【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种压力传感器结构及基于该压力传感器的传感方法，属于光纤传感。
技术介绍
1、在水利工程、航天军工、油气运输、生物医疗及海洋水文信息监测等领域，对压力指标的检测尤为重要。常规压力传感器是将压力信号的变化以材料频率变化的形式体现，再由电信号输出探测。传统的压力传感器受到恶劣环境的限制不能在极限环境中长时间工作，而光纤压力传感器相较传统压力传感器具有耐高温、体积小、抗电磁干扰和响应速度快等优势，可以满足不同应用场景的特殊需求。光纤压力传感器是基于光纤传感器所处环境改变，进而导致光纤内部传输的光强、相位或者频率发生变化，得到外界环境变化信息。
2、但现阶段的光纤压力传感器只依靠自身材料受压或者借助压力膜结构灵敏度较低，并且一般只能对气压进行检测。
技术实现思路
1、针对现有光纤压力传感器的灵敏度低、制备工艺复杂和应用场景单一的问题，本专利技术提供一种基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器及压力传感方法。
2、本专利技术所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器4包括外部封装钢管4-1、防水液压膜4-2、1号密封头4-3、内部传感器钢管4-4、1号光纤光栅4-6、增敏弹簧质量块膜4-7、2号光纤光栅4-8、光纤固定架4-9和2号密封头4-10；
3、外部封装钢管4-1和内部传感器钢管4-4内外嵌套设置，外部封装钢管4-1为两端开口，内部传感器钢管4-4为后端开口，外部封装钢管4-1的后端口由1号密封头4-3
4、外部封装钢管4-1前端口由防水液压膜4-2封堵，外部封装钢管4-1前端口和内部传感器钢管4-4前端之间具有工作间隙，内部传感器钢管4-4侧壁靠前端位置设置有侧气孔4-5；
5、内部传感器钢管4-4内腔由增敏弹簧质量块膜4-7和光纤固定架4-9由前端至后端沿轴向分为三段内腔，分别为正拉力传感腔、负拉力传感腔和数据传输腔；正拉力传感腔通过侧气孔4-5与外部封装钢管4-1的内腔之间连通，负拉力传感腔为密封腔；
6、光纤光栅设置于内部传感器钢管4-4内部接收压力信息并输出，所述光纤光栅按所在腔划分为三段，分别为1号光纤光栅4-6、2号光纤光栅4-8和单模光纤4-12，光纤光栅首端连接内部传感器钢管4-4首端内壁，光纤光栅穿过增敏弹簧质量块膜4-7并施加预应力后固定；光纤光栅继续穿过光纤固定架4-9并施加预应力后固定；最后经由单模光纤4-12将感应的压力信息传输出去。
7、优选地，增敏弹簧质量块膜4-7包括质量块4-7-1、拉花式弹性弹簧单元和膜片4-7-3，拉花式弹性弹簧单元由至少三层片状圆环4-7-2同心套设而成，相邻两层片状圆环4-7-2之间通过径向对称的一对连接片4-7-4实现径向连接，最内层片状圆环4-7-2通过径向对称的一对连接片4-7-4与质量块4-7-1连接在一起，相邻两对连接片交错90度排布；
8、最外层片状圆环4-7-2与内部传感器钢管4-4内壁固定连接并密封；
9、质量块4-7-1的中心孔4-7-5用于光纤光栅穿过并密封固定。
10、优选地，光纤固定架4-9与内部传感器钢管4-4内壁固定连接并密封。
11、优选地，1号光纤光栅4-6、2号光纤光栅4-8和单模光纤4-12处于同一水平线上。
12、优选地，1号密封头4-3和2号密封头4-10采用透声聚氨酯橡胶灌封，常温常压静置48小时使聚氨酯充分硫化。
13、本专利技术还提供另一种技术方案，一种压力传感方法，该方法基于所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器实现，宽带光源1发出的光束经光隔离器2进入光纤环形器3的1号端口，光束从光纤环形器3的2号端口输出并进入基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器4，基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器4进行压力传感，并将感应到压力信息经由返回光束携带进入光纤环形器3的2号端口，再从光纤环形器3的3号端口输出至光谱分析仪5中，光谱分析仪5对压力信息进行分析实现压力检测。
14、优选地，基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器4的压力传感过程为：
15、外部液体液压施加于防水液压膜4-2，外部封装钢管4-1内腔气体通过侧气孔4-5被挤压进正拉力传感腔中；
16、增敏弹簧质量块膜4-7发生形变，与增敏弹簧质量块膜4-7固接的1号光纤光栅4-6和2号光纤光栅4-8随之受到拉力，其中1号光纤光栅4-6受到正拉力并产生波长偏移量δλ1，2号光纤光栅4-8受到负拉力并产生波长偏量δλ2；
17、两个波长偏移量作为感应到的压力信息发送给光谱分析仪5。
18、优选地，光谱分析仪5对压力信息进行分析实现压力检测的过程为：
19、按下式获取光纤光栅被拉伸后的应变变化量δε：
20、
21、式中，λ1为1号光纤光栅4-6的中心波长，
22、λ2为2号光纤光栅4-8的中心波长，
23、δε为光纤光栅被拉伸后的应变变化量，
24、kε为光纤光栅的应变拉伸敏感度，
25、所述光纤光栅被拉伸后的应变变化量δε用于表征压力检测结果。
26、本专利技术的有益效果：本专利技术克服了传统压力传感器无法在恶劣环境下使用的问题。通过弹簧质量块模型，增加压力传感膜片的受压位移程度。利用差动式光纤光栅测量原理，根据两个光栅波长变化值来拟合膜片不同压力情况的关系，以提升光纤压力传感器的灵敏度，消除光纤压力传感器的温度串扰问题。基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感方法不仅体积轻便、容易制备、价格低廉，而且性能稳定、灵敏度高，利用双重增强的方式提升了压力测量敏感性，满足不同环境下的压力测量需求，可实现高精度压力指标测量，在生物医疗、海洋信息监测、环境数据采集等方面具有重要意义和广阔的应用前景。
27、本专利技术压力传感器成本低廉、结构紧凑，易制作以及抗电磁干扰，对生物医疗、海洋信息监测、环境数据采集等方面具有重要意义和广阔的应用前景。
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1.基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，其特征在于，基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器(4)包括外部封装钢管(4-1)、防水液压膜(4-2)、1号密封头(4-3)、内部传感器钢管(4-4)、1号光纤光栅(4-6)、增敏弹簧质量块膜(4-7)、2号光纤光栅(4-8)、光纤固定架(4-9)和2号密封头(4-10)；
2.根据权利要求1所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，其特征在于，增敏弹簧质量块膜(4-7)包括质量块(4-7-1)、拉花式弹性弹簧单元和膜片(4-7-3)，拉花式弹性弹簧单元由至少三层片状圆环(4-7-2)同心套设而成，相邻两层片状圆环(4-7-2)之间通过径向对称的一对连接片(4-7-4)实现径向连接，最内层片状圆环(4-7-2)通过径向对称的一对连接片(4-7-4)与质量块(4-7-1)连接在一起，相邻两对连接片交错90度排布；
3.根据权利要求1所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，其特征在于，光纤固定架(4-9)与内部传感器钢管(4-4)内壁固定连接并密封。
4.根据权利要求1所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传
5.根据权利要求1所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，其特征在于，1号密封头(4-3)和2号密封头(4-10)采用透声聚氨酯橡胶灌封，常温常压静置48小时使聚氨酯充分硫化。
6.一种压力传感方法，该方法基于权利要求2所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器实现，其特征在于，宽带光源(1)发出的光束经光隔离器(2)进入光纤环形器(3)的①号端口，光束从光纤环形器(3)的②号端口输出并进入基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器(4)，基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器(4)进行压力传感，并将感应到压力信息经由返回光束携带进入光纤环形器(3)的②号端口，再从光纤环形器(3)的③号端口输出至光谱分析仪(5)中，光谱分析仪(5)对压力信息进行分析实现压力检测。
7.根据权利要求6所述压力传感方法，其特征在于，基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器(4)的压力传感过程为：
8.根据权利要求7所述压力传感方法，其特征在于，光谱分析仪(5)对压力信息进行分析实现压力检测的过程为：
...【技术特征摘要】
1.基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，其特征在于，基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器(4)包括外部封装钢管(4-1)、防水液压膜(4-2)、1号密封头(4-3)、内部传感器钢管(4-4)、1号光纤光栅(4-6)、增敏弹簧质量块膜(4-7)、2号光纤光栅(4-8)、光纤固定架(4-9)和2号密封头(4-10)；
2.根据权利要求1所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，其特征在于，增敏弹簧质量块膜(4-7)包括质量块(4-7-1)、拉花式弹性弹簧单元和膜片(4-7-3)，拉花式弹性弹簧单元由至少三层片状圆环(4-7-2)同心套设而成，相邻两层片状圆环(4-7-2)之间通过径向对称的一对连接片(4-7-4)实现径向连接，最内层片状圆环(4-7-2)通过径向对称的一对连接片(4-7-4)与质量块(4-7-1)连接在一起，相邻两对连接片交错90度排布；
3.根据权利要求1所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，其特征在于，光纤固定架(4-9)与内部传感器钢管(4-4)内壁固定连接并密封。
4.根据权利要求1所述基于弹簧质量块的差动式光纤压力传感器，其特征在于，1...
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