专利名称：基于碳纤维层积复合材料的光纤布喇格光栅高压传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型专利属于传感器领域，具体地是一种基于碳纤维层 积复合材料的光纤布喇格光栅压力传感器，具有大量程，高灵敏度，温度补偿功能。
技术背景压力传感器应用范围广，需求量大。随着科技的发展，人们对压力的测量也提出了量程大，精度高，响应快，能在易燃易爆等恶劣环境工作等要求。光纤光栅传感器是一种快速发展的新兴传感器，尤以光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating简称FBG)为主。FBG能够选择性地将入射宽带光中某一窄带波长的光反射回去。反射光的中心波长称为布喇格波长。布喇格波长由光栅有效折射率和光栅周期决定，而这两个参量对应变和温度变化敏感。 通过检测光栅反射的布喇格波长的变化就可知光栅处的应变和温度信息。但是裸FBG的纵向应力灵敏度较低，在70Mpa的压强下，仅变化0. 22nm。为提高FBG的纵向应力灵敏度，一般将FBG粘贴在压力形变体表面或埋在压力形变体内。这样当外界压力作用在压力形变体上时，压力形变体将带动FBG —起发生应变变化，FBG的反射波长随之变化，通过检测光栅反射的波长的变化可知压力的情况。例如有研究者将FBG封装于高分子聚合物内，利用聚合物或弹性薄膜等弹性元件放大外界对光栅的作用力，从而提高光栅的压力灵敏度。但是上述系统测量的范围都不够大。也有研究者提出用FBG的双折射效应来研制压力传感器。 但由于FBG的双折射偏振分离间距较小，给解调带来了很大的难度。
发明内容本实用新型专利的目的是提供一种大量程，高灵敏度，具有温度补偿功能的基于碳纤维层积复合材料的光纤布喇格光栅压力传感器。本实用新型技术方案是基于碳纤维层积复合材料的光纤布喇格光栅高压传感器包括压力测量部件，温度补偿部件和引出光纤部件。使用基于碳纤维层积复合材料的光纤布喇格光栅高压传感器，该传感器包括带孔金属保护套管、压力测量FBG、碳纤维层积复合材料、带槽金属管、温度测量FBG、不带孔金属保护套管、压力密封件I、压力密封件II、连接套管、光纤、外部连接套管、光纤连接器支撑套管、光纤连接器组成，其特征是将压力测量FBG用环氧树脂胶固定于碳纤维层积复合材料的表面上，并用带孔金属保护套管对该碳纤维层积复合材料进行保护，并为让压力通过，将温度测量FBG用环氧树脂粘接在带槽的金属管上，用不带孔金属保护套管、压力密封件I、压力密封件II 一起将温度测量FBG与外界压力隔绝，带槽的金属管的一端悬空于金属保护套管内，通过光纤熔接技术将压力测量FBG、温度测量FBG、光纤和光纤连接器连接在一起。实施本实用新型后，为社会提供了一种简便可靠的光纤光栅封装结构，不仅封装简单，而且测量的范围大，灵敏度高；具有温度补偿的功能；在光纤光栅传感应用中，提出了突破性的工艺。

图1本实用新型专利的结构示意图图2本实用新型专利的实验结果具体实施方式
现结合附图对本实用新型作进一步说明该传感器包括带孔金属保护套管1、压力测量FBG 2、碳纤维层积复合材料3、带槽金属管4、温度测量FBG5、不带孔金属保护套管6、压力密封件I 7、压力密封件II 8、连接套管9、光纤10、外部连接套管11、光纤连接器支撑套管12、光纤连接器13组成。压力测量 FBG2用环氧树脂胶固定于碳纤维层积复合材料3的表面上，并用带孔金属保护套管1进行保护并为让压力通过，温度测量FBG 5用环氧树脂粘接在带槽的金属管4上，用不带孔金属保护套管6、压力密封件I 7、压力密封件II 8 —起将温度测量FBG 5与外界压力隔绝，带槽的金属管4的一端悬空于不带孔金属保护套管6内，保证温度测量FBG 5不受外界应力影响，通过光纤熔接技术将压力测量FBG 2、温度测量FBG 5、光纤10和光纤连接器13连接在一起，并由连接套管9、外部连接套管11、光纤连接器支撑套管12进行保护。碳纤维层积复合材料3由碳纤维薄片和环氧树脂组成。环氧树脂胶把方形的碳纤维薄片紧密地粘贴在一起。带孔金属保护套管1、不带孔金属保护套管6、连接套管9，外部连接套管11及光纤连接器支撑套管12之间用螺纹连接，并用环氧树脂胶密封。本实用新型专利的传感工作原理如下由于FBG对压力和温度都敏感，所以压力测量FBG同时对压力和温度响应。假设在一个标准大气压、25°C温度时，压力测量FBG的反射波长为A1 ^，则在压力和温度作用下， 压力测量FBG的反射波长变化量△ λ i为AA1= A1-A10 = αΔΡ+βΔΤ (1)式中X1为压力测量FBG的反射波长。Δ P外界压力相对于一个标准大气压的变化量。Δ T为环境温度相对于25°C的变化量。α和β分别为压力测量FBG的压力和温度响应系数。而温度测量FBG由于与外界压力进行了隔绝，只对温度响应。假设在25°C时，温度测量FBG的反射波长为λ 2 ^，那么在温度变化下，温度测量FBG的反射波长变化量Δ λ2 为Δλ2 = A2-A20 = γΔΤ (2)式中λ 2为温度测量FBG的反射波长。、为温度测量FBG的温度响应系数。Δ T 温度相对于25 °C的变化量。因为本实用新型专利中传感光栅和参考光栅靠得很近，它们具有相同的温度变化量。通过温度测量FBG可以知道压力测量FBG的温度变化量。然后用公式(1)求出压力变化量Δ P = ( Δ λ「β · Δ Τ) / α (3)得到了压力变化量就可知外界压力值。
权利要求1.一种基于碳纤维层积复合材料的光纤布喇格光栅高压传感器，该传感器包括带孔金属保护套管、压力测量FBG、碳纤维层积复合材料、带槽金属管、温度测量raG、不带孔金属保护套管、压力密封件I、压力密封件II、连接套管、光纤、外部连接套管、光纤连接器支撑套管、光纤连接器组成，其特征是将压力测量FBG用环氧树脂胶固定于碳纤维层积复合材料的表面上，并用带孔金属保护套管对该碳纤维层积复合材料进行保护，并为让压力通过， 将温度测量FBG用环氧树脂粘接在带槽的金属管上，用不带孔金属保护套管、压力密封件 I、压力密封件II 一起将温度测量FBG与外界压力隔绝，带槽的金属管的一端悬空于金属保护套管内，通过光纤熔接技术将压力测量FBG、温度测量FBG、光纤和光纤连接器连接在一起。
2.根据权利要求1所述的基于碳纤维层积复合材料的光纤布喇格光栅高压传感器，其特征是碳纤维层积复合材料由碳纤维薄片和环氧树脂组成，环氧树脂胶把方形的碳纤维薄片紧密地粘贴在一起。
3.根据权利要求1所述的基于碳纤维层积复合材料的光纤布喇格光栅高压传感器， 其特征是带孔金属保护套管(1)、不带孔金属保护套管(6)、连接套管(9)及外部连接套管 (11)之间用螺纹连接，并用环氧树脂胶密封。
专利摘要本实用新型涉及一种基于碳纤维层积复合材料的光纤布喇格光栅高压传感器，属于传感器领域。外界压力导致碳纤维层积复合材料产生形变，从而使粘接在材料上的FBG波长漂移，通过测量波长的漂移量可测量压力值。传感器包括对压强敏感的传感光栅和只对温度敏感的参考光栅两个FBG。为让压力通过，传感光栅及参考光栅分别用带孔和不带孔的金属保护套管保护。参考光栅的一端悬空于不带孔的金属保护套管内，另一端用环氧树脂胶密封，确保压力不通过，实现参考光栅只对温度敏感。为方便与外界光纤的连接，本实用新型专利采用了光纤连接器，并设计了其支撑结构。这种结构的传感器适用于各种高压下液体压力测量，如油田贮气井井下压力测量。
文档编号G01L1/24GK202141546SQ201020137410
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者宋东草, 崔洪亮, 李亚, 邹吉林 申请人:北京派科森科技有限公司