本发明专利技术公开了一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法，该传感器包括壳体、弹性膜片、Ｌ形等强度梁和光纤布拉格光栅，壳体的顶端设置有开口，开口与壳体的内部空间构成腔体，弹性膜片覆盖开口，等强度梁设置于腔体内，等强度梁的梁臂的自由端设置有受压块，弹性膜片的下表面设置有与受压块紧密连接的硬凸台，光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通过光纤串联连接构成，两个布拉格光栅分别连接于梁臂的上下表面上，优点在于在设计时弹性膜片与梁臂刚性连接，不仅可提高测量精度，而且可降低工艺难度；由于光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度相同的布拉格光栅构成，这样在测量时可解决温度交叉敏感问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光纤传感器技术，尤其是涉及一种光纤布拉格光栅压力传感器及 其相应的测量方法。
技术介绍
光纤传感器与常规的传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的 优势，在建筑、石油、军事应用领域显得尤为突出。在光纤传感器测量中，为了提高测量的精度及稳定性，要求选择恰当的敏感元件 并对其进行合理的封装，其中，在光纤光栅中光纤布拉格(Bragg)光栅是应变、温度、位移 等物理量的良好敏感元件，其越来越受到人们的关注，在建筑监测、石油勘探等领域都具有 重要的应用价值。光纤布拉格光栅传感器与常规的传感器相比，其对应变、温度、位移等物 理量具有更高的灵敏度，同时又具有体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。然而，光 纤布拉格光栅传感器在实际工程测试中，由于光纤布拉格光栅的反射中心波长会随着所处 环境温度的起伏发生漂移，从而给准确测量压力带来了很大的困难，因此，在设计光纤布拉 格光栅传感器时，必须克服温度交叉敏感的问题。此外，在传感器实用化进程中，如何降低加工难度，提高传感器测量精度，同时解 决温度补偿问题，一直都是科研人员重点关注的课题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种结构简单紧凑、加工难度低、测量精确度 高，且能够有效克服温度交叉敏感问题的光纤布拉格光栅压力传感器，同时提供了一种利 用该光纤布拉格光栅压力传感器实现温度和压力分离测量的方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为一种光纤布拉格光栅压力传感 器，包括筒状的壳体、呈圆形的弹性膜片、L形等强度梁和光纤布拉格光栅，所述的壳体的 顶端设置有一个开口，所述的开口与所述的壳体的内部空间相连通构成一个具有开口的腔 体，所述的弹性膜片与所述的壳体的顶端相连接，所述的弹性膜片覆盖所述的开口，所述的 L形等强度梁设置于所述的腔体内，所述的L形等强度梁的固定板与所述的腔体的腔壁相 连接，所述的L形等强度梁的梁臂的自由端设置有受压块，所述的弹性膜片的下表面上设 置有一个位置与所述的受压块的位置相对应的硬凸台，所述的受压块的上表面与所述的硬 凸台的下表面紧密接触连接，所述的光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉 格光栅通过一个光纤串联连接构成，两个所述的布拉格光栅分别连接于所述的L形等强度 梁的梁臂的上表面和下表面上，所述的光纤的一端通过设置于所述的壳体的一侧壁上且贯 穿该侧壁的通孔引出所述的壳体外。所述的弹性膜片的边缘与所述的壳体的顶端的边缘之间通过紧固件相连接，所述 的弹性膜片与所述的壳体的连接处涂有高强度密封胶，所述的弹性膜片与所述的腔体构成 一个密闭空气腔。所述的L形等强度梁的梁臂的轴向截面的形状为三角形。所述的受压块的上表面和所述的硬凸台的下表面的形状均为矩形，所述的受压块 的上表面的面积与所述的硬凸台的下表面的面积相等。两个所述的布拉格光栅通过粘贴的方式对称粘贴于所述的L形等强度梁的梁臂 的上表面和下表面上。所述的布拉格光栅的取向平行于所述的L形等强度梁的梁臂的轴向。所述的通孔内设置有中空的连接接头，所述的光纤的一端通过所述的连接接头引 出并固定。所述的壳体采用的材料为刚度强、防腐性能良好的材料。一种上述的光纤布拉格光栅压力传感器相应的测量方法，包括以下步骤①根据圆形薄片力学计算模型，计算弹性膜片的中心挠度，记为ω，0 = 3PG _ Y )R4，其中，P表示弹性膜片的上表面所受的均布压力，μ表示弹性膜片所采用 16Ed3的材料的泊松比，R表示弹性膜片的半径，E表示弹性膜片所采用的材料的弹性模量，d表示 弹性膜片的厚度；②计算当弹性膜片的上表面所受的均布压力P通过硬凸台转化为集中应力F作用 于设置于L形等强度梁的梁臂的自由端的受压块时，受压块的惯性矩和挠度，分别记为I和 ，其中，B表示L形等强度梁的梁臂与L形等强度梁的固定板相连接的一端的宽度，h表示L形等强度梁的梁臂的厚度，L表示L形等强度梁的梁臂的轴向长度， E'表示L形等强度梁所采用的材料的弹性模量；③根据弹性膜片与L形等强度梁的刚性连接特性，确定ω ‘ = ω，结合 ，得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P与集中应力F之间 16Ed33EI的关系表达式， ④在集中应力F的作用下，L形等强度梁的梁臂产生变形，L形等强度梁的梁臂 的上表面受拉产生正应变，粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中 心波长变大，L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生负应变，粘贴在L形等强度梁的梁臂 的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长变小，令L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生6FL的正应变为ε ±，t=:T，令L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生的负应变为ε τ， ⑤根据两个布拉格光栅反射的中心波长分别对应计算两个布拉格光栅反射的中 心波长的变化量，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长 的变化量为△ λ Β±，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波 长的变化量为 Δ λΒ 下，Δ λΒ 上= λΒ 上，-Δ λΒ 下= λΒΤ，其中，t表示光纤的弹光系数，ε表示光纤的轴向应变，α表示光纤的热光系数，β表示光纤的热膨胀系数，Δ T表示温度变化量，λ Β±表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的上 表面上的布拉格光栅反射的中心波长，λ ΒΤ表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的 布拉格光栅反射的中心波长； ⑥根据光纤粘贴在L形等强度梁的梁臂的上下表面时光纤的轴向应变ε与 L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变ε ±及下表面受压产生的负应变ε τ相等的特性，结合F =-W^2和Δ λΒ上= λΒ上，得到16EL3d327PR4Iil-"2)处八 9PER4I(1-"2)L和-Δ λΒ下=[(1-t)H2ε + ( α + β ) Δ Τ] λ β 下，得到-Δ；^ = -(1-;/)2二义2:3\下 +( +妁 ΔΓ、上；⑦将Δ‘ =(1 —,)2=怎:3\ 上 +(α+β)ΑΤ\±和 -Δ^-γι-Μ^^Ι^+^ρμτ；^相减，并根据两个温度梯度完全相同的布拉格8￡6h L d光栅，确定两个布拉格光栅反射的中心波长相等，根据等强度梁的应变特性，确定两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值相等，得到= (1 -1) 27R 1(1二 )3、P ’其8EBh L d中，△ λB表示两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值，λΒ表示两个布拉格光 栅反射的中心波长；⑧从与引出的光纤相连接的光栅解调仪中获取布拉格光栅反射的中心波长 的变化量的绝对值Δ λΒ，结合布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值ΔΑΛβ = (1-027R 1{\μ2 ρ ,计算得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P ； 8ΕΒπ L d⑨根据弹性膜片的上表面所受的均布压力P，计算温度变化量Δ Τ。与现有技术相比，本专利技术的优点在于1)、在设计时，通过设置于弹性膜片的下表面上的硬凸台使弹性膜片与L形等强 度梁的梁臂刚性连接，从而使在设计时L形等强度梁已发生一微小应变，不仅可提高测量 精度，而且可有效降低工艺难度。2)、本专利技术采用的光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通 过一个光纤串联连接构成，设计时将两个布拉格光栅分别粘贴于L形等强度梁的梁臂的上本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于包括筒状的壳体、呈圆形的弹性膜片、Ｌ形等强度梁和光纤布拉格光栅，所述的壳体的顶端设置有一个开口，所述的开口与所述的壳体的内部空间相连通构成一个具有开口的腔体，所述的弹性膜片与所述的壳体的顶端相连接，所述的弹性膜片覆盖所述的开口，所述的Ｌ形等强度梁设置于所述的腔体内，所述的Ｌ形等强度梁的固定板与所述的腔体的腔壁相连接，所述的Ｌ形等强度梁的梁臂的自由端设置有受压块，所述的弹性膜片的下表面上设置有一个位置与所述的受压块的位置相对应的硬凸台，所述的受压块的上表面与所述的硬凸台的下表面紧密接触连接，所述的光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通过一个光纤串联连接构成，两个所述的布拉格光栅分别连接于所述的Ｌ形等强度梁的梁臂的上表面和下表面上，所述的光纤的一端通过设置于所述的壳体的一侧壁上且贯穿该侧壁的通孔引出所述的壳体外。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李宏伟，冷志鹏，马佑桥，
申请(专利权)人：宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司，
类型：发明
国别省市：97
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