感器。光纤法布里珀罗式压力传感器体积较小、结构简单，常用于单点式压力测量，但不适合传感器的分布式测量。光纤光栅是一种工艺成熟、性能稳定的光纤传感器件，且光纤光栅传感器便于分布式测量，在实际生产生活中已有大量应用。由于光纤光栅本身的压力灵敏度较低(仅约0.003nm/MPa)，为了实现高分辨力的压力测量，很多相关设计方案借用不同的增敏结构来提高光纤压力传感器的灵敏度。现有的压力增敏结构有膜片式、薄壁筒式、聚合物包覆式及弹簧管式等结构。然而，膜片式压力传感器往往需要配合金属化封装，制作工艺比较复杂，成本比较高；弹簧管式光栅压力传感器需要零件间的可靠配合，否则容易出现零点漂移问题；聚合物式压力传感器则存在长期使用时的老化和蠕变问题。大连理工大学的申人升等人专利技术了一种薄壁应变筒式的光纤光栅压力传感器(参考专利：内弧形顶薄壁应变筒投入式光纤Bragg光栅压力传感器，公开号：CN101266179)，这种传感器由金属薄壁内筒，金属厚壁外筒，压力测量光栅，温补光栅和密封垫构成。根据文中表述，该种传感器金属薄壁内筒的横截面为圆形，压力灵敏度仅为0.033nm/MPa，在应用于一些灵敏度要求较高的场合时不能满足需求。此外，该方案中将温补光栅固定于薄壁圆筒的顶端，而压力光栅沿薄壁筒轴向固定于筒壁外侧，因为两个光纤光栅空间方位垂直，距离较远，导致两光栅所处位置温度梯度过大，解耦响应时间过长，且位于薄壁筒顶部外侧的温补光栅容易受到外界温度的干扰。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器及测量方法，灵敏度高、温度响应快、水密性好，结构简单，可应用于管道压力、海水深度(压力)等的测量。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器，包括底部开口的薄壁筒、封装在薄壁筒外部的保护外壳，所述薄壁筒和保护外壳之间存在间隙；所述薄壁筒外表面固定有第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅的光纤尾纤穿出保护外壳的顶部，所述薄壁筒的横截面为由两条直线边和分别连接两条直线边两端的两个半圆弧围成的类椭圆形，所述第一光纤光栅沿薄壁筒的轴线方向固定在薄壁筒的直线边所在面的中央，所述第二光纤光栅沿薄壁筒的轴线方向固定在薄壁筒的半圆弧所在面的中央，且第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心与薄壁筒的中心位于同一高度上。上述方案中，所述薄壁筒底部外缘一体连接有环形固定盘，所述保护外壳底部外缘为凹槽结构，所述环形固定盘嵌入所述凹槽内，且两者之间通过螺栓连接，所述环形固定盘和保护外壳底部外缘相同位置上开设压力固定孔，可以用螺栓将传感器固定于压力校验平台上，用于传感器的测试。上述方案中，所述保护外壳顶部开设螺纹孔，所述螺纹孔底部开设与所述间隙联通的尾纤引出孔，所述螺纹孔内通过螺纹连接有压紧装置，所述压紧装置与螺纹孔底部之间设有石墨密封垫片，所述压紧装置后端通过连接套管连接尾椎管，所述光纤尾纤从尾纤引出孔中穿出，依次穿过石墨密封垫片、压紧装置、连接套管和尾椎管。尾锥管用于光纤的引出并可防止光纤过度弯曲导致光纤光传输损耗增加。通过使用石墨密封垫片与压紧装置相配合，可以实现对尾纤引出孔的有效密封。其原理是随着压紧装置给石墨密封垫片施加力时，会导致石墨密封垫片发生形变，进而石墨充满尾纤引出孔，实现对尾纤引出孔的密封。进一步的技术方案中，所述压紧装置与连接套管之间通过螺纹连接。进一步的技术方案中，所述连接套管外壁设有环形卡槽，所述连接套管通过环形卡槽与尾椎管连接。上述方案中，所述保护外壳和薄壁筒之间的间隙为真空状态，避免传感器因所处海拔或地理位置不同而引入的大气压力误差。进一步的技术方案中，所述薄壁筒和保护外壳的连接处填充有硅橡胶。一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器的测量方法，测量时将该光纤光栅传感器连接于待测的管道上或者投入海水中，使得被测介质进入薄壁筒的空腔内，薄壁筒因内外两侧压力不同会产生形变，并传递到第一光纤光栅和第二光纤光栅上，第一光纤光栅受到正应变表现为中心波长的红移，第二光纤光栅表现为中心波长蓝移。利用如下解耦方程计算被测介质的温度与压力：其中，KT1，KT2，KP1，KP2分别为第一光纤光栅和第二光纤光栅的温度系数与压力系数，通过实验可测得；Δλ1和Δλ2分别是第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长移动量；T和P分别为待测介质的温度和压力。通过上述技术方案，本专利技术提供的可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器的薄壁筒是一种截面为类椭圆形的筒状结构，这种结构的内侧与被测介质直接接触，用于压力的引入；外侧与参考压力介质(抽真空处理)相接触，当筒壁两侧压力不同时，筒壁上会产生应变，所述筒壁截面直边所在的面(正面)会被拉伸，截面圆弧所在的面(侧面)会发生收缩，导致位于正面的光纤光栅随着压力的增加受到的应变增大，而位于侧面的光纤光栅受到的应变则减小。两个光纤光栅因固定位置形变特性不同导致波长发生不同的移动，两个光纤光栅之间的压力特性存在差异。获取两个光纤光栅的温度与压力特性之后，通过数据处理即可实现温度与压力数据的同时获取。本专利技术的光纤光栅传感器的优点在于：本专利技术通过改进薄壁筒的形状导致的增敏结构提高了传感器的压力灵敏度；将两个光纤光栅沿轴向固定于薄壁筒外壁中央位置，提高了两个光纤光栅的温度一致性和响应速度；通过石墨垫片解决了尾纤引出孔处的密封问题，避免了薄壁筒和保护外壳之间的参考介质(本专利技术为抽真空)受到外界压强的影响，提高了传感器的水密性，从而提高了传感器的环境适应性。通过实验测试，本专利技术传感器在0～1Mpa范围内的压力灵敏度达1.198nm/MPa，解决了温度交叉敏感问题，实现了温度和压力的同步测量；并且本专利技术的传感器封装水密性好，不仅可以应用于管道压力的测量，也可应用于海水压力测量，进而根据海水深度与压力的线性对应关系，得到海水深度数值。该传感器应用场合广泛，市场潜力巨大。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术实施例所公开的一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器轴向剖视图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器，包括底部开口的薄壁筒、封装在薄壁筒外部的保护外壳，所述薄壁筒和保护外壳之间存在间隙；所述薄壁筒外表面固定有第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅的光纤尾纤穿出保护外壳的顶部，其特征在于，所述薄壁筒的横截面为由两条直线边和分别连接两条直线边两端的两个半圆弧围成的类椭圆形，所述第一光纤光栅沿薄壁筒的轴线方向固定在薄壁筒的直线边所在面的中央，所述第二光纤光栅沿薄壁筒的轴线方向固定在薄壁筒的半圆弧所在面的中央，且第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心与薄壁筒的中心位于同一高度上。/n

【技术特征摘要】
1.一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器，包括底部开口的薄壁筒、封装在薄壁筒外部的保护外壳，所述薄壁筒和保护外壳之间存在间隙；所述薄壁筒外表面固定有第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅的光纤尾纤穿出保护外壳的顶部，其特征在于，所述薄壁筒的横截面为由两条直线边和分别连接两条直线边两端的两个半圆弧围成的类椭圆形，所述第一光纤光栅沿薄壁筒的轴线方向固定在薄壁筒的直线边所在面的中央，所述第二光纤光栅沿薄壁筒的轴线方向固定在薄壁筒的半圆弧所在面的中央，且第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心与薄壁筒的中心位于同一高度上。


2.根据权利要求1所述的一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器，其特征在于，所述薄壁筒底部外缘一体连接有环形固定盘，所述保护外壳底部外缘为凹槽结构，所述环形固定盘嵌入所述凹槽内，且两者之间通过螺栓连接，所述环形固定盘和保护外壳底部外缘相同位置上开设压力固定孔。


3.根据权利要求1所述的一种可同时测量温度和压力的光纤光栅传感器，其特征在于，所述保护外壳顶部开设螺纹孔，所述螺纹孔底部开设与所述间隙联通的尾纤引出孔，所述螺纹孔内通过螺纹连接有压紧装置，所述压紧装置与螺纹孔底部之间设有石墨密封垫片，所述压紧装置后端通过连接套管连接尾椎管，所述光纤尾纤从尾纤引出孔中穿出，依次穿过石墨密封垫片、压紧装置、连接套管和尾椎管。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵强，陈世哲，郑洪坤，吕日清，张可可，郑良，赵勇，刘世萱，李磊，赵健，穆壮壮，闫星魁，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37