一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器，适于检测管道内的液体压力和温度分布，特别适合于管路折弯或节流孔前后流体压力和温度的精确检测，包括骨架，所述骨架由两个相互对称设置的金属片组成，所述金属片设为纵向长横向短的薄片结构，其中一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设纵向沟槽，设为阴面金属片。本实用新型专利技术根据鱼体的仿生学原理，设计有两个金属片组成的骨架、测温金属丝和骨架内测温金属腔，在阴面金属片的中轴线内外设置光纤光栅，利用金属片正反变形原理消除温度对光栅的影响，实现温度自补偿的压力检测；通过测温金属丝和特殊结构的测温腔封装，消除外在压应力、内部热应力、冲击惯性力对光栅的影响，实现温度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器
本技术涉及光纤传感
和液压检测
，具体涉及一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器。
技术介绍
光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件，由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。普通的光纤光栅在裸露的情况下抗拉、抗折性能较差，所以对光纤光栅进行封装保护是十分必要的。因光纤光栅耐温性较差，如果工作温度高于光纤光栅耐热温度，光栅的中心波长就会产生较大飘移，导致光纤光栅通过线性拟合的标定办法，量程受限。目前，对液压管路内压力或温度进行检测时，通常采用在管路径向开检测工艺孔，以及在管路径向侧壁安装压力或温度传感器探头的方法，但这种方法存在一定的问题：第一，破坏管路侧壁结构；第二，径向传感器探头破坏了内壁液流的层流形态，增加了液流内部扰动；第三，螺旋管路的内外侧流速不同，压力状态不同，采用固定的压力传感器探头的方法难以准确测量管路内的压力分布和变化规律。而对于管路内液体压力测量多数是利用光纤光栅原理进行，但采用光纤光栅压力传感器进行压力测量时，存在承载小，测量压力范围较小的问题。为此，目前通常采用悬臂梁放大原理对压力传感器进行封装，以解决传感器承载小的问题。但这同时又会产生传感器体积增大的问题；并且对传感器进行封装并不能解决其测量压力范围较小的问题，即该种压力传感器的量程仍然满足不了工程液压机械的实际需求。光纤光栅温度传感器最大的特点是可以串接多个传感器实现分布式测温，单根光纤上最多可以串联35个温度传感器，极大的减少了布线数量，既简单可靠又经济。现有光纤光栅温度传感器在工程结构在应用时，遇到两类问题，一是光纤光栅温度传感器本身强度的问题，二是时间响应的问题，高强度必然导致大的封装壳体厚度，从而影响对环境温度的响应速度；为提高响应速度，就要减小封装管的厚度，这又使得保护强度降低。在现有技术中，光纤光栅温度传感器的封装结构尚不能同时具备较强的保护强度和较快的响应速度。专利技术(CN201010141147.4一种光纤光栅温度传感器)通过采用金属、玻璃或陶瓷材料制成封装管进行封装保证了对光纤光栅具有较强的保护强度；但由于光栅主要通过感应封装管内密闭气体的热量来感知封装管外部的环境温度，容易在高温时受到内部气体的膨胀压力而产生光栅形变，也容易在环境温度下降时，内部的散热速度受到影响而导致响应的滞后，而且这种传感器只能检测温度，而不能同时检测同一环境下的压力。因此，亟需一种能够实现液压管内较高精度的温度和压力分布的检测系统，用于管路内油温的高精度检测和管路多点管壁无损的内部压力数据的采集，而这种技术主要依赖于传感器和标定检测办法的创新，以推动液压管路的深入研究和优化，本技术揣测鱼类对液体压力和温度的神经感知原理，结合水中鱼体结构，主要创新仿生鱼型压力和温度传感器。
技术实现思路
本技术提供了一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器，其结构设计合理，根据鱼体的仿生学原理，设计有鱼骨形的金属片，并且在金属片的中轴线内外两侧设置光纤光栅传感器，在低压时起到一个应变膜片的作用，在金属片的“鱼际线”两侧位置设置两根光纤，利用两个光栅传感器正反变形原理消除温度影响，从而实现温度自补偿的压力的检测；本技术充分利用计算机大容量高速度运算的特性，克服传感器标定中用线性拟合的方法造成的信息丢失而无法扩大检测量程的问题，从而扩大了目前的光纤光栅传感器检测压力的范围，解决了现有技术中存在的问题，并且利用了鱼体的亚对称结构，在另一侧通过突出到外侧的胡须状的测温金属丝将温度传导到内置于骨架内测温腔腔壁，再由测温腔腔壁上的隔板和测温腔腔内的导热硅油传导给测温光栅增敏件，而光纤光栅固定在测温光栅增敏件上，增强了光纤光栅对环境温度变化采集的及时性，也提高了对温度信号的灵敏度系数；同时，由于隔板和测温腔腔壁的弹性模量远大于周围气囊和弹性体骨架的弹性模量，极大减缓了鱼体外部的压力应变对测温金属壳内的测温光栅增敏件上的光栅的纵向变形的干扰，另一方面，又由于测温光栅增敏件仅一处弧形横截面和隔板固定连接，即使由于外在应力造成隔板有微小变形，也对弧形瓦状的测温光栅增敏件纵轴线上粘贴的光纤的纵向变形量造不成影响，从而避免了外在压力对测温金属壳内的测温光栅增敏件上的光栅的纵向变形的干扰，进而克服了外在应力引起的变形对测量温度的光纤光栅的纵向信号的交叉干扰；再者，由于测温光栅增敏件纵向变形时仅一端固定，另一端自由悬置，克服了热胀冷缩引起的内在热应力变形对测量温度的光纤光栅的纵向信号的交叉干扰，从而起到了光纤光栅对温度的高精度检测；最后，为了充分利用上述温度信号采集的信息，扩大阴面金属片两侧的光纤光栅组对压力的检测量程，利用阳面金属片外侧的光纤光栅能够同时检测管道内液体的压力和温度数据，并通过温度数据的采集后的查表反算，实现了阳面金属片外侧的光纤光栅对压力的测量。本技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器，适于检测管道内的液体压力和温度，包括：骨架，所述骨架由两个相互对称设置的金属片组成，所述金属片设为纵向长横向短的薄片结构，其中一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设纵向沟槽，设为阴面金属片；另一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设沿纵向外凸的筋槽，设为阳面金属片；阳面金属片和阴面金属片的中间部分分别向外隆起设置，使两个金属片之间形成一个空腔，所述空腔内设有类似鱼泡的气囊，所述气囊和金属片之间设有填充物；直接测压单元，所述直接测压单元包括一号光纤和二号光纤，所述一号光纤和二号光纤沿所述阴面金属片内外两侧壁的纵轴线对称设置，所述一号光纤和二号光纤对应所述阴面金属片的中部对称刻录光栅，且一号光纤和二号光纤上的光栅特征值相同；在骨架受到管道内液体压力时，一号光纤和二号光纤上的光栅沿所述骨架的纵向发生正反两种变形，实现温度自补偿的压力检测；测温单元，所述测温单元包括设置在空腔内的测温金属壳，所述测温金属壳和阳面金属片的内壁相连形成测温腔，所述测温腔内设有至少两个和测温金属壳内壁相连的隔板，所述测温腔内设有测温光栅增敏件，所述测温光栅增敏件的一端和其中一个隔板固连，所述测温光栅增敏件的另一端从另外的隔板穿过悬置设置，使测温光栅增敏件能够发生热胀冷缩时能自由伸缩，所述测温腔内设有导热介质，使测温光栅增敏件浸没于导热介质中，所述测温光栅增敏件和三号光纤相连，所述三号光纤对应测温光栅增敏件的位置刻录光栅，所述三号光纤上的光栅与测温光栅增敏件紧密粘贴在一起，并和一号光纤、二号光纤上的光栅特征值相同，所述三号光纤穿过测温金属壳设置，所述测温金属壳和测温金属丝相连，所述测温金属丝穿过骨架向外延伸设置；间接测压单元，所述间接测压单元包含四号光纤，所述四号光纤沿所述阳面金属片的外侧壁的纵轴线设置，四号光纤对应所述阳面金属片的中部刻录光栅，且所述四号光纤上的光栅和一号光纤、二号光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器，适于检测管道内的液体压力和温度，其特征在于，包括：/n骨架，所述骨架由两个相互对称设置的金属片组成，所述金属片设为纵向长横向短的薄片结构，其中一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设纵向沟槽，设为阴面金属片；另一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设沿纵向外凸的筋槽，设为阳面金属片；阳面金属片和阴面金属片的中间部分分别向外隆起设置，使两个金属片之间形成一个空腔，所述空腔内设有类似鱼泡的气囊，所述气囊和金属片之间设有填充物；/n直接测压单元，所述直接测压单元包括一号光纤和二号光纤，所述一号光纤和二号光纤沿所述阴面金属片内外两侧壁的纵轴线对称设置，所述一号光纤和二号光纤对应所述阴面金属片的中部对称刻录光栅，且一号光纤和二号光纤上的光栅特征值相同；在骨架受到管道内液体压力时，一号光纤和二号光纤上的光栅沿所述骨架的纵向发生正反两种变形，实现温度自补偿的压力检测；/n测温单元，所述测温单元包括设置在空腔内的测温金属壳，所述测温金属壳和阳面金属片的内壁相连形成测温腔，所述测温腔内设有至少两个和测温金属壳内壁相连的隔板，所述测温腔内设有测温光栅增敏件，所述测温光栅增敏件的一端和其中一个隔板固连，所述测温光栅增敏件的另一端从另外的隔板穿过悬置设置，使测温光栅增敏件能够发生热胀冷缩时能自由伸缩，所述测温腔内设有导热介质，使测温光栅增敏件浸没于导热介质中，所述测温光栅增敏件和三号光纤相连，所述三号光纤对应测温光栅增敏件的位置刻录光栅，所述三号光纤上的光栅与测温光栅增敏件紧密粘贴在一起，并和一号光纤、二号光纤上的光栅特征值相同，所述三号光纤穿过测温金属壳设置，所述测温金属壳和测温金属丝相连，所述测温金属丝穿过骨架向外延伸设置；/n间接测压单元，所述间接测压单元包括四号光纤，所述四号光纤沿所述阳面金属片的外侧壁的纵轴线设置，四号光纤对应所述阳面金属片的中部刻录光栅，且所述四号光纤上的光栅和一号光纤、二号光纤、三号光纤上的光栅特征值相同；/n将四个不同编号的光纤从骨架两端按顺序组成光缆，光缆和四通道的光纤连接器相连；/n表皮，所述表皮封装在骨架和光缆外部，所述表皮和管道内的液压介质材料相容；所述测温金属丝穿过骨架和表皮后向外延伸设置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器，适于检测管道内的液体压力和温度，其特征在于，包括：
骨架，所述骨架由两个相互对称设置的金属片组成，所述金属片设为纵向长横向短的薄片结构，其中一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设纵向沟槽，设为阴面金属片；另一个金属片沿其纵向中轴线两侧对称开设沿纵向外凸的筋槽，设为阳面金属片；阳面金属片和阴面金属片的中间部分分别向外隆起设置，使两个金属片之间形成一个空腔，所述空腔内设有类似鱼泡的气囊，所述气囊和金属片之间设有填充物；
直接测压单元，所述直接测压单元包括一号光纤和二号光纤，所述一号光纤和二号光纤沿所述阴面金属片内外两侧壁的纵轴线对称设置，所述一号光纤和二号光纤对应所述阴面金属片的中部对称刻录光栅，且一号光纤和二号光纤上的光栅特征值相同；在骨架受到管道内液体压力时，一号光纤和二号光纤上的光栅沿所述骨架的纵向发生正反两种变形，实现温度自补偿的压力检测；
测温单元，所述测温单元包括设置在空腔内的测温金属壳，所述测温金属壳和阳面金属片的内壁相连形成测温腔，所述测温腔内设有至少两个和测温金属壳内壁相连的隔板，所述测温腔内设有测温光栅增敏件，所述测温光栅增敏件的一端和其中一个隔板固连，所述测温光栅增敏件的另一端从另外的隔板穿过悬置设置，使测温光栅增敏件能够发生热胀冷缩时能自由伸缩，所述测温腔内设有导热介质，使测温光栅增敏件浸没于导热介质中，所述测温光栅增敏件和三号光纤相连，所述三号光纤对应测温光栅增敏件的位置刻录光栅，所述三号光纤上的光栅与测温光栅增敏件紧密粘贴在一起，并和一号光纤、二号光纤上的光栅特征值相同，所述三号光纤穿过测温金属壳设置，所述测温金属壳和测温金属丝相连，所述测温金属丝穿过骨架向外延伸设置；
间接测压单元，所述间接测压单元包括四号光纤，所述四号光纤沿所述阳面金属片的外侧壁的纵轴线设置，四号光纤对应所述阳面金属片的中部刻录光栅，且所述四号光纤上的光栅和一号光纤、二号光纤、三号光纤上的光栅特征值相同；
将四个不同编号的光纤从骨架两端按顺序组成光缆，光缆和四通道的光纤连接器相连；
表皮，所述表皮封装在骨架和光缆外部，所述表皮和管道内的液压介质材料相容；所述测温金属丝穿过骨架和表皮后向外延伸设置。


2.根据权利要求1所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器，其特征在于，两个所述金属片的纵向两端位置具有间隙，所述间隙的尺寸受两个金属片变形影响而发生变化，所述间隙的最小尺寸不小于所述光纤的直径尺寸。


3.根据权利要求2所述的一种鱼型光纤光栅压力和温度传感器，其特征在于，所述阳面金属片设有外凸的筋槽，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪涛，黄爱武，王一烁，
申请(专利权)人：潍坊嘉腾液压技术有限公司，
类型：新型
国别省市：山东;37