阅读说明：本技术 一种基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器 (High-sensitivity fiber grating pressure sensor based on square diaphragm ) 是由 贾振安 樊庆赓 冯德全 樊伟 赵显锋 杨凯庆 禹大宽 高宏 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：一种基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器,包括：保护顶盖,其顶部中心处设置有光纤尾纤的引出孔,中间部件,其顶部表面有直接感受外界油气压力信号的方形承压膜片；安装于方形承压膜片中心的应力传递杆；安装于圆盘表面的两个垂直梁；安装于垂直梁自由端的横梁；安装于横梁上表面的测温光纤光栅；安装于应力传递杆和横梁之间的在封装时施加一定预应力的测压光纤光栅,压力端口,其内部中心处设置有压力传导通道；设置于压力端口底部的两个夹持凹槽。本发明具有灵敏度高,结构简单,尺寸小以及造价低廉等特点。(A high-sensitivity fiber grating pressure sensor based on a square diaphragm comprises: the top center of the protective top cover is provided with a leading-out hole of the optical fiber pigtail, the top surface of the middle part is provided with a square pressure-bearing diaphragm which can directly sense the external oil gas pressure signal; the stress transfer rod is arranged at the center of the square pressure-bearing membrane; two vertical beams mounted on the surface of the disc; a cross beam mounted at the free end of the vertical beam; the temperature measurement fiber bragg grating is arranged on the upper surface of the beam; the pressure measuring fiber grating is arranged between the stress transfer rod and the cross beam and applies certain prestress during packaging, and a pressure conduction channel is arranged at the center of the pressure port; two clamping grooves are arranged at the bottom of the pressure port. The invention has the characteristics of high sensitivity, simple structure, small size, low manufacturing cost and the like.)

一种基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感检测技术领域，特别涉及一种基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器。

背景技术

传统电子类压力变送器，如电容式、压阻式、电感式、压电谐振压力变送器等，是现阶段大部分输油气管道压力监测主要使用的传感器。电子类压力变送器能将外界气体、液体的物理压力参数转变成标准的电信号。在信号传输过程中，电信号会因为传输线路的阻抗而出现衰减现象，并且在高温、高压、电磁辐射等环境下，变送器易受干扰。电子类压力变送器具有较高的非线性度和迟滞性误差，这会影响传感器的测量精度，与腐蚀性或过热介质接触会导致其不同程度的损伤，还具有生产工艺复杂、寿命短、稳定性差等缺点。

目前以光纤光栅检测应变的压力传感器多以圆形膜片作为压力敏感元件。外界液体、气体压力作用于圆形膜片，膜片两侧压力差使其产生形变。在尺寸及加工材料相同的情况下，与方形膜片相比，在同一压力载荷下，圆形膜片的的中心挠度较低，即其对于外界加载压力变化的敏感度较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器，具有灵敏度高、结构简单以及可实现温度自补偿的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器，包括由上而下依次连接的保护顶盖14、中间部件12和压力端口8；保护顶盖14顶部设置有光纤尾纤引出孔1，光纤尾纤引出孔1引出测压光纤光栅5和测温光纤光栅2；中间部件12顶部表面设置有用于感受外界油气压力的承压膜片6，所述的承压膜片6为方形结构，所述的承压膜片6中心设置有应力传递杆15；中间部件12表面的圆盘13与承压膜片6为一体化结构，圆盘13表面设置两个垂直梁4；垂直梁4自由端设置有横梁3，横梁3上表面设置测温光纤光栅2,应力传递杆15和横梁3之间设置有测压光纤光栅5,压力端口8内部设置有压力传导通道7。

所述的保护顶盖14和中间部件12均为柱状筒形结构，压力端口8为‘T’形结构。

所述的压力传导通道7设置在压力端口8内部中心处，压力端口8两侧设置有两个夹持凹槽9。

所述的应力传递杆15横截面为方形结构。

所述的垂直梁4和横梁3均为等截面梁且为一体化结构。

所述的测压光纤光栅5在固定时需施加一定的预应力。

所述的测压光纤光栅5和测温光纤光栅2处于同一温度场中。

所述的保护顶盖14与中间部件12通过螺纹11连接。

所述的中间部件12与压力端口8通过焊接10连接，以保证密封性。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器，在一定压力下，同一种材料、尺寸下的方形膜片中心挠度高于圆形膜片中心挠度。模拟表明，利用方形膜片作为承压元件的光纤光栅压力传感器可提高百分之三十的压力灵敏度。

本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器，可以通过改变承压膜片的长度和厚度来调整光纤光栅压力传感器的灵敏度和量程，以适应不同场合的监测要求。

本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器，采用双光栅设计，由于两光栅距离较近，可认为处于同一温度场中，实现温度自补偿。

本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器，相较于圆形膜片，通过采用方形承压膜片，使得实际加工更加方便。

本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器，通过使用垂直梁和横梁的组合结构，使得传感器抗震性及稳定性更好。

附图说明

图1是本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器沿应力传递杆中心的剖视图。

图2是本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器中间部件的俯视图。

图3是本发明提供的基于方形膜片的光纤光栅压力传感器压力端口的上视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器，包括：保护盖14，为柱状筒形结构，其顶部中心处设置有用于引出测压光纤光栅5和测温光纤光栅2尾纤的引出孔1。中间部件12，为柱状筒形结构，其顶部表面有直接感受外界油气压力的方形承压膜片6；安装于方形承压膜片6中心的应力传递杆15；安装于圆盘13表面的两个垂直梁4；垂直梁4自由端设置有横梁3；安装于横梁3上表面的测温光纤光栅2；安装于应力传递杆15和横梁3之间的测压光纤光栅5；压力端口8为‘T’形结构，其内部中心处设置有压力传导通道7(如图3所示)；设置于压力端口8底部的两个夹持凹槽9。

所述的承压膜片6为方形结构，提高了外界压力与其所引起的承压膜片中心挠度的响应度。

所述的应力传递杆15横截面为方形结构。

所述的测压光纤光栅5在封装时需施加一定的预应力。

所述的两个垂直梁4和横梁3均为等截面梁且为一体化设计。

所述的承压膜片6由于外界压力产生横向位移并由应力传递杆5传递给测压光纤光栅5，使处于预拉伸状态的测压光栅光栅5收缩，其中心反射波长变小。

所述的光纤光栅压力传感器通过改变承压膜片6长度和厚度来调整光纤光栅压力传感器的灵敏度和量程。

所述的光纤光栅压力传感器采用双光栅设计，由于粘贴位置较近，可认定为处于同一温度场中，可以消除外界温度的影响，实现温度自补偿。

本发明工作原理是：

本发明提供的基于方形膜片的高灵敏度光纤光栅压力传感器的工作原理为，由于测压光纤光栅6在封装时施加了一定的预应力，当外界油气压力通过压力传导通道7作用于方形承压膜片6，其产生的横向中心位移通过应力传递杆5传递给测压光纤光栅6，使得处于预拉伸状态的测压光纤光栅6发生收缩，从而引起其输出布拉格中心反射波长发生变化，通过解调设备检测波长变化从而解调出外界油气压力信号。而测温光纤光栅2处于自由状态，只受温度影响，测压光纤光栅5和测温光纤光栅2处于同一温度场中，其工作温度相同，从而实现传感器温度自补偿。