CN103900756A - 可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器及测试方法，包括：接头、过滤网、底座、外壳、波纹管、光纤光栅一、光纤光栅二、光纤、光缆接头、铠装光缆、支柱、法兰盘、用于保护密封胶密封部位到光缆接头部位光纤的外壳盖以及用于施加预应力的应变梁；本发明适用于油气管线、城市地下煤气、热力、供水、油罐、输油管线等管网压力安全监测方面，消除了电子传感器本身带电，本质不安全的隐患，同时相在容量上也有了大的提升；应用于煤岩体瓦斯压力实时在线监测方面，避免了只监测单一数据所带来的误差，提高了系统的灵敏度和准确度，在节省人力、物力和时间的同时，又避免人员到现场可能带来的危险。

Description

可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器及测试方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种高精度可实现正压、负压监测的波纹管结构的光纤光栅压力传感器及测试方法，特别适用于煤矿安全监测瓦斯压力监测以及化工管道压力监测。

背景技术

随着我国石油、化工、煤炭、冶金等行业的快速发展，伴随着工业生产而产生的各种可燃有毒气体作业场所也在不断增加。尤其是石油、化工、冶金等企业生产过程和储运等环节都可能发生可燃、有毒气体的泄漏，为了避免易燃易爆气（液）体泄漏发生事故，采用了电子传感器监控预警系统，用电子传感器监控易燃易爆燃气（液）体的最大不足是传感器使用寿命短，特别是电子传感器不属本质安全型，在监控隐患的的同时又设置了一个隐患。

煤矿方面，在瓦斯压力监测方面也存在手段单一，需要专门的人员到现场进行巡检，浪费人力资源，同时又增加了人员巡检时的危险性。因此，可靠、安全的传感器在油气管线、城市地下煤气、热力、供水、油罐、输油管线等管网压力安全监测方面以及煤矿瓦斯压力监测方面愈显重要。

现有的压力传感器中，法布里帕罗腔结构形式的压力传感器，以F-P腔作为敏感元件进行压力检测。其中，毛细管式结构存在玻璃焊接难度大，漂移量大、重复性差、使用寿命差的缺点；弹簧片式存在封装难度大、重复性差、膜片的均匀性不易控制，批量生产难的缺点；MEMS芯片式存在光纤耦合难度大，封装难的缺点。

光纤光栅结构形式的压力传感器，以光纤光栅作为敏感元件，进行压力检测。其中，波登管式存在分辨率差，波登管加工精度要求高、光纤光栅封装难度大、漂移量大的缺点；圆筒薄壁结构存在分辨率差、小量程传感器存在尺寸太大、灵敏度低、很难实现负压监测等缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种高精度可实现正压、负压检测的光纤光栅压力传感器及测试方法，该光纤光栅压力传感器，由于本身不带电，本质安全，同时能实现实时在线监测，可用于易燃易爆等具有危险性的场合的压力监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器，包括：接头、过滤网、底座、外壳、波纹管、光纤光栅一、光纤光栅二、光纤、光缆接头、铠装光缆、支柱、法兰盘、用于保护密封胶密封部位到光缆接头部位光纤的外壳盖以及用于粘接光纤光栅并施加预应力的应变梁。

所述接头与外壳密封连接；过滤网、底座、外壳、波纹管、应变梁、光纤光栅一、光纤光栅二、光纤、支柱和法兰盘设置在外壳内部；波纹管与法兰盘通过焊接密封，并固定在一起，法兰盘固定在底座上，底座与法兰盘之间密封连接；所述底座与外壳密封连接，过滤网设置在底座开口端与接头内部之间，并通过接头固定。

所述光纤光栅一与光纤光栅二固定在应变梁两侧；应变梁固定在支柱上端；支柱下端插入底座开孔内，应变梁与支柱之间通过调整螺丝固定。

光纤一端为光纤光栅并固定在应变梁上，另一端依次穿过外壳、光缆接头进入铠装光缆；光纤与外壳连接的部位用密封胶密封固定密封，外壳盖与外壳密封连接，外壳盖通过光缆接头连接铠装光缆。

所述接头包括卡套接口式接头、标准式接头、置入式接头三种，根据需要可更换。

所述卡套接口式接头的安装管件包括：锥形头、喉箍、防尘网、筛孔管、连接头、卡套接头、连接管、卡套式三通接头、截止阀、液压表三通和液压表。

锥形头尾端插入筛孔管，筛孔管与防尘网之间通过喉箍固定，筛孔管与连接头焊接在一起，连接头通过卡套接头与连接管连接，卡套式三通接头一端接连接管、另一端连接截止阀、第三端经过另一截止阀接至出水口，液压表三通一端与截止阀连接、另一端连接至传感器主体部分，液压表与液压表三通密封连接。

所述连接管设置成多段，用以导气及排水。

所述波纹管材料为1C_r18N_i9T_i、铍青铜、锡青铜或其它材料。

一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器的测试方法，应变梁与支柱在装配时，支柱下端插入底座开孔内，应变梁通过调整螺丝固定在支柱上端，应变梁头部与波纹管顶部接触，对应变梁和波纹管施加预应力，让支柱进一步插入底座，使应变梁与波纹管接触部分与支柱之间发生挠曲应变，然后将调整螺丝拧紧；通过调节应变梁与波纹管之间的预应力的大小可改变挠曲应变大小，进而能够调节传感器负压测量量程。

传感器封装后经过高精度负压变送器和活塞式压力计标定，得到波长与压力之间的线性关系，通过解调波长变化直接监测压力变化。

传感器封装后经过高精度负压变送器和活塞式压力计标定的具体方法为：

$\frac{1}{0.74{\mathrm{\λ}}_B}\×\frac{1}{2}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2})=\frac{\mathrm{kPS}}{K}$

其中，λ_B为FBG中心波长，Δλ_B1和Δλ_B2分别为光纤光栅一与光纤光栅二中心波长的变化量，P为压强；通过上式计算出

即可得到波长与压力之间的线性关系。

通过调整波纹管厚度、波纹管层数、波纹管有效波数或波纹管尺寸，能够改变传感器的灵敏度和正压量程。

通过调整应变梁宽度、厚度可调整初始预应力的大小，在装配时通过调整预应力的大小，可调整传感器负压量程。

传感器工作原理：

压力为正值时（正压）：

当气体或者液体通过接头内部通道，通过过滤网过滤后，经底座通道到达波纹管内部，压力变化会使波纹管在轴向方向发生形变，波纹管形变会推动紧贴在波纹管上部的应变梁发生挠曲形变，应变梁发生挠曲形变的同时，粘接在应变梁上下两侧的FBG也会发生形变，从而导致FBG中心波长发生形变，由于之前的标定

已知，可以得出目前传感器内部的压力值（压强值）。

压力为负值时（负压）：

当初始压力为零，传感器内部初始压力为零，当传感器测量设备内部压力为负压时，传感器内部密闭空间压强减小，由于在传感器封装时，事先给应变梁与波纹管一个预应力使其变形，因此原本在初始位置（施加预应力之后的形变位置）的波纹管，会因内部压力的减小高度会随之下降，从而导致FBG波长发生变化，进而可以得出目前传感器内部的压力值（压强值）。

本发明的有益效果是：

1.本发明适用于油气管线、城市地下煤气、热力、供水、油罐、输油管线等管网压力安全监测方面，消除了电子传感器本身带电，本质不安全的隐患，同时相对电子传感器，在容量上也有了大的提升。

2.本发明应用于煤岩体瓦斯压力实时在线监测方面，避免了只监测单一数据所带来的误差，提高了系统的灵敏度和准确度，远程在线监测功能的实现，在节省人力、物力和时间的同时，又避免人员到现场进行监测可能带来的人身危险。

3.本发明根据实际使用要求可通过选择传感器灵敏度以及量程。改变波纹管材料、波纹管材料厚度，波纹管直径，波纹管的层数、波纹管有效波数，可实现对传感器灵敏度及正压量程的调整，通过调整装配时对波纹管以及应变梁预应力的大小，可调整传感器负压量程的调整。

4.本发明传感器检测容量大，根据实际安装要求可选择多种配套连接接头，以适应工程需求；传感器结构相对简单，零部件加工方便，节约成本。

5.传感器以光波为信息载体，不受电磁干扰，可在强电磁场环境下数据采集；信号通过光缆传输，信号衰减小，传输距离远。

6.传感器本身采用防火、耐腐蚀材料，强度刚度高，不易损坏。

附图说明

图1为带有卡套接口式接头的光纤光栅压力传感器结构示意图；

图2为带有标准接头的光纤光栅压力传感器结构示意图；

图3为带有置入式接头的光纤光栅压力传感器结构示意图；

图4为传感器主体正面剖视图；

图5为卡套接口式接头配套连接结构整体装配图；

图6为卡套接口式接头结构示意图；

图7为标准接头结构示意图；

图8为置入式接头结构示意图；

图9(a)为传感波纹管与应变梁装配未发生挠曲应变示意图；

图9(b)为传感波纹管与应变梁装配发生挠曲应变示意图；

图10为传感器波长差与压力值的线性关系图。

其中，1’.卡套接口式接头，1’’.标准接头，1’’’.置入式接头，2.过滤网，3.底座，4.外壳，5.波纹管，6.应变梁，7.光纤光栅一，8.光纤光栅二，9.光纤，10.外壳盖，11.光缆接头，12.铠装光缆，13.密封胶，14.密封圈，15.调整螺丝，16.支柱，17.法兰盘，18.固定螺丝，19.锥形头，20.喉箍，21.防尘网，22.筛孔管，23.连接头，24.卡套接头，25.连接管，26.卡套式三通接头，27.截止阀，28.液压表三通，29.液压表。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1-图4所示，一种可实现正负压监测的波纹管结构光纤光栅压力传感器，传感器主体部分包括：

卡套接口式接头1’，连接其配套连接结构后，用于检测煤层瓦斯压力。

标准式接头1’’，可直接连接到要测量的压力管道上。

置入式接头1’’’，可直接放置于要测量的压力密闭空间内。

过滤网2，为粉末冶金烧结网，用于过滤气体以及液体杂质防止传感器内部堵塞。

底座3，为波纹管、法兰盘和支柱提供固定平台。

外壳4，用来营造密闭空间，同时起到保护传感器内部构件的作用。

波纹管5，材料为1C_r18N_i9T_i、铍青铜、锡青铜或其它材料，波纹管5厚度可调，波纹管5层数由1到多层可选，波纹管5有效波数以及尺寸可选。可根据实际需求对波纹管5各参数进行调整，以满足不同压力不同环境需要。

应变梁6，上下两侧均可粘接固定光纤光栅，为光纤光栅粘接提供粘接平台。

光纤光栅一7和光纤光栅二8（以下简称为FBG1、FBG2），中心波长不同，为分别位于应变梁上下两侧。

光纤9，光纤上串有两个中心波长不同的FBG。

外壳盖10，保护密封胶密封部位光纤到光缆接头部位的光纤。

光缆接头11，用来连接固定光缆与传感器。

铠装光缆12，用来连接传感器与解调仪。

密封胶13为353ND胶与704胶的合称，密封时，先将光纤出纤口部位用704胶粘堵，然后灌满353ND胶，然后进行固化，固化温度及时间需按规定要求进行，以保证其良好的密封性。

密封圈14四个，为不同型号的o型圈，材料为丁腈，用于各部件之间的密封。

调整螺丝15，用来固定支柱，为标准件。

固定螺丝19四个，用于法兰盘与底座的连接固定，为标准件。

支柱16，用来固定和调整应变梁，通过支柱伸入底座上开孔的长度，调整应变梁与波纹管之间预紧力大小，进而调整应变梁发生挠曲应变的大小，以此来调节传感器的负压量程。

波纹管5与法兰盘17之间通过焊接连接及密封。

接头与外壳4为螺纹连接，两者之间有密封圈进行密封；过滤网2、底座3、外壳4、波纹管5、应变梁6、光纤光栅一7、光纤光栅二8、光纤9、密封胶13、密封圈14、调整螺丝15、支柱16、法兰盘17、固定螺丝18设置在外壳内部；波纹管5与法兰盘17之间焊接连接，焊接后的法兰盘17通过固定螺丝18固定在底座3上，底座3与法兰盘17之间有密封圈14进行密封；光纤光栅一7与光纤光栅二8固定在应变梁6两侧；应变梁6通过螺钉固定在支柱16上端同时应变梁6头部与波纹管5顶部接触并通过调整支柱16插入底座3开孔的深度，施加一定预应力压紧波纹管5；支柱16下端插入底座3开孔内，通过调整螺丝15将施加预应力的应变梁6与支柱16进行固定；底座3通过螺纹连接固定在外壳4上，底座3与外壳4之间有密封圈14进行密封；过滤网2安置于底座3开口端与接头内部之间，并通过接头固定；光纤9一端为光纤光栅并固定在应变梁6上，另一端依次穿过外壳4、光缆接头11进入铠装光缆12；光纤9与外壳4连接的部位用密封胶13密封固定密封，外壳盖10用于保护密封胶13密封部位到光缆接头11部位的光纤9；外壳盖10与外壳4螺纹连接，之间有密封圈14进行密封，外壳盖10通过光缆接头11连接铠装光缆12。

应变梁6与FBG之间粘接固定前需将应变梁6进行超声波清洗，以保证粘接表面干净，从而保证应变梁6与FBG之间结合紧密可靠。

应变梁6与波纹管5上部装配时，需要对应变梁6施加预应力，通过调整支柱16插入底座3上开孔的深度来调整应变梁6与波纹管5接触部分与支柱16之间变形，使应变梁6与波纹管5接触部分发生挠曲应变。如图9(a)和图9(b)所示。

应变梁6与波纹管5上部装配时，可通过调节应变梁6与波纹管5之间的预应力来调节负压量程。

如图5所示，卡套接口式接头1’配套安装接头管件部分包括：锥形头19、喉箍20、防尘网21、筛孔管22、连接头23、卡套接头24、连接管25、卡套式三通接头26、截止阀27、液压表三通28、液压表29。

其中，锥形头19，在安装连接结构时起到导向作用，材料为电木；喉箍20，用来将防尘网紧紧固定在筛孔管上，材料为304不锈钢；防尘网21，为150目的钢网，缠绕在筛孔管上，起到防尘作用，材料为304不锈钢；筛孔管22，为防尘网的固定平台，同时起到支撑防尘网的作用，材料为304不锈钢；连接头23，用来连接筛孔管22以及连接管25，材料为304不锈钢；连接管25，用来导气或排水，材料为304无缝不锈钢管，耐压值在10MPa以上；卡套接头24多个，用来连接及密封各连接头，材料为304不锈钢，耐压值在10MPa以上；卡套式三通接头26，用来连接以及分流作用，材料为304不锈钢，耐压值在10MPa以上；截止阀27两个，用来控制气体以及液体通断，主体材料为304不锈钢，密封压力在10MPa以上；液压表三通28，用来连接液压表以及导气管，材料为304不锈钢，耐压值在10MPa以上；液压表29，用来显示管道内压力，对光纤光栅式传感器作补充，为现场井下人员提供信息。

锥形头19与筛孔管22之间通过螺钉连接；筛孔管22与防尘网21之间通过三只喉箍20固定；筛孔管22与连接头23之间通过焊接连接；液压表29与液压表三通28之间通过螺纹连接，两者之间有密封圈进行密封；

为方便视图，A-B之间防尘网未予画图；C端为排水口；D端为传感器主体部分。

标准式接头1’’可与设备管道等标准接头连接，进行压力（正压负压）检测。

置入式接头1’’’，与传感器主体连接后，可整体放入要测量密闭空间，进行压力（正压负压）检测。

三种接头的结构示意图如图6-图8所示，

卡套接口式接头1’与配套连接设备之间密封方式采用金属锥面密封，其密封原理与卡套接头密封原理相同，在高压以及超高真空环境中，可获得很好的密封效果。

标准式接头1’’，螺纹可选择M20X1.5或者标准各尺寸的密封管螺纹使之与大部分设备连接接头配套，连接方便快捷，与相关设备连接密封形式一般选用o型圈密封方式或者管螺纹密封方式。

置入式接头1’’’，仅与传感器主体连接，传感器使用时可整体放入要测量密闭空间，例如液体或者气体内，进行压力监测，或放入液体中进行液位监测。

具体计算公式如下：

根据已有技术和资料已知温度和应变对应变梁共同产生的波长变化Δλ_B＝0.74λ_Bε_B，其中λ_B为FBG中心波长，ε_B为应变。即：

${\mathrm{\ϵ}}_B=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{0.74{\mathrm{\λ}}_B}---\left(1\right)$

形变产生后，两根光栅的应变分别为：

ε_B1＝ε_T+ε_M   （2）

ε_B2＝ε_T-ε_M   （3）

其中ε_T为温度影响导致的应变，ε_M为挠曲导致的应变。

由式（2）和式（3）得：

${\mathrm{\ϵ}}_M=\frac{1}{2}({\mathrm{\ϵ}}_{B1}-{\mathrm{\ϵ}}_{B2})---\left(4\right)$

由式（1）知

${\mathrm{\ϵ}}_M=\frac{1}{0.74{\mathrm{\λ}}_B}\×\frac{1}{2}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2})---\left(5\right)$

光纤光栅波长变化

与挠曲应变ε_M成线性且一一对应关系。

同时，温度对同种环境下的光栅产生的应变相同，都为ε_T，通过式（1）式（2）和式（3）结合，我们消除了ε_T，从而消除了温度对所需测量结果ε_M的影响。

挠曲应变ε_M可简化为液体或者气体对传感器内部波纹管轴向形变量乘以一个系数

ε_M＝k·X   （6）

式中k为系数，X为波纹管轴向形变量

根据胡克定律

F＝K·X   （7）

K为物体的劲度（倔强）系数，X为弹性形变值。物体的劲度（倔强）系数与波纹管的材质、厚度、层数、直径以及有效波数等有关，当确定好波纹管型号时，其劲度系数K也随之确定。

根据压力压强换算公式

F＝P·S   （8）

其中P为压强，S为受力面积

由式（5）、式（6）、式（7）、式（8）得出：

${\mathrm{\ϵ}}_M=\frac{1}{0.74{\mathrm{\λ}}_B}\×\frac{1}{2}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2})=-\frac{\mathrm{kPS}}{K}--\left(9\right)$

传感器封装后经过高精度负压变送器和活塞式压力计标定（通过压强P进行标定，FBG波长及波长变化由解调仪解调），P、λ_B、Δλ_B1、Δλ_B2均已知，因此可求出

且

为确定的常数，因此在求出

后，我们可以通过解调波长变化直接监测压力（压强）变化，同时，进一步明确了可以通过改变波纹管的型号（包括材质、厚度、层数、直径以及有效波数等）来改变传感器的灵敏度及量程。传感器波长差与压力值的线性关系图如图10所示。

传感器卡套接口式接头1’配套连接结构安装使用说明：

使用时采用标准《AQ/T1047-2007煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》，采用主动测压方法。

首先进行打孔，然后将事先装配好的锥形头19、筛孔管22、防尘网21、喉箍20等送入孔内，然后依次用连接管25及卡套接头24进行延长至合适位置，然后将连接头23以下至打孔孔口以上部位进行密封，为连接头23上端与煤层之间营造一个密封的空间。最后将卡套式三通26、截止阀27、液压表三通28、液压表29、传感器等进行相应连接。当密封空间有积水时，可通过放水口端的截止阀27对密封空间内的水进行放水，排出水压，使测量瓦斯气体压力更加准确。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器，其特征是，包括：接头、过滤网、底座、外壳、波纹管、光纤光栅一、光纤光栅二、光纤、光缆接头、铠装光缆、支柱、法兰盘、用于保护密封胶密封部位到光缆接头部位光纤的外壳盖以及用于粘接光纤光栅并施加预应力的应变梁；

所述接头与外壳密封连接；过滤网、底座、外壳、波纹管、应变梁、光纤光栅一、光纤光栅二、光纤、支柱和法兰盘设置在外壳内部；波纹管与法兰盘通过焊接密封，并固定在一起，法兰盘固定在底座上，底座与法兰盘之间密封连接；所述底座与外壳密封连接，过滤网设置在底座开口端与接头内部之间，并通过接头固定；

所述光纤光栅一与光纤光栅二固定在应变梁两侧；应变梁固定在支柱上端；支柱下端插入底座开孔内，应变梁与支柱之间通过调整螺丝固定；

光纤一端为光纤光栅并固定在应变梁上，另一端依次穿过外壳、光缆接头进入铠装光缆；光纤与外壳连接的部位用密封胶密封固定密封，外壳盖与外壳密封连接，外壳盖通过光缆接头连接铠装光缆。

2.如权利要求1所述的一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述接头包括卡套接口式接头、标准式接头、置入式接头三种，根据需要可更换。

3.如权利要求1所述的一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述卡套接头的安装管件包括：锥形头、喉箍、防尘网、筛孔管、连接头、卡套接头、连接管、卡套式三通接头、截止阀、液压表三通和液压表；

锥形头尾端插入筛孔管，筛孔管与防尘网之间通过喉箍固定，筛孔管与连接头焊接在一起，连接头通过卡套接头与连接管连接，卡套式三通接头一端接连接管、另一端连接截止阀、第三端经过另一截止阀接至出水口，液压表三通一端与截止阀连接、另一端连接至传感器主体部分，液压表与液压表三通密封连接。

4.如权利要求1所述的一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述连接管设置成多段，用以导气及排水。

5.如权利要求1所述的一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器，其特征是，所述波纹管材料为1C_r18N_i9T_i、铍青铜、锡青铜或其它材料。

6.一种如权利要求1所述的可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器的测试方法，其特征是，应变梁与支柱在装配时，支柱下端插入底座开孔内，应变梁通过调整螺丝固定在支柱上端，应变梁头部与波纹管顶部接触，对应变梁和波纹管施加预应力，让支柱进一步插入底座，使应变梁与波纹管接触部分与支柱之间发生变形，产生挠曲应变，然后将调整螺丝拧紧；通过调节应变梁与波纹管之间的预应力的大小，能够调节传感器负压测量量程；

传感器封装后经过高精度负压变送器和活塞式压力计标定，得到波长与压力之间的线性关系，通过解调波长变化直接监测压力变化。

7.如权利要求6所述的一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器的测试方法，其特征是，传感器封装后经过高精度负压变送器和活塞式压力计标定的具体方法为：

$\frac{1}{0.74{\mathrm{\λ}}_B}\×\frac{1}{2}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2})=\frac{\mathrm{kPS}}{K}$

其中，λ_B为FBG中心波长，Δλ_B1和Δλ_B2分别为光纤光栅一与光纤光栅二中心波长的变化量，P为压强；通过上式计算出即可得到波长与压力之间的线性关系。

8.如权利要求6所述的一种可实现正负压监测的光纤光栅压力传感器的测试方法，其特征是，通过调整波纹管厚度、波纹管层数、波纹管有效波数或波纹管尺寸，能够改变传感器的灵敏度和正压量程；通过调整装配时对波纹管以及应变梁预应力的大小，能够改变传感器的负压量程。

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