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CN101975638A - 矿用光纤布拉格光栅正压传感器 - Google Patents

矿用光纤布拉格光栅正压传感器 Download PDF

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CN101975638A
CN101975638A CN 201010293568 CN201010293568A CN101975638A CN 101975638 A CN101975638 A CN 101975638A CN 201010293568 CN201010293568 CN 201010293568 CN 201010293568 A CN201010293568 A CN 201010293568A CN 101975638 A CN101975638 A CN 101975638A
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Shandong University
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Abstract

本发明涉及一种矿用光纤布拉格光栅正压传感器，包括壳体，壳体一侧开口，开口内密封设置有一应变薄膜，壳体内设有一整体与应变薄膜相垂直的呈之字形布置的弹性杆装置，所述弹性杆装置一端与应变薄膜接触，另一端穿过壳体侧面露在外部，壳体内的弹性杆上设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅通过光纤与壳体外的解调装置相连；所述壳体开口处与应变薄膜之间区域为正压区，壳体内其余区域与外界连通，为常压区。本发明优点在于：结构更加简单，可以远程测量，光信号可在光纤中以极低的损耗远距离传输。抗电磁干扰，电信号不受测量现场恶劣电磁环境的干扰。易于形成传感网络，可将多个探头组成传感网络，统一使用同一套解调系统。

Description

矿用光纤布拉格光栅正压传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其是一种矿用光纤布拉格光栅正压传感器。
背景技术
现有的矿用液压支架压力传感器多采用金属弹性膜与电阻应变片相结合的结构。在压力作用下金属弹性膜发生形变，该形变通过电阻应变片与测量电桥最终转换为电桥的输出电压从而实现压力的测量。其缺点有：
1.易受电磁干扰；
2.测量信号不易远距离传输；
3.不易形成传感器网络；
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便的矿用光纤布拉格光栅正压传感器。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种矿用光纤布拉格光栅正压传感器，包括壳体，壳体一侧开口，开口内密封设置有一应变薄膜，壳体内设有一整体与应变薄膜相垂直的呈之字形布置的弹性杆装置，所述弹性杆装置一端与应变薄膜接触，另一端穿过壳体侧面露在外部，壳体内的弹性杆上设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅通过光纤与壳体外的解调装置相连；所述壳体开口处与应变薄膜之间区域为正压区，壳体内其余区域与外界连通，为常压区。
所述弹性杆装置包括两个平行设置的弹性杆，其中一弹性杆一端与应变薄膜接触，另一弹性杆一端通过螺纹与壳体侧面紧固连接，两弹性杆其余的相对应的两端通过杠杆铰接，与壳体连接的弹性杆上设有光纤布拉格光栅，所述杠杆中部铰接于壳体内壁上。
所述应变薄膜为金属应变薄膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.结构更加简单光纤布拉格光栅替代了电阻应变片从而省去了电桥。
2.可以远程测量光信号可在光纤中以极低的损耗远距离传输，因此解调端可以距离探头很远；光信号的来回传输只需要单根光纤而不像电信号需要两条线形成一个回路。
3.抗电磁干扰电信号不受测量现场恶劣电磁环境的干扰。
4.易于形成传感网络光纤布拉格光栅易于实现波分复用，因此可以将多个探头组成传感网络，统一使用同一套解调系统。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
其中1.金属应变薄膜，2.杠杆，3.弹性杆，4.光纤布拉格光栅，5.螺纹，6.光纤，7.壳体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种矿用光纤布拉格光栅负压传感器，包括保护内部的传感元件的壳体7，壳体7一侧开口，开口内密封设置有一在压力作用下发生形变的金属应变薄膜1，壳体7内设有一整体与金属应变薄膜1相垂直的呈之字形布置的弹性杆装置，所述弹性杆装置包括两个平行设置的弹性杆3，其中一弹性杆3一端与金属应变薄膜1接触，另一弹性杆3一端通过螺纹5与壳体侧面紧固连接1，且该弹性杆3的端部露在壳体外部，两弹性杆3其余的相对应的两端通过杠杆2铰接，所述杠杆2中部铰接于壳体内壁上。
弹性杆3可将金属应变薄膜1的形变转变为光栅的拉伸形变，增强光栅的应变灵敏度。壳体7内的与壳体连接的弹性杆3上设有光纤布拉格光栅4，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)4是传感器的敏感元件，将弹性杆3的拉伸应变转化为光学量。光纤布拉格光栅4通过光纤6与壳体7外的解调装置相连，光纤6可将测量信号传输至解调端；所述壳体开口处与金属应变薄膜1之间区域为负压区，壳体7内其余区域与外界连通，为常压区。弹性杆3通过螺纹5与壳体侧面紧固连接。螺纹5可对弹性杆3进行预紧，消除传动中的空程。弹性杆3为弹性金属杆。
初始状态下，通过预紧螺纹5将弹性杆3预紧，这样金属应变薄膜1被推向左侧。在正常工作时，金属应变薄膜1的左侧应处于正压状态；右侧与外界连通，压强为一个大气压。这样金属应变薄膜1将受到一个方向由左至右的净压力。在该压力的作用下，金属应变薄膜1向右侧变形经过杠杆传动后拉伸弹性金属杆发生形变。粘贴在弹性金属杆上的光纤布拉格光栅(FBG)4感受弹性金属杆杆的形变并将其转化为光学量传输到解调端。
以上已经说明了压力信号转化为光纤布拉格光栅(FBG)4应变的全过程，下面将阐明光纤布拉格光栅(FBG)3测应变的原理。
光纤布拉格光栅(FBG)3的中心波长λB可以表示为：
λB＝2nΛ    (1)
其中，n为光栅的有效折射率，Λ为光栅的周期。在光栅发生轴向应变时，n和Λ同时发生变化，这样光栅的中心波长就会随光栅所受应变发生漂移。
Δλ＝λB(1-pe)ε    (2)
对于普通的石英光栅，pe＝0.22，故：
Δλ＝0.78λBε    (3)
对于中心波长为1500nm的光栅来说，其应变灵敏度约为1.2pm/με。其中，Δλ表示光纤布拉格光栅中心波长的漂移量，ε表示应变，με为微应变(1ε＝106με)，pm为波长单位(1pm＝10-12m)。
如上所述，被测压力的变化最终转化为光纤布拉格光栅(FBG)3中心波长的漂移，经过适当的信号解调就可以从波长信号还原被测压力信号。

Claims (3)

1.一种矿用光纤布拉格光栅正压传感器，包括壳体，其特征在于：壳体一侧开口，开口内密封设置有一应变薄膜，壳体内设有一整体与应变薄膜相垂直的呈之字形布置的弹性杆装置，所述弹性杆装置一端与应变薄膜接触，另一端穿过壳体侧面露在外部，壳体内的弹性杆上设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅通过光纤与壳体外的解调装置相连；所述壳体开口处与应变薄膜之间区域为正压区，壳体内其余区域与外界连通，为常压区。
2.根据权利要求1所述的矿用光纤布拉格光栅负压传感器，其特征在于：所述弹性杆装置包括两个平行设置的弹性杆，其中一弹性杆一端与应变薄膜接触，另一弹性杆一端通过通过螺纹与壳体侧面紧固连接，两弹性杆其余的相对应的两端通过杠杆铰接，与壳体连接的弹性杆上设有光纤布拉格光栅，所述杠杆中部铰接于壳体内壁上。
3.根据权利要求1所述的矿用光纤布拉格光栅负压传感器，其特征在于：所述应变薄膜为金属应变薄膜。
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