專利名稱：壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種光纖壓力傳感器，尤其涉及一種光纖布拉格光柵壓力傳 感器。
技術背景水害是煤礦五大自然災害之一，礦井突水是煤礦的致命災害，嚴重威脅著 煤礦的生產(chǎn)安全，發(fā)生時會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。近幾年來，由于 開采水平的延伸和開采范圍的擴大，礦井生產(chǎn)向縱深發(fā)展，水患的威脅也日益 嚴重，防治任務也越來越艱巨，礦井水災嚴重威脅煤礦生產(chǎn)安全和礦工的生命 安全。而對礦井承壓水的水壓進行實時監(jiān)測是預測和防治突水的一種重要手 段。目前我國煤礦水壓監(jiān)測主要使用的是電類的壓力傳感器，但由于電信號遠 距離傳輸不方便，需要在井下增加許多二次儀表、中繼器和電源等設備，傳輸 成本高且不可靠，限制了該類型傳感器的廣泛應用。光纖光柵傳感器是通過對光纖光柵的特殊封裝使其對待測參量敏感，并通 過光纖光柵波長的變化來測量待測參量的大小及方向，例如溫度、應變、應力、 壓力、位移、速度和加速度等實現(xiàn)多點檢測、實時檢測。目前，光纖光柵傳感 器已被廣泛應用于建筑結構、航空航天、海洋探測等諸多科學研究領域，屬于 一種新穎的無損檢測技術。傳統(tǒng)的光纖壓力傳感器大多采用等強度懸臂梁的形式，圖一是這種結構的簡圖。這種傳感器的傳感原理為外界壓力通過壓桿將壓力傳遞給等強度懸臂 梁，通過壓懸臂梁的非固定端致使強度梁伸長或者縮短，從而引起粘貼在等強 度懸臂梁上的光纖光柵的拉伸或收縮，進而改變光纖光柵的光柵常數(shù)，引起光 纖光柵反射波長的變化，通過解調(diào)光纖光柵的反射波長的變化從而得知外界壓 力的變化。這種傳感器的缺點是密封困難、重復性差、傳力的不直接、測量誤 差大、體積大等等。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了提供一種礦井下實用的水害預測光纖壓力傳感器，并 可適用于所有流體壓強及溫度的在線測量。本方案是通過如下技術措施來實現(xiàn)的它包括光纖光柵，其特征是所述光 纖光柵為第一布拉格光纖光柵和第二布拉格光纖光柵，還包括一端開口另一端 封閉的彈性彎管，所述彈性彎管包括彎曲部分和平直部分，在所述彈性彎管的 彎曲部分設置有第一布拉格光纖光柵，所述第一布拉格光纖光柵經(jīng)過預張緊后 固定設置于彈性彎管彎曲部分兩端，在彈性彎管平直部分固定設置有第二布拉 格光纖光柵，所述第二布拉格光纖光柵一端與第一布拉格光纖光柵相連，另一 端保持自由狀態(tài)。本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，第一布拉格光纖光柵在 給定一個預張后用環(huán)氧膠緊粘在彈性彎管兩端，當外界流體壓力P通過安裝法 蘭作用到彈性彎管內(nèi)時，使得彈性彎管伸長，粘在彈性彎管上的第一布拉格光 纖光柵受到拉伸而使反射波長A7發(fā)生變化，由于第一布拉格光纖光柵的反射 波長的變化量與外界壓強的變化量有著良好的線性關系，所以通過解調(diào)第一布 拉格光纖光柵反射波長的變化，即可測量被測環(huán)境壓強的變化。由于傳感器中 第一布拉格光纖光柵既對壓力敏感，又對溫度敏感，而第二布拉格光纖光柵一 端處于自由狀態(tài)，只對溫度敏感，且二者處于同一環(huán)境中，所以用第一布拉格 光纖光柵的波長減去第二布拉格光纖光柵因溫度的變化而引起的波長的變化 的量，即可得到第一布拉格光纖光柵僅因壓力變化而引起的光柵反射波長的變 化量，這其中需要注意的是兩個光柵具有各自的溫度系數(shù)，需要事先測量好。 通過這種方式，在計算出環(huán)境溫度的同時，也得到了我們所關心的壓力值。因 此本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，實現(xiàn)了技術目的。
本方案的具體特點還有，在所述彈簧彎管平直部分前端套裝有安裝座，在
安裝座上設置有包覆彈性彎管的保護套管。所述保護套管的前端與安裝座連
接，后端設置有帶中央通孔的絲堵，在所述中央通孔中設置有光纖連接器。彈
簧彎管為具有高韌性、高屈服強度的材料，如波登管、不銹鋼等。所述安裝座 為安裝法蘭。
本發(fā)明的主要部分是光纖布拉格光柵與彈簧彎管構成的水壓、溫度傳感 器，本發(fā)明還具有這樣一些特征(1 )粘貼光纖光柵的彈簧彎管為具有高韌性、 高屈服強度的材料；(2)雙光柵串接中溫度光柵的無應力及應變光柵的預拉 力。本發(fā)明的實用型光纖光柵壓力傳感器，具有礦用本質(zhì)安全、測量精度高、 測量范圍大、傳輸距離遠、結構簡單、受力明確、重復性好和便于安裝等優(yōu)點， 而且適用范圍廣，可測量氣體、液體等流體的壓力和溫度信息，在煤礦、大壩 等有水患的場所具有廣闊的應用前景。檢索結果表明，目前尚沒有將光纖光柵 與彈簧彎管粘接起來做壓力傳感器的，且沒有專門用于煤礦下承壓水監(jiān)測的光 纖傳感器。可以用來測量各種流體的壓力，特別是可應用到煤礦井下對承壓水 的水壓及溫度進行檢測，可實現(xiàn)遠距離、實時、在線監(jiān)測，它為煤礦突水的預 測和防治提供一種重要的依據(jù)，對保障煤礦安全具有重要的意義。這種光纖光 柵壓力傳感器具有顯著的優(yōu)點(l)結構簡單、受力明確；(2)增敏系數(shù)可以 調(diào)節(jié)，測量的動態(tài)范圍大；(3)可實現(xiàn)溫度和壓力的同時測量；(4)全光信號 監(jiān)測、傳輸，煤礦用本質(zhì)安全。


圖1是現(xiàn)有的光纖壓力傳感器結構圖2是本發(fā)明光纖光柵傳感器剖面圖3是本發(fā)明的傳感器的測量系統(tǒng)原理圖4是本發(fā)明的傳感器的壓力典型測量曲線；
其中1、第一布拉格光纖光柵，2、第二布拉格光纖光柵，3、彈性彎管，
4、光纖，5、光纜連接器，6、直管，7、膠粘結點，8、膠粘結點，9、保護套管，10、固定螺絲，11、彎管堵塞，12、安裝法蘭，13、導壓管，14、焊接點， 15、絲堵，16、光纖光柵，17、等強度梁，18、壓桿，19、光纖，20、膜壓強。
具體實施方式
光纖布拉格光柵是一段折射率周期變化的光纖，當一束寬光譜的光通過光 纖布拉格光柵時，它反射回一束一定波長的單色光，此波長隨溫度和應變的變化而變化。其公式如下A義=2 Awe/, A + 2 ,.AA (1)式中，M為光柵反射波長的變化量， ,為光纖的有效折射率，A為光柵常數(shù)。當光纖布拉格光柵受軸向應力作用時，溫度保持不變，將引起光柵周期 的變化和產(chǎn)生彈光效應，由彈性材料力學知識知，布拉格波長相對偏移量A義 與其軸向應變化之間的關系為其中有效彈光常數(shù)/l為《=-"2[p2 -+Pl2)]/2 (3)式中化和A2為光纖的彈光常數(shù)，W為泊松比，對普通的石英光纖，A約為 0. 22。該傳感器包括彈性彎管3，安裝法蘭12，保護套管9，光纖連接器5，第 一布拉格光纖光柵1和第二布拉格光纖光柵2。彈性彎管3的一端通過焊接工 藝焊接到有進壓孔的安裝法蘭12上，并使彈性彎管3保持與外界壓力連通， 彈性彎管3的另一端封堵上；將第一光纖布拉格光柵1粘貼到彈性彎管3的兩 端，并使第二光纖布拉格光柵2保持自由狀態(tài);將保護套管9套上并做好密封。 具體結構見圖2。傳感器的傳感原理為，當外界水壓尸通過安裝法蘭12的內(nèi)孔13進入彈性 彎管3內(nèi)，彈性彎管3受壓伸長，使粘接在彈性彎管3兩端(7和8)的第一 光纖布拉格光柵1受拉伸長，致使其反射波長夂發(fā)生變化。同時當環(huán)境溫度 變化時，也會使第一光纖布拉格光柵1的反射波長八發(fā)生變化，因此使用另 一根處于自由狀態(tài)的第二光纖布拉格光柵2作溫度補償。具體的補償方式為由于第二布拉格光纖光柵2不受應力，所以不會隨彈簧彎管3的伸長或縮短而產(chǎn)生應變，因此它的反射波長^2只受溫度影響。
由于溫度的變化量與第二光纖布拉格光柵2的反射波長的變化量成正比，所以
根據(jù)^^變化量就可知環(huán)境溫度的變化，又因為第一光纖布拉格光柵1與第二
光纖布拉格光柵2處于相同的環(huán)境中，進而可得到光柵2因溫度變化引起的 反射波長的變化量，將光柵2的反射波長的總變化量減去因溫度變化引起的反 射波長的變化量便得到其因壓力引起的反射波長的變化量。由于壓力變化與第 二光纖布拉格光柵2的反射波長的變化量也成正比關系，所以，通過檢測光纖 光柵7和2的反射波長的變化量便可計算出待測環(huán)境壓力P。其計算公式如下:
式中，八為第一光纖布拉格光柵l最終的反射波長，乂,。為第一光纖布拉格光 柵l的初始波長，乂》為第二光纖布拉格光柵2的最終反射波長，J^為第二光 纖布拉格光柵2的初始波長，尼第一光纖布拉格光柵1的溫度系數(shù)，^為第二 光纖布拉格光柵2的溫度系數(shù)，l為第一光纖布拉格光柵1的應變系數(shù)。
檢測原理圖如圖3所示，由地面FBG解調(diào)儀中的寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過解 調(diào)儀內(nèi)部的光纖環(huán)形器后，進入傳感單元前的終端盒分光，每一路被分開的光 進入傳感器在第一光纖布拉格光柵和第二光纖布拉格光柵處形成反射，反射回 來的光沿原光路返回到FBG解調(diào)儀中，分辨出光纖光柵波長的變化量，經(jīng)過解 調(diào)后數(shù)據(jù)被送入電腦中，最終通過公式計算出被測點的壓力值。典型的壓力響 應曲線如圖4所示。
權利要求
1、一種壓力傳感器，它包括光纖光柵，其特征是所述光纖光柵為第一布拉格光纖光柵和第二布拉格光纖光柵，還包括一端開口另一端封閉的彈性彎管，所述彈性彎管包括彎曲部分和平直部分，在所述彈性彎管的彎曲部分設置有第一布拉格光纖光柵，所述第一布拉格光纖光柵經(jīng)過預張緊后固定設置于彈性彎管彎曲部分兩端，在彈性彎管平直部分固定設置有第二布拉格光纖光柵，所述第二布拉格光纖光柵一端與第一布拉格光纖光柵相連，另一端保持自由狀態(tài)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征是在所述彈簧彎管平直部分 前端套裝有安裝座，在安裝座上設置有包覆彈性彎管的保護套管。
3、 根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征是所述保護套管的前端與安 裝座連接，后端設置有帶中央通孔的絲堵，在所述中央通孔中設置有光纖連接 器。
4、 根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征是彈簧彎管為波登管。
全文摘要
一種壓力傳感器，它包括光纖光柵，其特征是所述光纖光柵為第一布拉格光纖光柵和第二布拉格光纖光柵，還包括一端開口另一端封閉的彈性彎管，所述彈性彎管包括彎曲部分和平直部分，在所述彈性彎管的彎曲部分設置有第一布拉格光纖光柵，所述第一布拉格光纖光柵經(jīng)過預張緊后固定設置于彈性彎管彎曲部分兩端，在彈性彎管平直部分固定設置有第二布拉格光纖光柵，所述第二布拉格光纖光柵一端與第一布拉格光纖光柵相連，另一端保持自由狀態(tài)。本發(fā)明主要用于煤礦水壓檢測。
文檔編號E21F17/18GK101280690SQ20081001438
公開日2008年10月8日 申請日期2008年3月14日 優(yōu)先權日2008年3月14日
發(fā)明者劉小會, 劉統(tǒng)玉, 呂京生, 昌 王 申請人:山東省科學院激光研究所