一种耐高温高压光纤力传感器
阅读说明：本技术 一种耐高温高压光纤力传感器 (High-temperature and high-pressure resistant optical fiber force sensor ) 是由 杨恒 徐昱根 高李霞 孙磊 李朋洲 朱万霞 柳琳琳 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种耐高温高压光纤力传感器,包括一体化测力部件、高温光纤应变片和推杆；一体化测力部件包括一体化加工的应变片下安装座和应变片上安装座；应变片下安装座和应变片上安装座均为T型结构,应变片下安装座的竖板自由端与应变片上安装座的竖板自由端相对设置,且两自由端之间存在间隙；一体化测力部件的顶板顶端开设有阶梯孔,一体化测力部件的顶板底端作为测力梁,试件安装在阶梯孔内,通过钢珠与测力梁接触；高温光纤应变片安装在应变片下安装座的竖板自由端与应变片上安装座的竖板自由端上。本发明提出的光纤力传感器能够在高温高压的条件下长期稳定工作,且抗电磁干扰能力强,测量精度高。(The invention discloses a high-temperature and high-pressure resistant optical fiber force sensor, which comprises an integrated force measuring component, a high-temperature optical fiber strain gauge and a push rod, wherein the integrated force measuring component is arranged on the high-temperature optical fiber strain gauge; the integrated force measuring component comprises a lower mounting seat and an upper mounting seat of the strain gauge which are integrally processed; the lower mounting seat and the upper mounting seat of the strain gauge are both of T-shaped structures, the free end of the vertical plate of the lower mounting seat of the strain gauge is opposite to the free end of the vertical plate of the upper mounting seat of the strain gauge, and a gap is formed between the two free ends; a stepped hole is formed in the top end of the top plate of the integrated force measuring component, the bottom end of the top plate of the integrated force measuring component is used as a force measuring beam, and a test piece is installed in the stepped hole and is in contact with the force measuring beam through a steel ball; the high-temperature optical fiber strain gauge is arranged on the free end of the vertical plate of the lower strain gauge mounting seat and the free end of the vertical plate of the upper strain gauge mounting seat. The optical fiber force sensor provided by the invention can stably work for a long time under the conditions of high temperature and high pressure, and has strong anti-electromagnetic interference capability and high measurement precision.)
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种耐高温高压光纤力传感器。
背景技术
力是引起物质运动变化的直接原因，力传感器能检测张力、拉力、压力等力学量，在动力设备、工程机械、各类工作母机和工业自动化系统中，成为不可缺少的部件，同时，力传感器是各种结构件疲劳损伤、微动损伤等损伤检测的核心器件。核电设备中结构件材料的磨损导致发生故障相关的风险占整个核电站故障风险的75％。利用力传感器实现关键结构件材料的磨损测试对于保障核电设备关键部件的使用寿命和优化其结构设计，并且对及时掌握核电设备的安全状态具有重要的意义。
与传统的电学传感器相比，光纤传感器具有抗干扰能力强、体积小和分辨率高等优点，同时具有良好的多传感器复用能力，因此在航空航天、能源、建筑等工业和军事领域得到了广泛的应用。光纤法珀传感器是光纤传感器中的典型代表，随着各种高精度加工和装配技术的发展，出现了多种类型的光纤法珀传感器。
光纤法珀传感器可利用不同的形式构建法珀腔，传感器的形态灵活多变，可用于多种不同的测量环境，同时光纤法珀传感器结构简单，不易受环境的影响，分辨率高且解调速度较高，已广泛应用于各种生物、医学、航空、航天、核电等领域的检测。
现有光纤式测力传感器不能够长时间稳定工作在水环境下，体积大，不能够安装在核电设备的关键部件的受力部位，且抗电磁干扰能力弱；即现有光纤式测力传感器未考虑高温高压水环境下的特殊工作环境对光纤式力传感器性能的影响，因此现有的光纤式测力传感器不适用于高温高压水环境下的特殊工作环境，亟需提出一种适用于高温高压水环境的耐高温高压光纤力传感器。
发明内容
本发明提供了一种耐高温高压光纤力传感器，本发明提出的光纤力传感器能够在高温高压的条件下长期稳定工作，且抗电磁干扰能力强，测量精度高。
本发明通过下述技术方案实现：
一种耐高温高压光纤力传感器，包括一体化测力部件、高温光纤应变片和推杆；
其中，所述一体化测力部件包括一体化加工的应变片下安装座和应变片上安装座；
所述应变片下安装座和应变片上安装座均为T型结构，所述应变片下安装座的横板作为一体化测力部件的底板，所述应变片上安装座的横板作为一体化测力部件的顶板，所述应变片下安装座的竖板自由端与所述应变片上安装座的竖板自由端相对设置，且两自由端之间存在间隙；
所述一体化测力部件的顶板顶端开设有阶梯孔，所述一体化测力部件的顶板底端作为测力梁，试件安装在所述阶梯孔内，通过钢珠与所述测力梁接触；
所述高温光纤应变片安装在所述应变片下安装座的竖板自由端与所述应变片上安装座的竖板自由端上；
所述推杆与所述一体化测力部件的底板固定连接。
优选的，本发明的试件通过周向均匀设置的带波珠的螺钉进行夹持固定；
在所述试件与所述测力梁之间安装有压力，所述压片用于约束所述钢珠，使其不能滑动，但是可以转动。
优选的，本发明的一体化测力部件的左右两侧采用金属密封板密封。
优选的，本发明的一体化测力部件的底板上设置有尾纤密封孔和螺纹盲孔；
所述尾纤密封孔用于密封穿过所述高温光纤应变片的光纤；
所述螺纹盲孔用于固定所述推杆。
优选的，本发明的推杆的端部设置有与所述一体化测力部件底板上的螺纹盲孔对应的螺纹通孔；通过该螺纹控制、螺纹盲孔可将所述推杆固定安装在所述一体化测力部件的底部；
所述推杆上设置有与所述一体化测力部件底板上的尾纤密封孔对应的尾纤固定槽，经由尾纤密封孔的光纤通过所述尾纤固定槽引出。
优选的，本发明的高温光纤应变片采用点焊方式安装在所述应变片下安装座和应变片上安装座上；
当传感器受到外力作用时，作用在试件的力通过钢珠传递给测力梁，从而导致应变片上安装座和应变片下安装座之间的间隙变化，该间隙变化由所述高温光纤应变片测量得到，对所述高温光纤应变片的测量值进行处理得到该传感器的受力值。
优选的，本发明在应变片下安装座的竖板自由端与应变片上安装座的竖板自由端的左右两侧对称安装两片高温光纤应变片，以消除测力梁摆动带来的影响；
对称安装在一体化测力部件中的高温光纤应变片的光纤从尾部引出，分别经由一个尾纤密封孔密封引出，之后经尾纤固定槽引出至外部。
优选的，本发明的光纤由高温密封胶固定在所述尾纤固定槽上。
优选的，本发明的试件采用金属材料。
优选的，本发明的螺纹盲孔和螺纹通孔为4个。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明以光纤珐珀应变传感器作为力转换器件，替代了传统的电类应变片，使得传感器不仅体积变小，适应水环境，还具备抗电磁干扰能力。
本发明在传感器安装面布置了两片光纤敏感元件，使得传感器能够在高温高压环境下长期稳定工作。
本发明采用一体化加工技术和压力膜密封技术，传感器最高工作温度达到500℃，最高工作压力达到25MPa。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的传感器结构示意图。
图2为本发明的一体化测力部件的底部视图。
图3为本发明的推杆的底部视图。
图4为本发明的传感器工作原理示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-试件，2-波珠螺钉，3-测力部件，3-1-尾纤密封孔，3-2-下安装座，3-3-上安装座，3-4-测力梁，3-5-螺纹盲孔，4-推杆，4-1-尾纤固定槽，4-2-螺纹通孔，5-高温光纤应变片，5-1-光纤，6-金属密封板，7-钢珠。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
核电设备中关键结构的工作环境为高温高压水环境，且结构件间的安装空间狭小，这对力传感器的工作温度和体积等提出了更高的要求，而现有的力传感器尽管能够实现耐高温和耐高压，但是不能长时间稳定工作在水环境下，且体积较大，不能安装在核电设备的关键部件的受力部位，抗电磁干扰能力弱，因此本实施例提供了一种耐高温高压光纤力传感器，本实施例的光纤力传感器能够在高温高压的条件下长时间稳定工作在水环境下，且具有抗电磁干扰能力强、测量精度高等优点。
如图1-3所示，本实施例的光纤力传感器主要包括一体化测力部件3、高温光纤应变片5和推杆4。
其中，该一体化测力部件3包括一体化加工的应变片下安装座3-2、应变片上安装座3-3。
该应变片下安装座3-2为T字型结构，由相互垂直的横板和竖板构成；横板作为一体化测量部件3的底板，横板上开设有尾纤密封孔3-1和螺纹盲孔3-5，尾纤密封孔3-1用于密封穿过光纤应变片5的光纤5-1，螺纹盲孔3-5用于固定连接推杆4；竖板与横板的中心相垂直。
该应变片上安装座3-3为T字型结构，由相互垂直的横板和竖板构成；该横板上远离竖板的一端(即一体化测力部件3的顶端)中间部分沿横板厚度方向设置有阶梯孔，该阶梯孔用于安装试件1，该横板上与竖板接触的一端作为测力梁3-4，试件1的后表面通过钢珠7与测力梁3-4的中心接触，用于传递应力；压片8螺纹安装在试件1与测力梁3-4之间，用于约束钢珠7，使其不能滑动，但是可以转动；竖板与测力梁3-4的中心相垂直。
试件1通过沿其周向均匀设置的带波珠的螺钉2进行夹持固定。
该应变片下安装座3-2的竖板自由端与应变片上安装座3-3的竖板自由端相对设置，且两竖板的自由端之间存在间隙。
该一体化测力部件3的左右两侧采用金属密封板6密封。
推杆4的端部设置有与一体化测力部件3底板上的螺纹盲孔3-5对应的螺纹通孔4-2(如图2和图3所示，在一体化测力部件3底板上设置4个螺纹盲孔3-5，在推杆4的端部对应设置4个螺纹通孔4-2，采用紧固件穿过螺纹通孔和螺纹盲孔，进而将推杆4紧固到一体化测力部件3的底部)，通过该螺纹通孔4-2可将推杆4固定安装在一体化测力部件3的底部；推杆4上还设置有与一体化测力部件3底板上的尾纤密封孔3-1对应的尾纤固定槽4-1。
在应变片下安装座3-2的竖板自由端与应变片上安装座3-3的竖板自由端安装高温光纤应变片5，安装方式为点焊，提高了传感器的应变传递效果；为了消除测力梁3-4摆动带来的影响，本实施例在应变片下安装座3-2的竖板自由端与应变片上安装座3-3的竖板自由端左右两侧对称安装两片高温光纤应变片5(对称轴为两竖板的中心线)。对称安装在一体化测力部件3中的高温光纤应变片5的光纤5-1从尾部引出，分别经由一个尾纤密封孔3-1密封引出，之后经尾纤固定槽4-1引出至外部。
本实施例的光纤5-1通过高温密封胶固定在尾纤固定槽上。
本实施例的试件1采用但不限于金属材料。
如图4所示，本实施例的传感器工作原理具体为：
当传感器的试件1受力后，该力通过钢珠7传递给测力梁3-4，测力梁3-4产生向下位移，这个位移改变了应变片上安装座3-3和应变片下安装座3-2之间的距离(即应变片上安装座3-3竖板自由端和应变片下安装座3-2竖板自由端之间的距离)，该距离的改变会使得安装在两个安装座之间的高温光纤应变片5产生应变信号输出，从而通过高温光纤应变片5测量得到该位移变化，再结合标定数据，即可计算出该传感器受力值。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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