CN202329886U

CN202329886U - 基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器

Info

Publication number: CN202329886U
Application number: CN2011203373015U
Authority: CN
Inventors: 李川; 李得利
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-09-09

Abstract

本实用新型涉及一种差动式光纤Bragg光栅渗压传感器，属光电子测量器件技术领域。它由普通的侧面带有安装孔的金属外壳、等强度悬臂梁、波纹管、透水石、光纤引出孔、光纤、两个光纤Bragg光栅构成；透水石与波纹管的固定端连接并固定在安装孔处；波纹管采用外配合、封闭底的基本结构型式，其开放端与侧面带有安装孔的金属外壳固定、封闭端与等强度悬臂梁固定；两个光纤Bragg光栅分别粘贴于等强度悬臂梁上、下表面中心轴线的对应位置；光纤通过光纤引出孔与外接光纤连接。波纹管和等强度悬臂梁构成双增敏结构，提高了光纤Bragg光栅的测量灵敏度，采用现有的差动温度补偿方法来解决光纤Bragg光栅的应变、温度交叉敏感问题，克服了温度变化对测量的影响，在温度变化后不需要反复标定，保障光纤Bragg光栅在实际应用中渗压测量的精度，实现渗压的精确测量。

Description

基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式封装结构的双光纤Bragg光栅渗压传感器，属光电子测量器件技术领域。

技术背景

渗压传感器是在岩土工程中用于测量孔隙压力的一种压力测量仪器。孔隙压力即孔隙流体所承受的压力，其产生的主要原因包括：孔隙水的自重形成的渗流场和作用在土体单元上的总应力的变化。由于具有波长编码以及质轻、耐久、电绝缘等诸多优点，近年来基于光纤Bragg光栅的测量方案发展迅速。由于光纤Bragg光栅对温度敏感，因此在检测其他物理量时要去除温度的影响，保证实际应用中渗压测量的精度。

目前典型的与本实用新型最接近的光纤Bragg光栅渗压传感器为基于平膜片和等强度悬臂梁封装的渗压传感器（参见文献：周智、张广玉、王丹、欧进萍，“一种光纤光栅渗压计”，实用新型专利说明书，2007年8月，授权公告号：CN2938032）。该技术采用装有传力杆的平膜片与等强度梁的结构对渗压进行测量。由于其采用膜片结构，器件组装要求较高且不宜用于较大量程的渗压测量。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器，可以消除温度变化对光纤Bragg光栅测量的干扰，保障光纤Bragg光栅在实际渗压检测中的测量精度。

本实用新型由普通的侧面带有安装孔的金属外壳1、等强度悬臂梁2、波纹管3、透水石4、光纤引出孔5、光纤6、第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8构成，透水石4与波纹管3的固定端连接并固定在安装孔处；波纹管3采用外配合、封闭底的基本结构型式，其开放端与侧面带有安装孔的金属外壳1固定、封闭端与等强度悬臂梁2的自由端相连；第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8分别粘贴于等强度悬臂梁2上、下表面中心轴线的对应位置；光纤6通过光纤引出孔5与外接光纤连接。

第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8可以是同一型号具有相同敏感系数的光纤Bragg光栅。

本实用新型的工作原理为:

使用透水石4将波纹管3的开放端封闭以隔离外界环境中的杂质，使得波纹管3的内腔形成渗压测量腔。当渗压作用于渗压测量腔时，波纹管3产生轴向位移并带动等强度悬臂梁2的自由端产生形变。通过分别粘贴在等强度悬臂梁2上、下表面中心轴线处的第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8，将等强度悬臂梁2的形变转换为光纤Bragg光栅的中心波长移位。然后通过输入输出光纤将两光纤Bragg光栅与信号处理装置连接，利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值。由于两根光纤Bragg光栅分别粘贴在等强度悬臂梁上、下表面中心轴线的对应位置上，形成差动结构，所以通过对光纤Bragg光栅中心波长移位值的测量和计算就可以消除温度对系统的影响，从而建立波长与渗压的对应关系，实现渗压的精确测量。

本实用新型的数学模型如下：

当对渗压测量腔施加压强p时，波纹管产生轴向位移使等强度悬臂梁产生形变，此时等强度悬臂梁上表面受拉力，下表面受压力。由于波纹管为柔性敏感元件，此时波纹管自由端对等强度悬臂梁自由端施加的压力会产生一个反作用力反作用于波纹管自由端。分别对波纹管和等强度悬臂梁进行分析可知：

Figure DEST_PATH_520657DEST_PATH_IMAGE001

...............................(1)

Figure DEST_PATH_127219DEST_PATH_IMAGE002

....................................(2)

式中，F为强度悬臂梁受到的压力；W为系统的总位移；K ₁、K ₂分别为强度悬臂梁和波纹管的刚度；p为作用于波纹管内的压强；A为波纹管有效面积。

其中，等强度悬臂梁的刚度K ₁为：

Figure DEST_PATH_120583DEST_PATH_IMAGE003

...............................(3)

式中，

Figure DEST_PATH_812595DEST_PATH_IMAGE004

为等强度悬臂梁材料的弹性模量；B为等强度悬臂梁的底宽；

Figure DEST_PATH_549607DEST_PATH_IMAGE005

为等强度悬臂梁的厚度；L为等强度悬臂梁的有效长度。

波纹管的刚度K ₂与波纹管的波数n成及波纹管单波刚度K有关，波纹管的单波刚度K为给定值，与波纹管的材料及尺寸有关。三者之间的关系可表示为：

..................................(4)

对波纹管有效面积提出的要求及其计算方法取决于波纹管的用途。本设计方案中波纹管作为弹性密封件使用，有效面积的意义仅在于用来计算系统中的推力，此时采取任何一种有效面积的经验公式算出其近似值就完全足够了。波纹管有效面积为：

Figure DEST_PATH_440520DEST_PATH_IMAGE007

...........................(5)

式中，

Figure DEST_PATH_118363DEST_PATH_IMAGE008

为波纹管外半径；

Figure DEST_PATH_393487DEST_PATH_IMAGE009

为波纹管内半径。

由式(1)、式(2)可得：

Figure DEST_PATH_974641DEST_PATH_IMAGE010

................................(6)

当对渗压测量腔施加压强p时，等强度悬臂梁的上表面受拉力，应变为正；下表面受压力，应变为负。以等强度悬臂梁上表面为例，其轴向应变为：

..............................(7)

当温度和应力同时作用于光栅时，等强度悬臂梁上表面受到的是拉伸应变，下表面受到的是压缩应变

Figure DEST_PATH_55227DEST_PATH_IMAGE013

。若两支FBG处于同一温度场内，则其Bragg波长漂移量可表示为：

Figure DEST_PATH_553204DEST_PATH_IMAGE014

.....................(8)

式中，和

Figure DEST_PATH_213172DEST_PATH_IMAGE016

分别为粘贴在等强度悬臂梁上表面的光纤Bragg光栅1的初始中心波长及其变化量；

Figure DEST_PATH_531896DEST_PATH_IMAGE017

和

Figure DEST_PATH_884380DEST_PATH_IMAGE018

分别为粘贴在等强度悬臂梁下表面的光纤Bragg光栅2的初始中心波长及其变化量；

Figure DEST_PATH_764611DEST_PATH_IMAGE019

为有效弹光系数；

为光纤材料的热光系数；

为光纤材料的热膨胀系数；

Figure DEST_PATH_33416DEST_PATH_IMAGE022

为温度变化量。由于光纤Bragg光栅粘贴在金属悬臂梁的表面，金属的热膨胀系数远大于光纤的热膨胀系数，所以实际热膨胀系数为金属悬臂梁材料的热膨胀系数

Figure DEST_PATH_84548DEST_PATH_IMAGE023

。

将式（6）、式（7）带入式（8）可得：

................(9)

由式(9)可得:

Figure DEST_PATH_670305DEST_PATH_IMAGE025

....................(10)

本方案要求传感元件采用同一型号具有相同敏感系数的光纤Bragg光栅,即两个光纤Bragg光栅的初始波长相等且均为

Figure DEST_PATH_731802DEST_PATH_IMAGE026

，即光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对渗压p的响应灵敏度为：

Figure DEST_PATH_953836DEST_PATH_IMAGE027

....................(11)

式（11）表明了该渗压传感器所受到的压强p与光纤Bragg光栅的Bragg波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的Bragg波长移位可以计算出系统所受到的渗压。

有益效果

本传感器中，波纹管和等强度悬臂梁构成双增敏结构，提高了光纤Bragg光栅的测量灵敏度。采用现有的差动温度补偿方法来解决光纤Bragg光栅的应变、温度交叉敏感问题，克服了温度变化对测量的影响，在温度变化后不需要反复标定，保障光纤Bragg光栅在实际应用中渗压测量的精度，实现渗压的精确测量。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图中各标号依次表示：带有安装孔的金属外壳1 ，等强度悬臂梁2 ，波纹管3 ，透水石4，光纤引出孔5，光纤6，第一光纤Bragg光栅7、第二光纤Bragg光栅8。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型由普通的侧面带有安装孔的金属外壳1、等强度悬臂梁2、波纹管3、透水石4、光纤引出孔5、光纤6、第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8构成，透水石4与波纹管3的固定端连接并固定在安装孔处；波纹管3采用外配合、封闭底的基本结构型式，其开放端与侧面带有安装孔的金属外壳1固定，封闭端与等强度悬臂梁2固定；第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8分别粘贴于等强度悬臂梁2上、下表面中心轴线的对应位置；光纤6通过光纤引出孔5与外接光纤连接。

具体参数为：

实施例一：

1、等强度悬臂梁材料以316L不锈钢(022Cr17Ni12Mo2)为例，弹性模量E ₁=200GPa，有效长度L=20mm,底宽B=6mm，厚度h ₁=2.2mm，热膨胀系数

Figure DEST_PATH_366363DEST_PATH_IMAGE023

=16.0×10^-6/℃，将相关数据代入式（3）可得等强度悬臂梁刚度

Figure DEST_PATH_332045DEST_PATH_IMAGE003

=266.2N/mm。

2、波纹管材料以1Crl8Ni9Ti为例，内径R _B=11mm，外径R _H=18mm，壁厚h ₂=0.10mm，单波轴向刚度K=60.0N/mm，单波允许的最大轴向位移为0.32mm，内压的最大耐压力为2.75MPa。选取波纹管有效波纹数n=3，将相关数据代入式（4）可得波纹管的刚度=20.0N/mm。将相关数据代入式（5）可得波纹管有效面积

Figure DEST_PATH_703300DEST_PATH_IMAGE007

=165.13mm²。

3、光纤Bragg光栅技中心波长λ=1550nm，有效弹光系数

Figure DEST_PATH_540806DEST_PATH_IMAGE028

。根据中华人民共和国通信行业标准YD/T 716-94《光纤强度筛选（验证）试验方法纵向张力复绕法》规定，光纤的最小筛选应力（1级）为0.35GPa，即光纤至少可承受的应变为，此时光纤Bragg光栅最大波长移位为：

Figure DEST_PATH_844804DEST_PATH_IMAGE030

。

4、按附图1配置实验。

5、用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。

将已知量代入式（11），理论计算表明，该渗压传感器的灵敏度7.67nm/MPa。当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该渗压传感器的分辨率为260.8Pa，理论最大量程受限于光纤的轴向拉伸强度，为0.766MPa。在实际工程应用中为保证传感器监测的准确性和长期有效性，一般取理论量程的

Figure DEST_PATH_205378DEST_PATH_IMAGE031

倍作为实际量程，即该渗压传感器方案可满足0.5MPa以下的渗压监测需要。

实施例二：

改变波纹管的尺寸，取波纹管内径R _B=8.0mm，外径R _H=12mm，壁厚h ₂=0.10mm，单波轴向刚度K=106.2N/mm，单波允许的最大轴向位移为0.15mm，内压的最大耐压力为2.75MPa，选取波纹管有效波纹数n=5。

理论计算可得：该渗压传感器的灵敏度3.634nm/MPa。当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该渗压传感器的分辨率为550.4Pa，理论最大量程受限于光纤的轴向拉伸强度，为1.62MPa。在实际工程应用中取理论量程的

Figure DEST_PATH_530180DEST_PATH_IMAGE031

倍作为实际量程，即该渗压传感器方案可满足1MPa以下的渗压监测需要。

实施例三：

改变波纹管的材料和尺寸，使用QBe2材料，取波纹管内径R _B=6.0mm，外径R _H=10mm，壁厚h ₂=0.10mm，单波轴向刚度K=171.2N/mm，单波允许的最大轴向位移为0.20mm，内压的最大耐压力为2.92MPa，选取波纹管有效波纹数n=3。

理论计算可得：该渗压传感器的灵敏度2.07nm/MPa。当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该渗压传感器的分辨率为966.2Pa，理论最大量程受限于光纤的轴向拉伸强度，为2.84MPa。在实际工程应用中取理论量程的

Figure DEST_PATH_899981DEST_PATH_IMAGE031

倍作为实际量程，即该渗压传感器方案可满足2MPa以下的渗压监测需要。

实例四：

改变波纹管的材料和尺寸，使用QBe2材料，取波纹管内径R _B=4.0mm，外径R _H=6.0mm，壁厚h ₂=0.08mm，单波轴向刚度K=181.0N/mm，单波允许的最大轴向位移为0.10mm，内压的最大耐压力为4.10MPa，选取波纹管有效波纹数n=3。

理论计算可得：该渗压传感器的灵敏度799.7pm/MPa。当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该渗压传感器的分辨率为2500.94Pa，理论最大量程受限于波纹管可承受的内压，为4.1MPa。在实际工程应用中取理论量程的

Figure DEST_PATH_728260DEST_PATH_IMAGE031

倍作为实际量程，即该渗压传感器方案可满足最大压强约3MPa的渗压监测需要。

本实用新型是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型专利进行各种变换及等同代替，因此，本实用新型专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本实用新型专利权利要求范围内的全部实施方案。

Claims

1.一种基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器，其特征是：包括侧面带有安装孔的金属外壳（1)、等强度悬臂梁（2）、波纹管（3）、透水石（4）、光纤引出孔（5）、光纤（6）、第一光纤Bragg光栅（7）、第二光纤Bragg光栅（8）；透水石（4）与波纹管（3）的固定端连接并固定在安装孔处，波纹管（3）采用外配合、封闭底的基本结构型式，其开放端与侧面带有安装孔的金属外壳（1）固定、封闭端与等强度悬臂梁（2）的自由端相连，第一光纤Bragg光栅（7）、第二光纤Bragg光栅（8）分别粘贴于等强度悬臂梁（2）上、下表面中心轴线的对应位置，光纤（6）通过光纤引出孔（5）与外接光纤连接。

2.根据权利要求1所述的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器，其特征是：第一光纤Bragg光栅（7）、第二光纤Bragg光栅（8）是同一型号具有相同敏感系数的光纤Bragg光栅。