CN101532891A - 一种免受温度影响的光纤光栅压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免受温度影响的光纤光栅压力传感器，特征在于：将光纤光栅封装在一端开口的管状壳体中，光纤光栅的一端由管状壳体未开口端面中心的小孔穿出并单模光纤与光纤耦合器连接；光纤耦合器两侧共有四个端口，与光纤耦合器连接的一侧的另一个端口连接通过单模光纤置于光纤折射率匹配液中；光纤耦合器另一侧的两个端口，一端通过单模光纤连接宽带光源，一端通过单模光纤连接解调系统；封装光纤光栅采用将聚合物充填于管状壳体。仅利用一根光纤光栅作为压力敏感元件，同时能够避免环境温度变化对压力信号精确感知影响，而且还可以通过改变聚合物的弹性模量来改变光纤光栅反射光谱带宽的展宽量，进而改变该传感器的测量精度和量程。

Description

一种免受温度影响的光纤光栅压力传感器

技术领域

本发明涉及一种免受温度影响的光纤光栅压力传感器，属于传感器技术领域，特别涉及一种敏感元件为光纤光栅的压力传感器技术。

背景技术

随着光纤敏化技术的不断发展和光纤光栅写入技术的不断成熟，光纤光栅作为一种新型应变传感元件在传感技术领域得到广泛的应用。传统的压力传感器种类很多，如：基于半导体材料压阻效应的压阻式压力传感器，基于压力敏感电容器的电容式压力传感器，基于材料压电效应的压电式压力传感器等。这些压力传感器的共同特点是均为有源结构，因而容易受到环境电磁场的干扰，且压力响应速度慢，滞后性较大，灵敏度低，测量范围较窄，也难以应用于易燃、易爆和易腐蚀的环境中。以光纤光栅作为压力传感器的敏感元件，其特点是对传感信号的感应和传输均在光纤中完成，因而探头为无源结构，信号不受环境电磁场的影响，性能可靠，并且可以在高温、易燃、易爆及易腐蚀等极端环境下使用。然而，由于温度和压力的变化都将引起光纤光栅中心波长的移动，带来温度压力交叉敏感。因此，如何能够有效解决温度和压力的交叉敏感问题，即在测量压力的同时消除温度的影响是此类传感器实用化的关键。

孙安、乔学光等曾提出一种基于聚合物封装的光纤光栅压力传感器(孙安，乔学光，贾振安，郭团，陈长勇，耐高压光纤Bragg光栅压力传感技术研究，光子学报，2004，33(7))，其特点是，在封装光纤光栅之前，采用导热型有机硅胶进行涂覆固化，以减小封装材料与管状壳体之间的粘结与摩擦，防止在施压过程中出现光纤光栅的啁啾现象。但是，该结构在实际压力测量中还需添加温度补偿装置，方能保持测量的准确性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种免受温度影响的光纤光栅压力传感器，利用粗糙的管状壳体内壁与聚合物紧密粘结以增大光纤光栅的啁啾量，进而采用光纤光栅的带宽解调，由于温度改变不会影响带宽的变化，因此能够保证传感器免受温度的影响。

技术方案

本发明的基本思想是：将光纤光栅封装在聚合物中，在聚合物四周受限情况下，其裸露端因受均布压力而在其端面附近区域沿其中心轴线产生梯度应变，导致封装在该梯度应变区内的光纤光栅产生非均匀的轴向应变，从而使光纤光栅的反射光谱产生啁啾现象和带宽的展宽。与此同时，环境温度的变化只能引起光纤光栅中心反射波长的漂移，而不会带来反射光谱带宽的展宽。因此，通过解调反射光谱带宽信息即可得到压力值的大小。

本发明的特征在于：将光纤光栅1封装在一端开口的管状壳体3中，光纤光栅1的一端由管状壳体3未开口端面中心的小孔穿出并单模光纤9与光纤耦合器5连接；光纤耦合器5两侧共有四个端口，与光纤耦合器5连接的一侧的另一个端口连接通过单模光纤9置于光纤折射率匹配液8中；光纤耦合器5另一侧的两个端口，一端通过单模光纤9连接宽带光源6，一端通过单模光纤9连接解调系统7；封装光纤光栅1采用将聚合物2充填于管状壳体3。

所述的管状壳体3是：在空芯圆柱4的一端为采用螺纹连接的保护后盖11，保护后盖11的中心设有供单模光纤9通过的小孔。

光纤光栅的栅区部分封装在聚合物2的准线性梯度应变区域中，该区域距聚合物承压面10的范围为5-20mm。

有益效果

本发明的免受温度影响的光纤光栅压力传感器，仅利用一根光纤光栅作为压力敏感元件，同时能够避免环境温度变化对压力信号精确感知影响，而且还可以通过改变聚合物的弹性模量来改变光纤光栅反射光谱带宽的展宽量，进而改变该传感器的测量精度和量程。同时，该传感器具有结构简单、工艺上易于实现、测量范围大等优点，非常适合油井或深水等较大压力的传感测量。

附图说明

图1是光纤光栅在梯度应变下带宽调谐原理示意图。图1(a)和图1(b)分别对应封装聚合物受压前和受压后光纤光栅的周期变化特征。

图2是利用有限元法模拟计算得到的封装聚合物裸露端在均布压力作用下其轴向应变分布曲线。

图3是采用方式1的光纤光栅压力传感器结构图。

图4是采用方式2的光纤光栅压力传感器结构图。

1、光纤光栅；2、聚合物(聚氨酯或丙烯酸酯)；3、管状壳体；4、空芯圆柱；5、光纤耦合器；6、宽带光源；7.解调系统；8、折射率匹配液；9、单模光纤；10、聚合物承压面；11、保护后盖。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参阅附图2，封装聚合物裸露端在均布压力作用下，封装聚合物中出现一段线性的梯度应变区域，光纤光栅的栅区部分封装在该区域，从而使得光纤光栅的反射谱带宽的展宽量与均布压力的大小具有线性关系。

实施例1：参阅附图3，光纤光栅采用光纤布拉格光栅1，将光纤布拉格光栅1封装在一端开口的金属管状壳体3中，光纤光栅1的一端由管状壳体3未开口端面中心的小孔穿出并单模光纤9与2×2的3dB光纤耦合器5连接；光纤耦合器5两侧共有四个端口，与光纤耦合器5连接的一侧的另一个端口连接通过单模光纤9置于光纤折射率匹配液8中；光纤耦合器5另一侧的两个端口，一端通过单模光纤9连接宽带光源6，一端通过单模光纤9连接解调系统7；封装光纤光栅1采用将聚合物丙烯酸酯2充填于管状壳体3。

装配步骤如下：(1)加工一个管状壳体甲3并使其内壁保持粗糙，以利于封装的聚合物2能够与其紧密粘结；(2)去掉光纤光栅1待封装部分的涂覆层，这样可有效避免光纤光栅1被拉伸后中心波长的反向漂移；(3)将光纤光栅1置于管状壳体3中心轴线上并对其进行预拉伸，然后将配好的聚合物2填充在管状壳体3内；(4)在填充的聚合物2固化后，对该传感器进行定标测量。测量时，宽带光源6发出的光经光纤耦合器5到达封装在聚合物2中的光纤光栅1，反射信号后通过光纤耦合器5到达解调系统7。同时在聚合物承压面10上施加均布压力，测量光纤光栅1反射谱的带宽展宽量，最终通过带宽的展宽量得到施加的压力值大小。

实施例2：参阅附图4，采用封装方式2的光纤光栅压力传感器结构图。封装步骤如下：(1)加工合金管状壳体4和保护后盖11，使两者可以通过密封螺纹来连接，同样管状壳体4的内壁磨成粗糙面；(2)去掉光纤布拉格光栅1封装部分的涂覆层；(3)放置光纤光栅1于管状壳体4中心轴线上并对其进行预拉伸，然后将配好的聚合物聚氨酯2封装在管状壳体4内；(4)将保护后盖11加在管状壳体4上，封装的聚合物2固化后进行定标测量。其测量方法与图3所示的相同。

比较图3所示的实施例1和图4所示的实施例2可以得出：两者的主要区别在于封装方式的不同。对于实施例1，封装相对较简单，但是难以控制聚合物的封装厚度和封装位置；对于实施例2，由于封装聚合物固化前为流体，因此封装相对复杂，但是容易控制聚合物的封装厚度和封装位置，且容易去除封装的聚合物，从而利于光纤光栅和管状壳体的重复利用。在实际应用中可以根据具体情况选择合适的封装方式。

Claims (4)

1.一种免受温度影响的光纤光栅压力传感器，其特征在于：将光纤光栅(1)封装在一端开口的管状壳体(3)中，光纤光栅(1)的一端由管状壳体(3)未开口端面中心的小孔穿出并单模光纤(9)与光纤耦合器(5)连接；光纤耦合器(5)两侧共有四个端口，与光纤耦合器(5)连接的一侧的另一个端口连接通过单模光纤(9)置于光纤折射率匹配液(8)中；光纤耦合器(5)另一侧的两个端口，一端通过单模光纤(9)连接宽带光源(6)，一端通过单模光纤(9)连接解调系统(7)；封装光纤光栅(1)采用将聚合物(2)充填于管状壳体(3)。

2.根据权利要求1所述的免受温度影响的光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的管状壳体(3)是：在空芯圆柱(4)的一端为采用螺纹连接的保护后盖(11)，保护后盖(11)的中心设有供单模光纤(9)通过的小孔。

3.根据权利要求1或2所述的免受温度影响的光纤光栅压力传感器，其特征在于：光纤光栅的栅区部分封装在聚合物(2)的准线性梯度应变区域中，该区域距聚合物承压面(10)的范围为5-20mm。

4.根据权利要求1～所述的任一种免受温度影响的光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述聚合物为丙烯酸酯或聚氨酯。

Images