CN106153124B - 一种光纤温压一体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤温压一体传感器，其特征在于:包括光源、环形器、光谱分析仪和感应模块；所述光源通过光纤连接环形器，环形器分别连接感应模块和光谱分析仪；所述感应模块为圆柱形壳体，所述壳体内部包括腔体和光纤光栅，所述腔体由空腔A、空腔B和隔层组成；所述隔层设于空腔A和空腔B之间；所述腔体表面粘贴有串联熔接在一起的FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅，FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅分别粘贴于对应空腔A以及空腔B的大小径位置。本发明光纤温压一体传感器可以同时进行温度和压力的测量，同时解决温度和压力的交叉敏感，提高传感器的测量精度。

Description

一种光纤温压一体传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，尤其是一种光纤温压一体传感器。

背景技术

温度传感器和压力传感器可以说是传感器行业使用得最大的两种传感器，而且温度传感器和压力传感器经常一起使用。每次需要测量压力和温度的时候都需要安装压力传感器和温度传感器，十分不方便。尤其是在空间有限的地方，温度传感器和压力传感器会占用很多的空间；关于温度和压力的共同测量的传感器的实现变得越来越重要。

光纤光栅传感器是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一，与传统电类传感器相比，光纤光栅传感器具有结构简单、可靠性好、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强、可进行大面积的多点测量等优点；可以实现多物理参量，如温度、压力、流量等的同时区分测量，克服传统传感器成本高、测量精度低以及多个参量间相互串扰的缺点；光纤光栅传感器可用于温度和压力的共同测量，但同时由于光纤光栅对温度和应变同时敏感，光纤光栅中心波长的变化往往决定于外界应变与温度的同时作用，在不同应力作用下及不同温度下的光弹性不同，应变和温度对光纤光栅的作用是耦合的，检测单个光纤的波长变化无法对应变和温度加以区分。

对于光纤光栅的交叉敏感问题，现在大部分采用两个或两个以上的光纤光栅组合来克服，这种方法需要两个解调光源、两个光谱分析仪，不仅增加成本，并且给光纤光栅传感器的实际应用带来不便，失去光纤光栅传感器特有的波长编码特性的优点；同时所采用的光纤光栅的测量方法计算非常复杂，计算量多，需要测量的参数很多，而且测量的精度和计算的精度都不是很好，无法达到高精度测量的目的。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种简单方便能够解决温度和压力的同时测量，以及在同时测量中将温度和压力的应变区分，解决交叉敏感问题的光纤温压一体传感器。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一种光纤温压一体传感器，包括光源、环形器、光谱分析仪和感应模块；所述光源通过光纤连接环形器，环形器分别连接感应模块和光谱分析仪；所述感应模块为圆柱形壳体，所述壳体内部包括腔体和光纤光栅，所述腔体由空腔A、空腔B和隔层组成；所述隔层设于空腔A和空腔B之间，隔层上设置有进出口M；所述空腔B为凸形空腔，包括大径空腔和小径空腔，空腔B隔层对面的腔壁上设置有进出口N；所述腔体表面粘贴有串联熔接在一起的FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅，FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅分别粘贴于对应空腔A以及空腔B的大小径位置。

以上结构，检测气体或液体从进出口M和进出口N进入空腔中，腔体的腔壁在所测气体或液体的压力和温度作用下发生形变，并传递到光纤光栅中，带动FBG产生形变，引起波长的漂移，通过光谱分析仪测得波长漂移，根据对应关系，就能计算压力和温度。

本发明一种光纤温压一体传感器，所述光谱分析仪连接计算机，进行数据处理。

本发明一种光纤温压一体传感器，所述空腔A的腔壁厚度和空腔B中大径空腔的腔壁厚度相同；所述粘贴剂为氰基丙烯酸酯502-1粘合剂。

以上结构，当受到压力和温度时，由于应变的传递作用，带动FBG产生形变，FBG2和FBG3粘贴在同种材料上，由温度引起的波长漂移量相同，空腔B的内壁厚度不同，传递的应变量不同，FBG产生的形变量不同，进而布拉格波长漂移量不同，通过测量波长漂移量，可以求得压力；FBG1和FBG2的厚度相同，由压力引起的波长漂移量相同，由于FBG1和FBG2粘贴在不同种材料上，FBG产生的形变量不同，进而布拉格波长漂移量不同，通过测量波长漂移量，可以求得温度。

本发明一种光纤温压一体传感器，所述空腔A的腔壁为10MoWVNb合金层，空腔B的腔壁为镍基高弹性合金层。

以上结构，10MoWVNb合金和镍基高弹性合金都具有很高的弹性灵敏度和温度膨胀性，可以在压力和温度作用下产生较为明显的形变，从而有利于测量。

本发明一种光纤温压一体传感器，所述镍基高弹性合金的化学成分包括：Be：1.9-2.5wt％,Ti：0.4-0.6wt％,Fe：0.3wt％,Cu：0.1wt％,Al：0.1wt％,Si：0.05wt％,Mn：0.03wt％,C：0.03wt％,S：0.01wt％,P：0.01wt％，余量为Ni和不可避免的杂质。

以上镍基高弹性合金，具有抗疲劳、抗高温软化、抗应力衰减和耐腐蚀性，有很高的力学性能和弹性性能，在压力和温度作用下能够产生明显的形变。

本发明一种光纤温压一体传感器，还包括光纤温压一体传感器的制作方法：以10MoWVNb合金为材料制作凹形腔体A，其内腔为方形空腔A,以镍基高弹性合金为材料制作凹形腔体B，其内腔经过制作为凸形空腔B，将隔层和凹形腔体A的开口处通过粘合剂粘贴在一起，在隔层上开个进出口M，同时在隔层另一面通过粘合剂粘贴凹形腔体B，在空腔B隔层对面的腔壁上设置有进出口N；在腔体表面通过氰基丙烯酸酯502-1粘合剂粘贴串联熔接在一起的FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅，所述FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅对应粘贴部位分别为空腔A以及空腔B的大小径空腔；将腔体固定在壳体中。

本发明一种光纤温压一体传感器，还包括光纤温压一体传感器的测量方法，其包括以下几个步骤：

步骤一：从光源发出宽带光，进入环行器的端口；

步骤二：光从环行器的出射端口出来，进入感应模块；

步骤三：在感应模块的调制后，反射回环行器，再从另一个端口射出；

步骤四：光谱分析仪接收出射光，进行光谱分析，得到FBG1、FBG2和FBG3分别对应的峰值波长λ₁、λ₂和λ₃，将分析结果上传到计算机；

步骤五：计算机根据公式计算温度，根据计算压力，K_P为传感器的压力灵敏度，K_T为传感器的温度灵敏度，λ₀为初始波长，λ₁为FBG1的峰值波长，λ₂为FBG2的峰值波长，λ₃为FBG3的峰值波长。

以上方法，温度和压力都能对传感器产生形变作用，在设定相同温度作用时，通过不同压力作用产生的变化的测量，得到压力与变化的关系，同时在设定相同压力作用时，通过不同温度作用产生的变化量的测量，得到温度与变化的关系，就可以同时测得压力和温度的大小，所用的方法运算简单，结果精确，能够同时测量温度和压力。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、温度和压力的同时测量的实现，光纤光栅传感器通过单光纤上不同段光栅在温度和压力的间接作用下发生波长漂移，根据波长漂移量和温度及压力的关系，可以同时测量温度和压力。

2、能够将温度和压力的应变区分，解决光纤光栅传感器在温度和压力同时测量中出现的交叉敏感问题，避免测量时出现很大的误差，得到更精确的测量值。在传感器中分别根据同种材料在相同温度下波长漂移量相同，通过测量不同应变作用下的漂移量，求得压力；根据相同压力应变下波长漂移量相同，通过测量不同材料在温度下的漂移量，求得温度；从而将温度和压力区分，提高测量精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明一种光纤温压一体传感器的结构示意图。

图2是本发明中感应模块的结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1，本发明一种光纤温压一体传感器，包括光源、环形器、光谱分析仪和感应模块；所述光源通过光纤连接环形器，环形器分别连接感应模块和光谱分析仪；所述感应模块为圆柱形壳体，所述壳体内部包括腔体和光纤光栅，所述腔体由空腔A、空腔B和隔层组成；所述隔层设于空腔A和空腔B之间，隔层上设置有进出口M；所述空腔B为凸形空腔，包括大径空腔和小径空腔，空腔B隔层对面的腔壁上设置有进出口N；所述腔体表面粘贴有串联熔接在一起的FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅，FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅分别粘贴于对应空腔A以及空腔B的大小径位置。

本发明一种光纤温压一体传感器，所述光谱分析仪连接计算机，进行数据处理。

本发明一种光纤温压一体传感器，所述空腔A的腔壁厚度和空腔B中大径空腔的腔壁厚度相同；所述粘贴剂为氰基丙烯酸酯502-1粘合剂。

本发明一种光纤温压一体传感器，所述空腔A的腔壁为10MoWVNb合金层，空腔B的腔壁为镍基高弹性合金层。

本发明一种光纤温压一体传感器，所述镍基高弹性合金的化学成分包括：Be：1.9-2.5wt％,Ti：0.4-0.6wt％,Fe：0.3wt％,Cu：0.1wt％,Al：0.1wt％,Si：0.05wt％,Mn：0.03wt％,C：0.03wt％,S：0.01wt％,P：0.01wt％，余量为Ni和不可避免的杂质。

本发明一种光纤温压一体传感器，还包括光纤温压一体传感器的制作方法：以10MoWVNb合金为材料制作凹形腔体A，其内腔为方形空腔A,以镍基高弹性合金为材料制作凹形腔体B，其内腔经过制作为凸形空腔B，将隔层和凹形腔体A的开口处通过粘合剂粘贴在一起，在隔层上开个进出口M，同时在隔层另一面通过粘合剂粘贴凹形腔体B，在空腔B隔层对面的腔壁上设置有进出口N；在腔体表面通过氰基丙烯酸酯502-1粘合剂粘贴串联熔接在一起的FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅，所述FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅对应粘贴部位分别为空腔A以及空腔B的大小径空腔；将腔体固定在壳体中。

本发明一种光纤温压一体传感器，还包括光纤温压一体传感器的测量方法，其包括以下几个步骤：

步骤一：从光源发出宽带光，进入环行器的端口；

步骤二：光从环行器的出射端口出来，进入感应模块；

步骤三：在感应模块的调制后，反射回环行器，再从另一个端口射出；

步骤四：光谱分析仪接收出射光，进行光谱分析，得到FBG1、FBG2和FBG3分别对应的峰值波长λ₁、λ₂和λ₃，将分析结果上传到计算机；

步骤五：计算机根据公式计算温度，根据计算压力，K_P为传感器的压力灵敏度，K_T为传感器的温度灵敏度，λ₀为初始波长，λ₁为FBG1的峰值波长，λ₂为FBG2的峰值波长，λ₃为FBG3的峰值波长。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种光纤温压一体传感器，其特征在于:包括光源、环形器、光谱分析仪和感应模块；所述光源通过光纤连接环形器，环形器分别连接感应模块和光谱分析仪；所述感应模块为圆柱形壳体，所述壳体内部包括腔体和光纤光栅，所述腔体由空腔A、空腔B和隔层组成；所述隔层设于空腔A和空腔B之间，隔层上设置有进出口M；所述空腔B为凸形空腔，包括大径空腔和小径空腔，空腔B隔层对面的腔壁上设置有进出口N；所述腔体表面粘贴有串联熔接在一起的FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅，FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅分别粘贴于对应空腔A以及空腔B的大小径位置；还包括光纤温压一体传感器的制作方法：以10MoWVNb合金为材料制作凹形腔体A，其内腔为方形空腔A,以镍基高弹性合金为材料制作凹形腔体B，其内腔经过制作为凸形空腔B，将隔层和凹形腔体A的开口处通过粘合剂粘贴在一起，在隔层上开个进出口M，同时在隔层另一面通过粘合剂粘贴凹形腔体B，在空腔B隔层对面的腔壁上设置有进出口N；在腔体表面通过氰基丙烯酸酯502-1粘合剂粘贴串联熔接在一起的FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅，所述FBG1、FBG2和FBG3光纤光栅对应粘贴部位分别为空腔A以及空腔B的大小径空腔；将腔体固定在壳体中。

2.根据权利要求1所述的一种光纤温压一体传感器，其特征在于:所述光谱分析仪连接计算机，进行数据处理。

3.根据权利要求1所述的一种光纤温压一体传感器，其特征在于:所述空腔A的腔壁厚度和空腔B中大径空腔的腔壁厚度相同；所述粘贴剂为氰基丙烯酸酯502-1粘合剂。

4.根据权利要求1所述的一种光纤温压一体传感器，其特征在于:所述空腔A的腔壁为10MoWVNb合金层，空腔B的腔壁为镍基高弹性合金层。

5.根据权利要求4所述的一种光纤温压一体传感器，其特征在于:所述镍基高弹性合金的化学成分包括：Be：1.9-2.5wt％,Ti：0.4-0.6wt％,Fe：0.3wt％,Cu：0.1wt％,Al：0.1wt％,Si：0.05wt％,Mn：0.03wt％,C：0.03wt％,S：0.01wt％,P：0.01wt％，余量为Ni和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的一种光纤温压一体传感器，其特征在于:还包括光纤温压一体传感器的测量方法，其包括以下几个步骤：

步骤一：从光源发出宽带光，进入环行器的端口；

步骤二：光从环行器的出射端口出来，进入感应模块；

步骤三：在感应模块的调制后，反射回环行器，再从另一个端口射出；

步骤四：光谱分析仪接收出射光，进行光谱分析，得到FBG1、FBG2和FBG3分别对应的峰值波长λ₁、λ₂和λ₃，将分析结果上传到计算机；

步骤五：计算机根据公式计算温度，根据计算压力，K_P为传感器的压力灵敏度，K_T为传感器的温度灵敏度，λ₀为初始波长，λ₁为FBG1的峰值波长，λ₂为FBG2的峰值波长，λ₃为FBG3的峰值波长。