CN113324694B - 一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，适于检测管道内的液体压力，包括骨架，骨架由两个相互对称设置的金属片组成，金属片设为纵向长横向短的薄片结构，两个金属片的中间部分别向外隆起设置，使两个金属片之间形成一个空腔，空腔内设有类似鱼泡的气囊，气囊和金属片之间设有填充物。本发明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“鱼际线”中轴线内外两侧设置光纤光栅，其中一个金属片两侧的两根光纤光栅，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；另一侧的金属片设有凹或凸的筋槽，起到强化金属片对光纤光栅径向椭圆变形的支撑作用，利用双折射的谐振波长分裂接力检测中高压。

Description

一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器

技术领域

本发明涉及涉及光纤传感技术领域和液压检测技术领域，具体涉及一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器。

背景技术

由伯努利方程可知，管路内的液体压力也是一种能量形式，在液压传动系统中，介质的流速(动能)较低，产生的势能相对较低，可以不考虑，仅依靠工作介质的压力能传递动力，就是所谓的静液压传动。在静液压传动中，由于泵或阀的开启关闭，或者负载的动态变化，都会引起管路内流体压力的变化，特别是对螺旋管路内压力的分布和动态特性的研究目前尚属于技术空白。

传统的液体压力传感装置，主要是机械式压力表或者电阻式压力传感器，这些检测方法的优点是测量理论和技术相对成熟，设备成本较低，但是目前对液压管路内部压力或压力响应进行检测时，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高频响压力传感器探头的方法。

但上述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。

考虑到上述方法的诸多弊端，现有技术出现能应用于管路内液体压力测量的仪器，此类仪器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，会存在承载小、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，即传感器的量程仍然满足不了工程液压机械的实际需求。

现有技术中利用光纤光栅对压力的测量方法主要有两种：一是利用光纤光栅波长能够与待测的物理量建立一定的线性关系，通过标定线性范围内的线性系数，由待测物理量发生变化而引起了波长的漂移值换算出相应的压力值。例如当光纤光棚受到外场(应力场、温度场等)作用时，其栅格周期或有效折射率会发生变化从而引起光栅反射(或透射)波长的漂移，现在我们常用的光栅传感中绝大部分的光纤光栅传感器都属于这一类；二是光纤光栅偏振特性能够与随待测物理量建立线性关系，偏振特性随着待测物理量的变化而变化的，是光纤布拉格光栅在压力负载条件下的谐振波长分裂，通过对x偏振光和y偏振光幅度谱中心波长的偏移量以检测外在压力，但是这种方法在遇到压力较小状况时，总幅度谱很难察觉到两种本征模中心波长的差别，检测较为困难。

综上所述，因为光纤光栅传感器自身的灵敏性高，不管是用光栅中心波长漂移量还是用光纤椭圆变形造成的双折射检测方法，都存在一个仅能检测低压范围，一个仅能检测相对的高压范围，从而使得测量压力的量程受到较大的局限，导致目前光纤光栅传感器可检测的压力下限或上限都不能满足工程液压机械的实际需求。

因此，亟需一种能够实现液压管内较高精度的光纤光栅大量程压力传感器的管路无损检测系统，用于管路内油压高精度的压力数据的采集，而这种技术主要依赖于传感器的封装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。

本发明揣测鱼类“鱼际线”对液体压力的神经感知原理，借助当今光纤光栅技术的发展，综合利用了光纤光栅纵向和径向随压力变化而测量范围不同的两个突出特点的互补性，主要创新一种仿生鱼型光纤光栅大量程压力传感器。

发明内容

本发明提供了一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其结构设计合理，根据鱼体亚对称结构的仿生学原理，在鱼体左右两侧设计有刚度不同的鱼骨形的金属片，内部有类似鱼泡的气囊，气囊和金属片之间设有弹性填充物，并且在金属片的中轴线内外两侧的光纤上设置光栅传感器。所述传感器骨架的金属片分为阳面金属片和阴面金属片，阴面金属片沿光栅的上下两侧开挖通透的沟槽，在低压时起到一个应变膜片的作用，使阴面金属片在低压时能够快速变形响应，其表面的光纤光栅由外到内依次编号为1、2；在低压测量范围内，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；阳面金属片厚度可根据需要相对阴面金属片一侧加厚，或者沿阳面金属片的表面设置凸或凹的加强筋槽，使阳面金属片的抗变形能力大于阴面金属片的抗变形能力，从而支撑最外侧的光栅首先对外在压力发生径向椭圆变形，使得特征光信号在压力负载条件下产生谐振波长分裂，通过特征光信号的变化检测外在压力，又由于鱼体弹性部分的能量吸收，使得阳面金属片内侧的光栅受到更大的外界压力时，才发生椭圆变形，从而，可以检测更高的压力，而且，阳面金属片内外侧的光栅的这种椭圆变形不受温度的影响。因此这种结构适用于大量程的液压压力检测，从而解决目前的光纤光栅传感器检测压力低、量程范围小的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，适于检测管道内的液体压力，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，两个金属片的中间部分别向外隆起设置，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；所述金属片的横向开设有至少两个槽沟，槽沟关于金属片的纵向中轴线对称设置，使两个金属片槽沟旁留下的部分形成多个相互配合的支撑部；

每个所述金属片的侧壁沿中轴线设置两根光纤，两根光纤关于金属片内外对称，在每根光纤上位于金属片的中部各刻录一光栅，每个金属片上的光栅特征值相同，所述光栅特征值相同为光栅栅格周期相同、刻录深度相同、栅格长度相同；将两个金属片上的四根光纤进行编号设置，四个不同编号的光纤从骨架两端按顺序组成光缆，光缆能够连接四通道的光纤连接器；

每个金属片纵向的两端各设一连接孔，两个金属片之间设有连接件，所述连接件沿两个连接孔穿过设置，使两个金属片形成相互连接结构；所述连接件经牵引绳和光纤连接器相连，且牵引绳内置于光纤形成的光缆内部；

在鱼型光纤光栅大量程压力传感器受到管道内液体压力时，骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片内外壁上的光纤光栅沿所述骨架的纵向首先发生正反两种变形，通过采集正反变形的两光纤光栅中心波长漂移量的差值来实现温度自补偿的压力检测；当管道内压力上升到一定阈值时，由于两个金属片的支撑部相互接触支撑，首先使骨架两金属片中抗变形能力强的金属片上的外侧光纤光栅径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测外在压力；其次，当压力持续上升达到更高阈值时，液体压力通过骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片、气囊、填充物作用于另一个金属片内侧的光纤光栅上，使得骨架两金属片中抗变形能力强的金属片内侧的光纤光栅横截面径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测更高的外在压力；所述阈值，为相关光纤光栅能够检测到的相应光信号的临界值；

表皮，所述表皮为骨架和光缆外部封装的薄膜，所述薄膜和管道内的液压介质材料相容。

进一步的，所述牵引绳沿四根光纤的布置方向和所述四根光纤形成两个端部光缆，所述光缆能够与四通道的光纤连接器相连，或与下一个鱼型光纤光栅大量程压力传感器的端部光缆相连；相邻所述骨架之间的连接件之间设有两根抗扭绳，抗扭绳和所述连接件穿出金属片的两端部相连。

进一步的，两个所述金属片对应连接孔的位置互不接触设置，当所述填充物和气囊处于最大变形量状态时，两个金属片的连接孔位置之间的间隙不小于所述光纤的直径尺寸。

进一步的，所述气囊内设为惰性气体，所述填充物设为弹性填充物，所述弹性填充物包括橡胶或树脂型号。

进一步的，所述金属片同侧设置的支撑部数量设为3至5个，当骨架受到液体压力后，两个所述金属片对应的支撑部能够相互抵接，以增加骨架的整体弹性模量。

进一步的，所述支撑部和所述金属片之间形成夹角，使支撑部翘起设置，两个金属片相互对应的支撑部形成接触面；使骨架受到压力后，对应的支撑部相互抵接，或支撑部之间设置所述填充物，使支撑部和填充物相抵接。

进一步的，骨架设置有阳面和阴面，阴面对应的金属片沿光栅的上下两侧开挖通透的沟槽，使沟槽间的金属片对低压也能够快速变形响应，成为一种活动金属片，其表面的光纤光栅由外到内依次编号为1、2；阳面对应的金属片厚度可根据需要相对阴面一侧加厚，或者沿阳面金属片的表面设置凸或凹的加强筋槽，使阳面金属片的抗变形能力大于阴面金属片的抗变形能力，阳面金属片表面的光纤光栅由内而外依次编号为3、4。

进一步的，所述骨架的外形呈鱼型，所述金属片横向两侧设置支撑部呈梯形脚趾状，保证两拱形金属片间的抵接部分大面积可靠接触，以增强骨架整体承受管道内液体压力的能力。

进一步的，所述骨架受到由小到大变化的液体压力时，其形体的变形特征是阶梯状，其对压力的检测是由骨架两侧的光栅组接力完成的；

所述金属片对应的空腔部位在不同的压力下，纵向和横向的变形量也不相同，在液体压力由小到大的增加过程中，骨架的变形量先主要向纵向两侧变大，带动其上粘贴的光栅栅格周期加大，阴面金属片变形相比阳面金属片更大，这一阶段，主要通过阴面金属片两侧的两根光纤光栅的纵向变化，利用金属片正反变形原理消除温度对光栅的纵向变化的影响，实现温度自补偿的压力检测；

第二阶段，随着液体压力持续增加，金属片的支撑部相互合拢抵接，整个弹性模量发生阶跃性提升，金属片纵向两端的变形量变缓，骨架阴面金属片两侧的两根光纤光栅纵向变形的检测灵敏度下降，设置在抗变形能力强的阳面金属片外侧的光纤光栅首先在液体压力和金属片的支持力作用下发生椭圆形变，造成光信号的谐振分裂，通过采集光栅中特征光信号的变化以检测外在压力；

第三阶段，随着液体压力继续升高，液体压力通过阴面金属片上的活动金属片、气囊、弹性填充物作用于阳面金属片内侧的光纤光栅上，使得阳面金属片内侧的光纤光栅横截面随后发生椭圆形变，造成光信号的谐振分裂，通过采集光栅中特征光信号的变化以检测更高的外在压力。

进一步的，多个所述鱼型光纤光栅大量程压力传感器之间经光纤或四通道的光纤连接器相互串联设置，使多个鱼型光纤光栅大量程压力传感器形成组合状态使用，外侧的光栅连接外侧的，内侧的光栅连接内侧的，同侧的光栅保证成组，光纤连接器接口编号标识清楚，顺序规律。

本发明采用上述结构的有益效果是，其结构设计合理，根据鱼体亚对称结构的仿生学原理，在鱼体左右两侧设计有刚度不同的鱼骨形的金属片，内部有类似鱼泡的气囊，气囊和金属片之间设有弹性填充物，并且在金属片的中轴线内外两侧的光纤上设置光栅传感器。所述传感器骨架的金属片分为阳面金属片和阴面金属片，阴面金属片沿光栅的上下两侧开挖通透的沟槽，在低压时起到一个应变膜片的作用，使阴面金属片在低压时能够快速变形响应，其表面的光纤光栅由外到内依次编号为1、2；在低压测量范围内，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；阳面金属片厚度可根据需要相对阴面金属片一侧加厚，或者沿阳面金属片的表面设置凸或凹的加强筋槽，使阳面金属片的抗变形能力大于阴面金属片的抗变形能力，从而支撑最外侧的光栅首先对外在压力发生径向椭圆变形，使得光信号发生谐振波长分裂，通过特征光信号的变化检测外在压力，又由于鱼体弹性部分的能量吸收，使得阳面金属片内侧的光栅受到更大的外界压力时，才发生椭圆变形，从而，可以检测更高的压力，而且，阳面金属片内外侧的光栅的这种椭圆变形不受温度的影响。因此通过这种鱼型传感器的封装，实现了光纤光栅轴向信号和径向椭圆变形信息的分阶段采集，克服了传统光纤光栅传感器对高压和低压难以同时测量的问题，扩大了压力检测范围；从而解决目前的光纤光栅传感器检测压力低、量程范围小的问题。

其次是采用仿生鱼结构的鱼型传感器的流线型和漂浮作用，可内置于液压管路内的液体中部而无损管路壁面，由光纤串联设置在管路内，也减少了管壁工艺孔的渗漏点；

最后，该传感器将多路光纤光栅封装在一个亚对称结构的鱼型传感器内，利用了管路内液体压力对鱼型传感器外壁的支撑作用，以及气囊和鱼体的弹性吸收作用，使得阳面金属片内侧的光纤光栅在环境压力很大时才发生径向椭圆变形，从而通过不同的封装材料实现超高压压力的检测。

因此这种结构适用于大量程的液压压力检测，从而解决目前的光纤光栅传感器检测压力低、量程范围小的问题。

附图说明

图1为本发明的剖视结构示意图。

图2为本发明的阴面金属片对应角度的展开结构示意图。

图3为本发明的阳面金属片对应角度的展开结构示意图。

图4为本发明的骨架部分的立体结构示意图。

图5为图4的侧视结构示意图。

图中，1、骨架；2、金属片；201、阴面金属片；202、阳面金属片；3、空腔；4、气囊；5、填充物；6、槽沟；7、支撑部；8、光纤；9、光栅；10、光缆；11、连接孔；12、牵引绳；13、连接件；14、抗扭绳；15、光纤连接器；16、沟槽；17、凸或凹的加强筋槽。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1-5所示，一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，适于检测管道内的液体压力，包括骨架1，骨架1由两个相互对称设置的阴面金属片201和阳面金属片202组成，阴面金属片201和阳面金属片202设为纵向长横向短的薄片结构，两个金属片2的中间部分别向外隆起设置，使两个金属片2之间形成一个空腔3，空腔3内设有类似鱼泡的气囊4，气囊4和金属片2之间设有填充物5；金属片2设有至少两个槽沟6，槽沟6关于金属片2的纵向中轴线对称设置，使两个金属片2形成多个相互配合的支撑部7；每个金属片2的侧壁沿中轴线设置两根光纤8，两根光纤8关于金属片2内外对称，在每根光纤8上各刻录一光栅9，每个金属片2上的光栅9特征值相同(光栅栅格周期相同、刻录深度相同、栅格长度相同)，每个金属片2上的光栅9沿该金属片2纵向长度内外对称；将两个金属片上的四根光纤8进行编号设置，四个不同编号的光纤8从骨架1两端按顺序组成光缆10，光缆10能够连接四通道的光纤连接器15；每个金属片2纵向的两端各设一连接孔11，两个金属片2之间设有连接件13，所述连接件13沿两个连接孔11穿过设置，使两个金属片2形成相互连接结构；所述连接件13经牵引绳12和光纤连接器15相连，且牵引绳12内置于光纤8形成的光缆10内部；在鱼型光纤光栅大量程压力传感器受到管道内液体压力时，其中阴面金属片201沿光纤光栅两侧对称开设沟槽后，更容易形变，起到一个应变膜片的作用，从而，起到类似弹簧管式光纤光栅压力传感器消除温度影响的工作原理，实现温度自补偿的压力检测；当管道内压力升高到一定阈值后，由于两个金属片2的支撑部7相互接触支撑，使阳面金属片202外侧的光纤光栅径向发生椭圆变形，导致光信号的谐振波长分裂，通过特征光信号的变化以检测外在压力，当压力再升高到更高的阈值时，阳面金属片18内侧的光纤光栅径向也会发生椭圆变形，导致光信号的谐振波长分裂，通过检测特征光信号的变化以检测外在更高的压力；在骨架1和光缆10外部封装有表皮，表皮设为薄膜，薄膜和管道内的液压介质材料相容。使用时，根据深海鱼类对水压感知的仿生学原理，设计有鱼骨形的金属片，根据鱼类“鱼际线”对水压感知的仿生学原理以及生物界普遍存在的亚对称结构，骨架1设置有阳面和阴面，设计有鱼骨形的阴面金属片201和阳面金属片202，并且在金属片的“鱼际线”两侧位置设置两根光纤，在金属片2的中轴线内外两侧设置光栅传感器，阴面金属片201沿光栅的上下两侧开挖通透的沟槽16，在低压时起到一个应变膜片的作用；在低压测量范围内，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；在中高压测量范围内，在管路液体与阳面金属片202之间的光纤和光栅在压力作用下，发生径向椭圆变形，使得光栅在压力负载条件下特征光信号的谐振波长分裂，通过对特征光信号的变化以检测外在压力，而这种椭圆变形不受温度的影响。从而，可以检测更高的压力，因此这种结构适用于大量程的液压压力检测，进而解决目前的光纤光栅传感器检测压力低，量程范围小的问题。

值得一提的是，光纤8沿阴面金属片201和阳面金属片202的表面粘贴设置，阴面金属片201和阳面金属片202选用钛或钛合金轻质高强度型号。

在优选的实施例中，所述牵引绳12沿四根光纤8的布置方向和所述四根光纤8形成两个端部光缆10，所述光缆10能够与四通道的光纤连接器15相连，或与下一个鱼型光纤光栅大量程压力传感器的端部光缆10相连；相邻所述骨架1之间的连接件13之间设有两根抗扭绳14，抗扭绳14和所述连接件13穿出金属片2的两端部相连，以借助阴阳两侧的金属片2之间的孔距建立抗扭转矩臂。

另外，光缆10或牵引绳12的长度可大于其前端的鱼型传感器或光纤连接器15的横向长度的十倍，以避免上游物体对后部紊流对下一个传感器压力产生影响。将抗扭绳14、光缆10间挂制与油液兼容的薄膜，以借助液流进行抗扭平衡。

具体的，连接件13设为金属棒结构，在连接件13的中部及两端分别设置连接环，可以直接利用连接件13自身的打结制作出连接环结构，以便牵引绳12和抗扭绳14的连接。

在优选的实施例中，两个金属片2对应连接孔11的位置互不接触设置，当填充物5和气囊4处于最大变形量状态时，两个金属片2的连接孔11位置之间的间隙不小于光纤8的直径尺寸。如附图5所示，金属片2两端相应位置设置缺口，当金属片2的主体部分相互抵接后，光纤经过的两端位置依旧留有间隙，不会对光纤造成挤压损坏，本实施例中对两个金属片2之间的间隙进行限定，避免骨架1收到外界的压力后使阴面金属片201和阳面金属片202相互挤压光纤8，起到保护光纤8的作用。

在优选的实施例中，气囊4内设为惰性气体或其它无毒气体，填充物5设为弹性填充物，弹性填充物包括橡胶或树脂型号。

在优选的实施例中，金属片2同侧设置的支撑部7数量设为3至5个，当骨架1受到液体压力后，阴面金属片201和阳面金属片202对应的支撑部7能够相互抵接，以增加骨架1的整体弹性模量。

在优选的实施例中，支撑部7和金属片之间形成夹角，使支撑部7翘起设置，两个金属片2相互对应的支撑部形成接触面；使骨架1受到压力后，对应的支撑部7相互抵接，或支撑部7之间设置填充物5，使支撑部7和填充物5相抵接。本实施例对支撑部7进一步优化设置，使支撑部7形成类似于脚趾形状结构，形成多个面接触，以提高整个骨架1的稳定性。

在优选的实施例中，骨架1设置有阳面和阴面，阴面对应的金属片为阴面金属片201，沿光栅9的上下两侧开挖通透的沟槽16，使沟槽16间的阴面金属片201在低压时能够快速变形响应，成为一种活动金属片，其表面的光纤光栅由外到内依次编号为1、2；阳面对应的金属片为阳面金属片202厚度可根据需要相对阴面一侧加厚，或者沿阳面金属片202的表面设置凸或凹的加强筋槽17，使阳面金属片202的抗变形能力大于阴面金属片201的抗变形能力，阳面金属片202表面的光纤光栅由内而外依次编号为3、4。

在优选的实施例中，骨架1的外形呈鱼型，金属片2横向两侧设置支撑部7呈梯形脚趾状，保证两拱形金属片2间的抵接部分大面积可靠接触，以增强骨架1整体承受管道内液体压力的能力。

在优选的实施例中，骨架1受到由小到大变化的液体压力时，其形体的变形特征是阶梯状，其对压力的检测是由骨架1两侧的光栅组接力完成的；

金属片2对应的空腔3部位在不同的压力下，纵向和横向的变形量也不相同，在液体压力由小到大的增加过程中，骨架1的变形量先主要向纵向两侧变大，带动其上粘贴的光栅栅格周期加大，阴面金属片201变形相比阳面金属片202更大，这一阶段，主要通过阴面金属片201两侧的两根光纤光栅，利用金属片2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；

第二阶段，随着液体压力持续增加，金属片2的支撑部相互合拢抵接，整个弹性模量发生阶跃性提升，金属片2纵向两端的变形量变缓，骨架1两侧的两组光纤光栅纵向变形的检测灵敏度下降，设置在抗变形能力强的金属片2外侧的光纤光栅首先在液体压力和金属片2的支持力作用下，阳面金属片202外侧的光纤光栅横截面首先会发生椭圆形变，造成光信号的谐振分裂，通过采集光栅中特征光信号的变化以检测外在压力；

第三阶段，随着液体压力继续升高，液体压力通过阴面金属片201、气囊4、弹性填充物5作用于阳面金属片202内侧的光纤光栅上，使得阳面金属片202内侧的光纤光栅横截面随后发生椭圆形变，造成光信号的谐振分裂，通过采集光栅中特征光信号的变化以检测外在压力。

在优选的实施例中，编号为1、2、3、4的光纤光栅所在的光纤，对应光纤8或光纤连接器15接口的编号也为1、2、3、4；多个骨架1之间经光纤8或四通道的光纤连接器15相互串联设置，使多个鱼型光纤光栅大量程压力传感器形成组合状态使用，外侧的光栅9连接外侧的，内侧的光栅9连接内侧的，同侧的光栅9保证成组，光纤连接器15接口编号标识清楚，顺序规律。

需要说明的是，为了避免传感器骨架之外的光纤受到管路内液体压力发生椭圆变形对采集的特征光信号产生干扰，因此对传感器骨架之外的光纤进行铠装，使铠装后的光纤段能够基本消除管路内压力使其发生的椭圆变形，使光纤输出的特征光信号更加准确。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，适于检测管道内的液体压力，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，两个金属片的中间部分别向外隆起设置，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；所述金属片的横向开设有至少两个槽沟，槽沟关于金属片的纵向中轴线对称设置，使两个金属片槽沟旁留下的部分形成多个相互配合的支撑部；

每个所述金属片的侧壁沿中轴线设置两根光纤，两根光纤关于金属片内外对称，在每根光纤上位于金属片的中部各刻录一光栅，每个金属片上的光栅特征值相同，所述光栅特征值相同为光栅栅格周期相同、刻录深度相同、栅格长度相同；将两个金属片上的四根光纤进行编号设置，四个不同编号的光纤从骨架两端按顺序组成光缆，光缆能够连接四通道的光纤连接器；

每个金属片纵向的两端各设一连接孔，两个金属片之间设有连接件，所述连接件沿两个连接孔穿过设置，使两个金属片形成相互连接结构；所述连接件经牵引绳和光纤连接器相连，且牵引绳内置于光纤形成的光缆内部；

在鱼型光纤光栅大量程压力传感器受到管道内液体压力时，骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片内外壁上的光纤光栅沿所述骨架的纵向首先发生正反两种变形，通过采集正反变形的两光纤光栅中心波长漂移量的差值来实现温度自补偿的压力检测；当管道内压力上升到一定阈值时，由于两个金属片的支撑部相互接触支撑，首先使骨架两金属片中抗变形能力强的金属片上的外侧光纤光栅径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测外在压力；其次，当压力持续上升达到更高阈值时，液体压力通过骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片、气囊、填充物作用于另一个金属片内侧的光纤光栅上，使得骨架两金属片中抗变形能力强的金属片内侧的光纤光栅横截面径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测更高的外在压力；所述阈值，为相关光纤光栅能够检测到的相应光信号的临界值；

表皮，所述表皮为骨架和光缆外部封装的薄膜，所述薄膜和管道内的液压介质材料相容。

2.根据权利要求1所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，所述牵引绳沿四根光纤的布置方向和所述四根光纤形成两个端部光缆，所述光缆能够与四通道的光纤连接器相连，或与下一个鱼型光纤光栅大量程压力传感器的端部光缆相连；相邻所述骨架之间的连接件之间设有两根抗扭绳，抗扭绳和所述连接件穿出金属片的两端部相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，两个所述金属片对应连接孔的位置互不接触设置，当所述填充物和气囊处于最大变形量状态时，两个金属片的连接孔位置之间的间隙不小于所述光纤的直径尺寸。

4.根据权利要求3所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，所述气囊内设为惰性气体，所述填充物设为弹性填充物，所述弹性填充物包括橡胶或树脂型号。

5.根据权利要求4所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，所述金属片同侧设置的支撑部数量设为3至5个，当骨架受到液体压力后，两个所述金属片对应的支撑部能够相互抵接，以增加骨架的整体弹性模量。

6.根据权利要求5所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，所述支撑部和所述金属片之间形成夹角，使支撑部翘起设置，两个金属片相互对应的支撑部形成接触面；使骨架受到压力后，对应的支撑部相互抵接，或支撑部之间设置所述填充物，使支撑部和填充物相抵接。

7.根据权利要求6所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，骨架设置有阳面和阴面，阴面对应的金属片沿光栅的上下两侧开挖通透的沟槽，使沟槽间的金属片对低压也能够快速变形响应，成为一种活动金属片，其表面的光纤光栅由外到内依次编号为1、2；阳面对应的金属片厚度可根据需要相对阴面一侧加厚，或者沿阳面金属片的表面设置凸或凹的加强筋槽，使阳面金属片的抗变形能力大于阴面金属片的抗变形能力，阳面金属片表面的光纤光栅由内而外依次编号为3、4。

8.根据权利要求7所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，所述骨架的外形呈鱼型，所述金属片横向两侧设置支撑部呈梯形脚趾状，保证两拱形金属片间的抵接部分大面积可靠接触，以增强骨架整体承受管道内液体压力的能力。

9.根据权利要求7或8所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，所述骨架受到由小到大变化的液体压力时，其形体的变形特征是阶梯状，其对压力的检测是由骨架两侧的光栅组接力完成的；

所述金属片对应的空腔部位在不同的压力下，纵向和横向的变形量也不相同，在液体压力由小到大的增加过程中，骨架的变形量先主要向纵向两侧变大，带动其上粘贴的光栅栅格周期加大，阴面金属片变形相比阳面金属片更大，这一阶段，主要通过阴面金属片两侧的两根光纤光栅的纵向变化，利用金属片正反变形原理消除温度对光栅的纵向变化的影响，实现温度自补偿的压力检测；

第二阶段，随着液体压力持续增加，金属片的支撑部相互合拢抵接，整个弹性模量发生阶跃性提升，金属片纵向两端的变形量变缓，骨架阴面金属片两侧的两根光纤光栅纵向变形的检测灵敏度下降，设置在抗变形能力强的阳面金属片外侧的光纤光栅首先在液体压力和金属片的支持力作用下发生椭圆形变，造成光信号的谐振分裂，通过采集光栅中特征光信号的变化以检测外在压力；

第三阶段，随着液体压力继续升高，液体压力通过阴面金属片上的活动金属片、气囊、弹性填充物作用于阳面金属片内侧的光纤光栅上，使得阳面金属片内侧的光纤光栅横截面随后发生椭圆形变，造成光信号的谐振分裂，通过采集光栅中特征光信号的变化以检测更高的外在压力。

10.根据权利要求9所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，多个所述鱼型光纤光栅大量程压力传感器之间经光纤或四通道的光纤连接器相互串联设置，使多个鱼型光纤光栅大量程压力传感器形成组合状态使用，外侧的光栅连接外侧的，内侧的光栅连接内侧的，同侧的光栅保证成组，光纤连接器接口编号标识清楚，顺序规律。