一种杠杆式光纤光栅压力传感器制造技术

本发明专利技术为一种杠杆式光纤光栅压力传感器，属于光纤传感领域。该传感器采用膜片与杠杆组合结构，基于杠杆平衡原理，将作用在传感器膜片的竖向压力转化为金属弹性元件的伸长量，用于压力测量的光纤光栅粘贴在金属弹性元件中心，与金属弹性元件产生协同应变，引起波长变化。本发明专利技术杠杆支点处金属球与球形凹槽相扣，实现杠杆的转动；杠杆底部铣有三个球形凹槽，通过调节金属球在凹槽的位置调节杠杆的支点，实现压力传感器精度、量程可调节的目的。本发明专利技术给出杠杆式光纤光栅压力传感器所受压力与光纤光栅波长变化之间的理论关系式，通过光纤光栅解调仪对光纤光栅波长变化的数据采集实现杠杆式光纤光栅压力传感器对压力的实时监测。

【技术实现步骤摘要】
一种杠杆式光纤光栅压力传感器
本专利技术基于光纤光栅传感技术，涉及一种压力传感器的结构，属于光纤传感

技术介绍
压力是造成结构变形、损坏的主要原因，过大的压力不仅使结构产生较大的形变，降低结构的承载力，还会缩短结构的使用寿命。因此，工程中通过压力传感器对结构所受的压力进行监测来评估结构的安全性。近年来，随着光纤光栅传感技术的不断发展，光纤光栅具有传输损耗小、耐腐蚀、抗电磁干扰等优良性能。目前，一些研究人员开发了光纤光栅压力传感器，作为一种新型的传感器，与传统压力传感器相比可以实现对压力的远距离长期稳定监测。由于实际工程中对压力传感器性能指标的要求不断提高，需要开发量程、精度及灵敏度等相关参数满足实际应用要求的光纤光栅压力传感器。本专利技术利用光纤光栅的优良特性，基于光纤光栅的传感原理，开发出一种结构形式简单、易于加工、耐久性良好，且量程、精度可以调节的杠杆式光纤光栅压力传感器来实现对压力的实时监测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于利用光纤光栅的优良特性，采用膜片与杠杆组合结构，基于杠杆平衡原理，提供一种结构形式简单、易于加工、抗腐蚀、线性度良好、精度可调节的杠杆式光纤光栅压力传感器。为了实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种杠杆式光纤光栅压力传感器，包括：金属弹性膜片、插销、杠杆、凹槽、金属球、支座、金属弹性元件一、用于测量压力的光纤光栅、金属弹性元件二、温度补偿光纤光栅、金属外保护壳、预留孔洞；金属弹性膜片四周固接在金属外保护壳顶部，金属弹性膜片中心搭接在插销顶部，插销上部止位于杠杆上，插销下部穿过杠杆左侧的孔洞布置；杠杆下端设有三个凹槽，金属球上端紧扣在杠杆底部的一个凹槽内部，金属球下端与支座抵接，支座固接在金属外保护壳底座上；在杠杆右端固接有金属弹性元件一，金属弹性元件一下端固接在金属外保护壳底座上；用于测量压力的光纤光栅粘贴在金属弹性元件一的中心位置，金属弹性元件二与金属弹性元件一对应设在在金属外保护壳内；将温度补偿光纤光栅粘贴在与金属弹性元件二的中心位置；金属外保护壳底部设有预留孔洞。凹槽为球型凹槽，金属球上端紧扣在其中一个凹槽内部。插销为上端粗，下端细的阶梯结构。本专利技术具有的优点和效果是：1、本专利技术中金属弹性膜片尺寸需满足薄板条件和小挠度条件，并将金属弹性膜片固结在金属外保护壳的顶部，满足金属弹性膜片四边固支的模型。2、本专利技术中杠杆支点处采用金属球与球型凹槽相扣的形式连接，降低了杠杆转动时摩擦力的影响。3、本专利技术中杠杆底部铣有三个球形凹槽，可以通过调节金属球在球形凹槽的位置，即调节杠杆支点的位置实现杠杆式光纤光栅压力传感器量程和精度的调节。4、本专利技术采用在金属弹性元件的对称位置处设置与其材质相同的金属片，并在该金属片上粘贴温度补偿光纤光栅，在长期的压力监测中实现对用于测量压力的光纤光栅温度实时补偿，降低了压力测量的误差，提高压力测量的准确度。附图说明图1是本专利技术一种杠杆式光纤光栅压力传感器的正视图。图2是本专利技术一种杠杆式光纤光栅压力传感器的俯视图。图3是本专利技术一种杠杆式光纤光栅压力传感器的三维图。具体实施方式下面结合附图1-3和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本专利技术技术方案的前提下，对本专利技术所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本专利技术的权利要求范围之内。一种杠杆式光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括：金属弹性膜片1、插销2、杠杆3、凹槽4、金属球5、支座6、金属弹性元件一7、用于测量压力的光纤光栅8、金属弹性元件二9、温度补偿光纤光栅10、金属外保护壳11、预留孔洞12；金属弹性膜片1四周固接在金属外保护壳11顶部，金属弹性膜片1中心搭接在插销2顶部，插销2上部止位于杠杆3上，插销2下部穿过杠杆3左侧的孔洞布置；杠杆3下端设有三个凹槽4，金属球5上端紧扣在杠杆3底部的一个凹槽4内部，金属球5下端与支座6抵接，支座6固接在金属外保护壳11底座上；在杠杆3右端固接有金属弹性元件一7，金属弹性元件一7下端固接在金属外保护壳11底座上；用于测量压力的光纤光栅8粘贴在金属弹性元件一7的中心位置，金属弹性元件二9与金属弹性元件一7对应设在在金属外保护壳11内；将温度补偿光纤光栅10粘贴在与金属弹性元件二9的中心位置；金属外保护壳11底部设有预留孔洞12。凹槽4为球型凹槽，金属球5上端紧扣在其中一个凹槽4内部。插销2为上端粗，下端细的阶梯结构。本专利技术是一种杠杆式光纤光栅压力传感器，金属外保护壳和金属弹性膜片采用不锈钢材料对传感器内部进行封闭式保护，提高传感器的耐腐蚀性能和使用寿命；金属弹性膜片的尺寸满足薄板条件和小挠度条件，金属弹性膜片中心与插销的顶部中心处连接，其结构形式简化为带刚性中心的膜片，采用带刚性中心膜片的挠度计算公式进行理论计算；插销与杠杆通过钻孔套扣的形式连接，金属弹性元件与杠杆右端采用固结的形式连接，传递机制简单，金属弹性膜片在竖向荷载作用下产生的中心挠度通过插销直接传递给杠杆左侧，杠杆左侧产生竖向位移，再利用杠杆的结构形式转化为金属弹性元件的伸长量，使得金属弹性元件产生一定的拉应变；用于压力测量的光纤光栅沿竖向粘贴在金属弹性元件的中心部位，与金属弹性元件产生协同应变，通过光纤光栅解调仪解调用于压力测量的光纤光栅中心波长的变化，实现对压力的测量；杠杆与支点通过杠杆底部的球形凹槽与安置于支座上的金属球相扣的形式连接，使得杠杆在支点处以滚动的形式转动，减小了摩擦力在传递过程中的影响；杠杆的底部设置有三个球形凹槽，可以通过移动支座，调节金属球在杠杆底部球形凹槽的位置来调节杠杆支点的位置，实现杠杆式光纤光栅压力传感器的精度可调节的目的；温度补偿光纤光栅粘贴在与金属弹性元件对称位置的金属片的中心部位，实现对用于压力测量的光纤光栅的温度补偿，减小温度对用于压力测量光纤光栅的影响，使得压力实时测量结果更为准确。本专利技术是一种杠杆式光纤光栅压力传感器，其对压力进行测量的基本原理：本专利技术采用膜片与杠杆组合结构，带刚性中心的膜片在压力作用下产生的挠度通过杠杆结构转化为金属弹性元件的伸长量，使得粘贴在金属弹性元件上的光纤光栅波长变化，通过解调光纤光栅波长的变化实现对压力的测量。设金属弹性膜片在受到竖向荷载的有效半径为R，其厚度为h，留在杠杆通孔外部的插销上端半径为r，金属弹性膜片须满足薄板条件和小挠度条件。带刚性中心的弹性膜片中心挠度为：其中，q—均布荷载，μ—膜片泊松比，E—膜片弹性模量，R—膜片有效半径，r—硬芯半径插销简化为金属弹性膜片下端的刚性中心,带刚性中心的弹性膜片中心挠度即为插销的竖向位移。插销与杠杆直接连接，则杠杆左侧产生向下的位移大小即为金属弹性膜片在竖向荷载作用下的中心挠度。利用杠杆的平衡原理及几何变形方程可得：则其中，l1—插销到支点的距离，l2—支点到杠杆右端距离，Δl—杠杆右端的竖向位移金属弹性元件产生的伸长量与杠杆右端产生的竖向位移一致，因此，金属弹性元件的应变为：用于压力测量的光纤光栅受应变及温度的影响，即：其中，—光纤光栅应变灵敏度系数；αT1—光纤光栅温度灵敏度系数不受力的温度补偿光栅中心波长变化值仅与温度有关，则：ΔλB2＝αT2·ΔT(5)对于同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种杠杆式光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括：金属弹性膜片(1)、插销(2)、杠杆(3)、凹槽(4)、金属球(5)、支座(6)、金属弹性元件一(7)、用于测量压力的光纤光栅(8)、金属弹性元件二(9)、温度补偿光纤光栅(10)、金属外保护壳(11)、预留孔洞(12)；金属弹性膜片(1)四周固接在金属外保护壳(11)顶部，金属弹性膜片(1)中心搭接在插销(2)顶部，插销(2)上部止位于杠杆(3)上，插销(2)下部穿过杠杆(3)左侧的孔洞布置；杠杆(3)下端设有三个凹槽(4)，金属球(5)上端紧扣在杠杆(3)底部的一个凹槽(4)内部，金属球(5)下端与支座(6)抵接，支座(6)固接在金属外保护壳(11)底座上；在杠杆(3)右端固接有金属弹性元件一(7)，金属弹性元件一(7)下端固接在金属外保护壳(11)底座上；用于测量压力的光纤光栅(8)粘贴在金属弹性元件一(7)的中心位置，金属弹性元件二(9)与金属弹性元件一(7)对应设在在金属外保护壳(11)内；将温度补偿光纤光栅(10)粘贴在与金属弹性元件二(9)的中心位置；金属外保护壳(11)底部设有预留孔洞(12)。

【技术特征摘要】
1.一种杠杆式光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括：金属弹性膜片(1)、插销(2)、杠杆(3)、凹槽(4)、金属球(5)、支座(6)、金属弹性元件一(7)、用于测量压力的光纤光栅(8)、金属弹性元件二(9)、温度补偿光纤光栅(10)、金属外保护壳(11)、预留孔洞(12)；金属弹性膜片(1)四周固接在金属外保护壳(11)顶部，金属弹性膜片(1)中心搭接在插销(2)顶部，插销(2)上部止位于杠杆(3)上，插销(2)下部穿过杠杆(3)左侧的孔洞布置；杠杆(3)下端设有三个凹槽(4)，金属球(5)上端紧扣在杠杆(3)底部的一个凹槽(4)内部，金属球(5)下端与支座(6)抵接，支座(6)固接在金属外保护...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丽，胡晓敏，孙立晔，张春巍，康奎久，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，沈阳优易施建筑科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21