一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，适于检测管道内的液体压力，包括骨架，骨架由两个相互对称设置的金属片组成，金属片设为纵向长横向短的薄片结构，两个金属片的中间部分别向外隆起设置，使两个金属片之间形成一个空腔，空腔内设有类似鱼泡的气囊，气囊和金属片之间设有填充物。本发明专利技术根据鱼体的仿生学原理，设计有鱼骨形的金属片，并且在金属片的“鱼际线”中轴线内外两侧设置光纤光栅，其中一个金属片两侧的两根光纤光栅，利用金属片正反变形原理消除温度对光栅的影响，实现温度自补偿的压力检测；另一侧的金属片设有凹或凸的筋槽，起到强化金属片对光纤光栅径向椭圆变形的支撑作用，利用双折射的谐振波长分裂接力检测中高压。

【技术实现步骤摘要】
一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器
本专利技术涉及涉及光纤传感
和液压检测
，具体涉及一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器。
技术介绍
由伯努利方程可知，管路内的液体压力也是一种能量形式，在液压传动系统中，介质的流速(动能)较低，产生的势能相对较低，可以不考虑，仅依靠工作介质的压力能传递动力，就是所谓的静液压传动。在静液压传动中，由于泵或阀的开启关闭，或者负载的动态变化，都会引起管路内流体压力的变化，特别是对螺旋管路内压力的分布和动态特性的研究目前尚属于技术空白。传统的液体压力传感装置，主要是机械式压力表或者电阻式压力传感器，这些检测方法的优点是测量理论和技术相对成熟，设备成本较低，但是目前对液压管路内部压力或压力响应进行检测时，通常采用在管路径向开检测工艺孔，以及在管路径向侧壁安装压力或高频响压力传感器探头的方法。但上述方法存在一定的问题：第一，破坏管路侧壁结构；第二，径向传感器探头破坏了内壁液流的层流形态，增加了液流内部扰动；第三，螺旋管路内外侧流速不同，压力状态不同，采用固定的压力传感器探头的方法难以准确测量管路内的压力分布和变化规律。考虑到上述方法的诸多弊端，现有技术出现能应用于管路内液体压力测量的仪器，此类仪器多数是利用光纤光栅原理进行，但采用光纤光栅压力传感器进行压力测量时，会存在承载小、测量压力范围较小的问题。为此，目前通常采用悬臂梁放大原理对压力传感器进行封装，以解决传感器承载小的问题，但这同时又会产生传感器体积增大的问题，并且对传感器进行封装并不能解决其测量压力范围较小的问题，即传感器的量程仍然满足不了工程液压机械的实际需求。现有技术中利用光纤光栅对压力的测量方法主要有两种：一是利用光纤光栅波长能够与待测的物理量建立一定的线性关系，通过标定线性范围内的线性系数，由待测物理量发生变化而引起了波长的漂移值换算出相应的压力值。例如当光纤光棚受到外场(应力场、温度场等)作用时，其栅格周期或有效折射率会发生变化从而引起光栅反射(或透射)波长的漂移，现在我们常用的光栅传感中绝大部分的光纤光栅传感器都属于这一类；二是光纤光栅偏振特性能够与随待测物理量建立线性关系，偏振特性随着待测物理量的变化而变化的，是光纤布拉格光栅在压力负载条件下的谐振波长分裂，通过对x偏振光和y偏振光幅度谱中心波长的偏移量以检测外在压力，但是这种方法在遇到压力较小状况时，总幅度谱很难察觉到两种本征模中心波长的差别，检测较为困难。综上所述，因为光纤光栅传感器自身的灵敏性高，不管是用光栅中心波长漂移量还是用光纤椭圆变形造成的双折射检测方法，都存在一个仅能检测低压范围，一个仅能检测相对的高压范围，从而使得测量压力的量程受到较大的局限，导致目前光纤光栅传感器可检测的压力下限或上限都不能满足工程液压机械的实际需求。因此，亟需一种能够实现液压管内较高精度的光纤光栅大量程压力传感器的管路无损检测系统，用于管路内油压高精度的压力数据的采集，而这种技术主要依赖于传感器的封装和标定检测办法的创新，以推动液压管路的深入研究和优化。本专利技术揣测鱼类“鱼际线”对液体压力的神经感知原理，借助当今光纤光栅技术的发展，综合利用了光纤光栅纵向和径向随压力变化而测量范围不同的两个突出特点的互补性，主要创新一种仿生鱼型光纤光栅大量程压力传感器。
技术实现思路
本专利技术提供了一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其结构设计合理，根据鱼体亚对称结构的仿生学原理，在鱼体左右两侧设计有刚度不同的鱼骨形的金属片，内部有类似鱼泡的气囊，气囊和金属片之间设有弹性填充物，并且在金属片的中轴线内外两侧的光纤上设置光栅传感器。所述传感器骨架的金属片分为阳面金属片和阴面金属片，阴面金属片沿光栅的上下两侧开挖通透的沟槽，在低压时起到一个应变膜片的作用，使阴面金属片在低压时能够快速变形响应，其表面的光纤光栅由外到内依次编号为1、2；在低压测量范围内，利用两个光栅传感器正反变形原理消除温度影响，从而实现温度自补偿的压力的检测；阳面金属片厚度可根据需要相对阴面金属片一侧加厚，或者沿阳面金属片的表面设置凸或凹的加强筋槽，使阳面金属片的抗变形能力大于阴面金属片的抗变形能力，从而支撑最外侧的光栅首先对外在压力发生径向椭圆变形，使得特征光信号在压力负载条件下产生谐振波长分裂，通过特征光信号的变化检测外在压力，又由于鱼体弹性部分的能量吸收，使得阳面金属片内侧的光栅受到更大的外界压力时，才发生椭圆变形，从而，可以检测更高的压力，而且，阳面金属片内外侧的光栅的这种椭圆变形不受温度的影响。因此这种结构适用于大量程的液压压力检测，从而解决目前的光纤光栅传感器检测压力低、量程范围小的问题。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，适于检测管道内的液体压力，包括：骨架，所述骨架由两个相互对称设置的金属片组成，所述金属片设为纵向长横向短的薄片结构，两个金属片的中间部分别向外隆起设置，使两个金属片之间形成一个空腔，所述空腔内设有类似鱼泡的气囊，所述气囊和金属片之间设有填充物；所述金属片的横向开设有至少两个槽沟，槽沟关于金属片的纵向中轴线对称设置，使两个金属片槽沟旁留下的部分形成多个相互配合的支撑部；每个所述金属片的侧壁沿中轴线设置两根光纤，两根光纤关于金属片内外对称，在每根光纤上位于金属片的中部各刻录一光栅，每个金属片上的光栅特征值相同(光栅栅格周期相同、刻录深度相同、栅格长度相同)；将两个金属片上的四根光纤进行编号设置，四个不同编号的光纤从骨架两端按顺序组成光缆，光缆能够连接四通道的光纤连接器；每个金属片纵向的两端各设一连接孔，两个金属片之间设有连接件，所述连接件沿两个连接孔穿过设置，使两个金属片形成相互连接结构；所述连接件经牵引绳和光纤连接器相连，且牵引绳内置于光纤形成的光缆内部；在鱼型光纤光栅压力传感器受到管道内液体压力时，骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片内外壁上的光纤光栅沿所述骨架的纵向首先发生正反两种变形，通过采集正反变形的两光纤光栅中心波长漂移量的差值来实现温度自补偿的压力检测；当管道内压力上升到一定阈值时，由于两个金属片的支撑部相互接触支撑，首先使骨架两金属片中抗变形能力强的金属片上的外侧光纤光栅径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测外在压力；其次，当压力持续上升达到更高阈值时，液体压力通过骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片、气囊、填充物作用于另一个金属片内侧的光纤光栅上，使得骨架两金属片中抗变形能力强的金属片内侧的光纤光栅横截面径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测更高的外在压力；所述阈值，为相关光纤光栅能够检测到的相应光信号的临界值；表皮，所述表皮为骨架和光缆外部封装的薄膜，所述薄膜和管道内的液压介质材料相容。进一步的，所述牵引绳沿四根光纤的布置方向和所述四根光纤形成两个端部光缆，所述光缆能够与四通道的光纤连接器相连，或与下一个鱼型光纤光栅压力传感器的端部光缆相连；相邻所述骨架之间的连接件之间设有两根抗扭绳，抗扭绳和所述连接件穿出金属片的两端部相连。进一步的，两个所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，适于检测管道内的液体压力，其特征在于，包括：/n骨架，所述骨架由两个相互对称设置的金属片组成，所述金属片设为纵向长横向短的薄片结构，两个金属片的中间部分别向外隆起设置，使两个金属片之间形成一个空腔，所述空腔内设有类似鱼泡的气囊，所述气囊和金属片之间设有填充物；所述金属片的横向开设有至少两个槽沟，槽沟关于金属片的纵向中轴线对称设置，使两个金属片槽沟旁留下的部分形成多个相互配合的支撑部；/n每个所述金属片的侧壁沿中轴线设置两根光纤，两根光纤关于金属片内外对称，在每根光纤上位于金属片的中部各刻录一光栅，每个金属片上的光栅特征值相同(光栅栅格周期相同、刻录深度相同、栅格长度相同)；将两个金属片上的四根光纤进行编号设置，四个不同编号的光纤从骨架两端按顺序组成光缆，光缆能够连接四通道的光纤连接器；/n每个金属片纵向的两端各设一连接孔，两个金属片之间设有连接件，所述连接件沿两个连接孔穿过设置，使两个金属片形成相互连接结构；所述连接件经牵引绳和光纤连接器相连，且牵引绳内置于光纤形成的光缆内部；/n在鱼型光纤光栅压力传感器受到管道内液体压力时，骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片内外壁上的光纤光栅沿所述骨架的纵向首先发生正反两种变形，通过采集正反变形的两光纤光栅中心波长漂移量的差值来实现温度自补偿的压力检测；当管道内压力上升到一定阈值时，由于两个金属片的支撑部相互接触支撑，首先使骨架两金属片中抗变形能力强的金属片上的外侧光纤光栅径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测外在压力；其次，当压力持续上升达到更高阈值时，液体压力通过骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片、气囊、填充物作用于另一个金属片内侧的光纤光栅上，使得骨架两金属片中抗变形能力强的金属片内侧的光纤光栅横截面径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测更高的外在压力；所述阈值，为相关光纤光栅能够检测到的相应光信号的临界值；/n表皮，所述表皮为骨架和光缆外部封装的薄膜，所述薄膜和管道内的液压介质材料相容。/n...

【技术特征摘要】
1.一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，适于检测管道内的液体压力，其特征在于，包括：
骨架，所述骨架由两个相互对称设置的金属片组成，所述金属片设为纵向长横向短的薄片结构，两个金属片的中间部分别向外隆起设置，使两个金属片之间形成一个空腔，所述空腔内设有类似鱼泡的气囊，所述气囊和金属片之间设有填充物；所述金属片的横向开设有至少两个槽沟，槽沟关于金属片的纵向中轴线对称设置，使两个金属片槽沟旁留下的部分形成多个相互配合的支撑部；
每个所述金属片的侧壁沿中轴线设置两根光纤，两根光纤关于金属片内外对称，在每根光纤上位于金属片的中部各刻录一光栅，每个金属片上的光栅特征值相同(光栅栅格周期相同、刻录深度相同、栅格长度相同)；将两个金属片上的四根光纤进行编号设置，四个不同编号的光纤从骨架两端按顺序组成光缆，光缆能够连接四通道的光纤连接器；
每个金属片纵向的两端各设一连接孔，两个金属片之间设有连接件，所述连接件沿两个连接孔穿过设置，使两个金属片形成相互连接结构；所述连接件经牵引绳和光纤连接器相连，且牵引绳内置于光纤形成的光缆内部；
在鱼型光纤光栅压力传感器受到管道内液体压力时，骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片内外壁上的光纤光栅沿所述骨架的纵向首先发生正反两种变形，通过采集正反变形的两光纤光栅中心波长漂移量的差值来实现温度自补偿的压力检测；当管道内压力上升到一定阈值时，由于两个金属片的支撑部相互接触支撑，首先使骨架两金属片中抗变形能力强的金属片上的外侧光纤光栅径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测外在压力；其次，当压力持续上升达到更高阈值时，液体压力通过骨架两金属片中抗变形能力弱的金属片、气囊、填充物作用于另一个金属片内侧的光纤光栅上，使得骨架两金属片中抗变形能力强的金属片内侧的光纤光栅横截面径向发生椭圆变形，导致特征光信号的变化以检测更高的外在压力；所述阈值，为相关光纤光栅能够检测到的相应光信号的临界值；
表皮，所述表皮为骨架和光缆外部封装的薄膜，所述薄膜和管道内的液压介质材料相容。


2.根据权利要求1所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，所述牵引绳沿四根光纤的布置方向和所述四根光纤形成两个端部光缆，所述光缆能够与四通道的光纤连接器相连，或与下一个鱼型光纤光栅压力传感器的端部光缆相连；相邻所述骨架之间的连接件之间设有两根抗扭绳，抗扭绳和所述连接件穿出金属片的两端部相连。


3.根据权利要求1或2所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，两个所述金属片对应连接孔的位置互不接触设置，当所述填充物和气囊处于最大变形量状态时，两个金属片的连接孔位置之间的间隙不小于所述光纤的直径尺寸。


4.根据权利要求3所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，其特征在于，所述气囊内设为惰性气体或其它无毒气体，所述填充物设为弹性填充物，所述弹性填充物包括橡胶或树脂型号。


5.根据权利要求4所述的一种鱼型光纤光栅大量程压力传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪涛，黄爱武，王一烁，
申请(专利权)人：潍坊嘉腾液压技术有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37