专利名称：一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感器技术，尤其是涉及一种高灵敏度的光纤布拉格光栅压 力传感器及其相应的测量方法。
背景技术：
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，提高传感器灵敏度，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。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、易加工制作、压敏系数和测量 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。本发明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，其特征在于包括筒状的壳体、呈圆形的弹性膜片、仅具有测量温度功能的第一光纤布拉 格光栅及具有测量压力和温度功能的第二光纤布拉格光栅，所述的壳体的顶端具有一个与 所述的壳体的内部空腔相连通的开口，所述的壳体的内部空腔的底部设置有两个硬支柱， 所述的第一光纤布拉格光栅连接于两个所述的硬支柱之间，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，所述的弹性膜片的下表面上以圆心对称 设置有两个凸台，所述的第二光纤布拉格光栅连接于两个所述的凸台之间，所述的第二光 纤布拉格光栅与所述的第一光纤布拉格光栅处于同一竖直位置上，所述的第一光纤布拉格 光栅的光纤的一端与所述的第二光纤布拉格光栅的光纤的一端相连接，所述的第二光纤布 拉格光栅的光纤的另一端引出于所述的壳体外。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壳体的内 部空腔构成一个密闭空气腔。两个所述的凸台一体设置于所述的弹性膜片的下表面上，两个所述的凸台的下表面上均刻设有细槽，所述的第二光纤布拉格光栅绷紧连接于两个所述的细槽之间。所述的第一光纤布拉格光栅绷紧连接于两个所述的硬支柱之间，所述的第一光纤 布拉格光栅的光纤通过粘贴方式粘贴于所述的硬支柱的上表面上。所述的第一光纤布拉格光栅与所述的第二光纤布拉光栅在竖直位置上之间的间 距小于4mmO所述的壳体的侧壁上贯穿设置有通孔，所述的通孔内设置有中空的连接接头，所 述的第二光纤布拉格光栅的光纤的另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，其特征在于包括以下步 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，
份=，其中，ρ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表示受均布压力的部分弹性膜片的半径，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根据弹性膜片的中心挠度ω和设置于弹性膜片的下表面上的凸台的高度，计 算在均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变，记为
权利要求
1.一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、 仅具有测量温度功能的第一光纤布拉格光栅及具有测量压力和温度功能的第二光纤布拉 格光栅，所述的壳体的顶端具有一个与所述的壳体的内部空腔相连通的开口，所述的壳体 的内部空腔的底部设置有两个硬支柱，所述的第一光纤布拉格光栅连接于两个所述的硬支 柱之间，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 述的弹性膜片的下表面上以圆心对称设置有两个凸台，所述的第二光纤布拉格光栅连接于 两个所述的凸台之间，所述的第二光纤布拉格光栅与所述的第一光纤布拉格光栅处于同一 竖直位置上，所述的第一光纤布拉格光栅的光纤的一端与所述的第二光纤布拉格光栅的光 纤的一端相连接，所述的第二光纤布拉格光栅的光纤的另一端引出于所述的壳体外。
2.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的弹性膜 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壳体的内部空腔构成一个密闭空 气腔。
3.根据权利要求1或2所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于两个所 述的凸台一体设置于所述的弹性膜片的下表面上，两个所述的凸台的下表面上均刻设有细 槽，所述的第二光纤布拉格光栅绷紧连接于两个所述的细槽之间。
4.根据权利要求3所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的第一光 纤布拉格光栅绷紧连接于两个所述的硬支柱之间，所述的第一光纤布拉格光栅的光纤通过 粘贴方式粘贴于所述的硬支柱的上表面上。
5.根据权利要求4所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的第一光 纤布拉格光栅与所述的第二光纤布拉光栅在竖直位置上之间的间距小于4mm。
6.根据权利要求5所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的壳体的 侧壁上贯穿设置有通孔，所述的通孔内设置有中空的连接接头，所述的第二光纤布拉格光 栅的光纤的另一端通过所述的连接接头引出并固定。
7.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅压力传感器，其特征在于所述的壳体采 用的材料为刚度强、防腐性能良好的材料。
8.—种权利要求1所述的光纤布拉格光栅压力传感器相应的测量方法，其特征在于包 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= 3Ρ(1-"2Κ，16Ed3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的材料的泊松比， r表示受均布压力的部分弹性膜片的半径，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根据弹性膜片的中心挠度ω和设置于弹性膜片的下表面上的凸台的高度，计算在 均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变，记为ε，s = i = ￥χ i =，其中，a r α ΙβΕα ^X表示弹性膜片的上表面受到均布压力P后第二光纤布拉格光栅发生应变而拉伸的拉伸长 度的一半，a表示凸台的中心与弹性膜片的下表面的圆心之间的垂直距离，h表示凸台的高 度；③根据第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长计算其反射的中心波长的 变化量，记为Δ λ2，Δ λ2/λ2= (1-t) ε ‘ +(α+β) Δ Τ，根据第一光纤布拉格光栅的布拉 格光栅反射的中心波长计算其反射的中心波长的变化量，记为AXpAXl7^1=(Ciiii) ΔΤ，其中，λ 2表示第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长，X1表示第一光纤 布拉格光栅的布拉格光栅反射的中心波长，t表示第二光纤布拉格光栅的光纤的弹光系数， ε ‘表示第二光纤布拉格光栅的光纤的轴向应变，α表示第二光纤布拉格光栅的光纤和第 一光纤布拉格光栅的光纤的热光系数，β表示第二光纤布拉格光栅的光纤和第一光纤布拉 格光栅的光纤的热膨胀系数，△T表示第二光纤布拉格光栅和第一光纤布拉格光栅的温度 变化量；④根据在均布压力P的作用下第二光纤布拉格光栅的应变ε与第二光纤布拉格 光栅的光纤的轴向应变ε'相等的特性，结合Δ λ2/λ2 = (1-t) ε ‘ +(α+β)ΔΤ禾口
全文摘要
本发明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，本传感器包括壳体、弹性膜片、第一光纤布拉格光栅及第二光纤布拉格光栅，壳体的内部空腔的底部设置有两个用于连接第一光纤布拉格光栅的硬支柱，弹性膜片与壳体的顶端连接，弹性膜片的下表面上设置有两个用于连接第二光纤布拉格光栅的凸台，优点在于通过将第二光纤布拉格光栅连接于两个凸台之间，这样在弹性膜片受到均布压力时，可使第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅发生均匀应变，可有效提高测量精度及测量灵敏度；在设计时使仅用于测量温度的第一光纤布拉格光栅的布拉格光栅与用于测量温度和压力的第二光纤布拉格光栅的布拉格光栅处于同一竖直位置上，可成功解决温度交叉敏感问题。
文档编号G01K11/32GK102116692SQ20111003271
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者冷志鹏, 李宏伟 申请人:宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司