采用纵向膜片的光纤压力感测装置制造方法及图纸

一种用于在光纤中产生与周围物质中的动态压力波动成比例的应力的装置。该装置包括具有第一表面和相对的第二表面的膜片，第一表面在使用中暴露于物质中的动态压力波动，该膜片适于响应于施加于其上的动态压力波动而弯曲。一个或多个光纤安装在膜片的第一表面或第二表面上，由此当膜片弯曲时在光纤中产生应力。

Optical fiber pressure sensing device with longitudinal diaphragm

A device for producing a stress in an optical fiber that is proportional to the dynamic pressure fluctuations in the surrounding material. The device includes a diaphragm having a first surface and a relative second surface, the first surface being exposed to dynamic pressure fluctuations in a substance in use, the diaphragm being adapted to bend in response to dynamic pressure fluctuations applied thereto. One or more fibers are mounted on the first or second surface of the diaphragm, thereby creating stress in the fiber when the diaphragm is bent.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用纵向膜片的光纤压力感测装置
本专利技术大体涉及固体、液体和气体物质中动态压力的监测和测量，具体涉及光纤与这些物质机械连接的方式。
技术介绍
20世纪70年代的研究，包括Kingsley博士(参考文献1和2)的研究表明，通过光纤的光经历与光纤经历的应力成比例的相变，而这又可用于应力和压力感测(参考文献3)。直至20世纪80年代中期(参考文献4)，已记录了使用来自光纤内非均匀性的反射“反向散射(backscatter)”(一种称为反射计的技术)来测量相变，其中，这种技术被称为反射计，自此成为很多进一步工作和研究的主题。大多数液体和气体动态压力测量系统的目的是测量自然发生的水声和声学信号。空气中自然界普遍存在的动态压力波动一般不高于0.5Pa(大约88dBSPL，超过此点，大多数动物听觉系统会出现不适或损坏)，并且可低至20μPa(OdBSPL)，并且仍然可通过自然手段检测。施加至(未涂覆的)光纤上的压力与施加至其上的均匀压力之间的关系仅为每帕斯卡流体或气体压力14皮升应量(14pε/Pa)的数量级。鉴于迄今为止商业反射测量仪器的灵敏度通常不高于20nε，因此需要大约15,000x(或42dB)的机械优势才能将0.1Pa的动态压力信号转换为光纤中可检测的应力水平。实现这一目标的技术主要分为两类：·第一类是使用圆形心轴，围绕圆形心轴缠绕多圈光纤，如参考文献5中所述。这种技术是静态感测和动态感测的采用最广泛的技术，因为该技术结合了：机械优势(径向到圆周)、材料优势(易于压缩的软材料的体积比硬光纤体积上占主导地位)、以及相互作用的优势(暴露许多匝数的能力，因此光纤到较小纵向剖面的压力场的长度很长)。·第二类也在参考文献5中进行了描述，是使用专门设计的光纤涂层，这提供了材料优势，但没有机械优点或相互作用长度的优势。与卷绕相比，使用直的光纤的效率优势导致了对第二类领域的大量研究。通过优化结合至光纤上的涂层的刚度，可获得作为涂层的优势，该涂层比光纤更可压缩，并且将形成复合物，该复合材料在比单独的裸光纤更大的任何给定压力下均会表现出应力。不幸的是，这种效应受到许多因素的限制，包括可使用的涂层尺寸的渐近限制以及由于邻接连续涂层光纤中固有的相邻截面材料抗性引起的相反的力。因而，涂层可获得的优势程度大体有限。非常希望创造一种机械解决方案，该解决方案结合：具有与基于心轴的解决方案类似数量级的机械和材料优势、以及直纵向光纤的简单性。相互作用长度是计算光学测量的每个空间点的长度。相互作用长度通常是测量的有效空间分辨率。其中一个主要障碍是直接光纤在波长小于相互作用长度两倍的压力波动下表现出的非均匀应力/频率特性。最初在参考文献6中描述并且最近在参考文献7的第4.4节中确认的这个问题在心轴型换能器中通过将光纤的许多线圈(即长长度)集中到小于声波长的一半的轮廓中而成功地减轻了。然而，这仍然是“直光纤”(即展开的)换能器的显着缺点。
技术实现思路
一般而言，本文提出的本专利技术的实施方式将膜片与最佳结合的光纤组合，以有效地转换流体(即液体或气体)或固体压力刺激，采用新颖的方法来克服光纤对流体压力中短波长的非均匀响应。当光纤与一种或多种不同材料结合时，本专利技术利用正(拉伸)半周期和负(压缩)半周期之间的应力传递效率的差异。一方面，本专利技术提供了一种用于在光纤中产生与周围物质中的动态压力波动成比例的应力的装置，该装置包括：膜片，具有第一表面和相对的第二表面，第一表面在使用中暴露于物质中的动态压力波动，膜片适于响应于施加于其上的动态压力波动而弯曲；以及一个或多个光纤，安装在膜片的所述第一表面或所述第二表面上，由此当膜片弯曲时在光纤中产生应力。在一些实施方式中，膜片的长度是膜片宽度的至少1×102倍，以及一个或多个光纤沿着膜片纵向延伸。在一些实施方式中，膜片的长度是膜片厚度的至少103倍，以及一个或多个光纤沿膜片纵向延伸。在一些实施方式中，膜片的厚度不大于膜片宽度的1/2。在一些实施方式中，膜片的弯曲是振荡的，振荡的周期取决于动态压力波动的频率。在一些实施方式中，膜片的厚度、宽度和杨氏模量选择为使得膜片对于给定的动态压力测量值的弯曲位移最大化。在一些实施方式中，膜片的厚度和杨氏模量选择为使得膜片的第二表面的纵向应力最大化。在一些实施方式中，膜片的厚度在0.5mm-50mm的范围内，更优选地在0.5mm-4mm的范围内。在一些实施方式中，膜片的宽度在5mm-250mm的范围内，更优选地在5mm-100mm的范围内。在一些实施方式中，膜片的杨氏模量在0.1GPa-2GPa的范围内。在一些实施方式中，该光纤或光纤中的每个均通过固定结构安装在膜片的第一表面或第二表面上，该固定结构配置成导致当膜片朝向一个或多个光纤弯曲时在该一个或多个光纤中产生的应力比当膜片远离该一个或多个光纤弯曲时在该一个或多个光纤中产生的应力更大。在这种情况下，远离光纤弯曲指的是膜片的固定光纤的表面凹入的情况，以及朝向光纤弯曲指的是该表面突出的情况。固定结构可例如包括弹性粘合剂，其杨氏模量低于膜片的杨氏模量，固定结构布置成将光纤结合至膜片的第一表面或第二表面，使得当膜片远离光纤弯曲时，粘合剂的弹性允许膜片的第二表面远离光纤移动。在该实施方式中，弹性粘合剂的杨氏模量优选在0.05MPa和10MPa之间。在另一示例中，固定结构可包括在光纤周围、在光纤与膜片之间的粘合剂和/或涂层，粘合剂和/或涂层的杨氏模量比膜片的杨氏模量小，使得当膜片远离光纤弯曲时，光纤可在粘合剂和/或涂层内变形而不是压缩。在这种情况下，粘合剂和/或涂层的杨氏模量优选在0.05MPa和10MPa之间。在一些实施方式中，该装置还可包括纵向加强件，该纵向加强件为光纤或带的形式，设置在光纤的侧部处和/或光纤的与膜片相对的侧部上。在一些实施方式中，该装置还可包括在光纤与膜片的第二表面之间的直接无粘合剂界面，具有以下特性中的一个或多个，以增加光纤与第二表面之间的摩擦系数：高摩擦材料和/或：具有高摩擦系数的涂层，和/或：在膜片的第二表面上的磨损，磨损深度的高度不超过预期的膜片位移的10％。在这种情况下，与光纤接触的膜片表面优选具有0.5nm的最大粗糙度。另一方面，本专利技术提供了一种通过使用其中光纤安装在膜片上并且膜片响应于动态压力波动而振荡的装置而响应于物质中的动态压力波动在光纤中产生应力的方法。光纤安装在膜片上，使得随着膜片振荡，光纤中的应力在振荡的一个半周期期间高于在振荡的另一半周期期间光纤中的应力。在一些实施方式中，在振荡的所述一个半周期期间，膜片用于将光纤置于张力下，以及在所述另一半周期中，光纤可相对于膜片移动，以便不被压缩。在这方面，物质可以是流体或固体。在这方面，该装置可以是根据上述第一方面的装置。附图说明图1示出了根据本专利技术实施方式的具有单个感测光纤和基底的纵向膜片的总体布置；图2示出了与现有装置相比较的本专利技术实施方式的性能；图3示出了由于施加的动态压力波动而导致图1的膜片弯曲振荡；图4示出了在施加的动态压力波动下由各种材料和各种厚度制成的110mm宽的膜片的位移的示例性有限元模型输出；图5示出了图4中膜片的表面上的应力的示例有限元模型输出；图6示出了在每个周期的两个半部中将膜片表面上的应力以相同的效率传递至光纤的情况下会本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在光纤中产生与周围物质中的动态压力波动成比例的应力的装置，所述装置包括：膜片，具有第一表面和相对的第二表面，所述第一表面在使用中暴露于所述物质中的动态压力波动，所述膜片适于响应于施加于其上的动态压力波动而弯曲；以及一个或多个光纤，安装在所述膜片的所述第一表面或所述第二表面上，由此当所述膜片弯曲时在所述光纤中产生应力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.03.21 GB 1704492.61.一种用于在光纤中产生与周围物质中的动态压力波动成比例的应力的装置，所述装置包括：膜片，具有第一表面和相对的第二表面，所述第一表面在使用中暴露于所述物质中的动态压力波动，所述膜片适于响应于施加于其上的动态压力波动而弯曲；以及一个或多个光纤，安装在所述膜片的所述第一表面或所述第二表面上，由此当所述膜片弯曲时在所述光纤中产生应力。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述膜片的长度是所述膜片的宽度的至少1×102倍，以及所述一个或多个光纤沿所述膜片纵向延伸。3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述膜片的长度是所述膜片的厚度的至少103倍，以及所述一个或多个光纤沿所述膜片纵向延伸。4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述膜片的厚度不大于所述膜片的宽度的1/2。5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述膜片的弯曲是振荡的，振荡的周期取决于所述动态压力波动的频率。6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述膜片的厚度、宽度和杨氏模量选择为使得对于给定动态压力测量值，所述膜片的弯曲位移最大化。7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述膜片的厚度和杨氏模量选择为使得所述膜片的所述第二表面的纵向应力最大化。8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述膜片的厚度在0.5mm至50mm的范围内。9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述膜片的厚度在0.5mm至4mm的范围内。10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述膜片的宽度在5mm至250mm的范围内。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述膜片的宽度在5mm至100mm的范围内。12.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述膜片的杨氏模量在0.1GPa至2GPa的范围内。13.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述光纤或每个光纤均通过固定结构安装在所述膜片的所述第一表面或所述第二表面上，所述固定结构配置成导致当所述膜片朝向所述一个或多个光纤弯曲时在所述一个或多个光纤中产生的应力比当所述膜片远离所述一个或多个光纤弯曲时在所述一个或多个光纤中产生的应力更大。14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述固定结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·安杰，
申请(专利权)人：诺龙有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB