CN101221079B - 高灵敏度光纤光栅压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高灵敏度光纤光栅压力传感器。它由金属弹簧、金属圆片、聚氨酯弹性体、耐压聚合物膜和光学传感元件、金属外套组成，所述光学传感元件为光纤光栅，光纤光栅外封装有聚氨酯弹性体，被封装的光纤光栅置于金属弹簧的中心，金属弹簧的两端用金属圆片封起来。耐压聚合物膜包裹在金属弹簧的外层，耐压聚合物膜可以屏蔽外界的径向压力，金属弹簧只产生轴向形变，金属外套起美观和保护作用。该压力传感器结构简单，灵敏度高，制作工艺简单，并可通过选择不同弹簧参数和不同性能的聚氨酯弹性体调节所需的压力传感灵敏度。

Description

高灵敏度光纤光栅压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，更具体地它是一种高灵敏度光纤光栅压力传感器。

背景技术

自1989年Meltz等人应用全息侧写入技术成功地制成了光纤光栅以来，光纤光栅由于具有一系列优异性能，在传感技术领域倍受青睐。温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，以应变、温度传感为基础间接衍生出来了许多其它可传感的物理量，如微振动、声波、流量、位移、磁场、电场等，因此光纤光栅传感器在生物、化学、医疗及环保等领域的监测、智能结构材料内部应变、压力、振动、载荷疲劳、结构损伤等参数的监测方面有巨大的应用前景，在水听器、磁预警、激光预警、核辐射预警、生化战剂预警等方面也具有其它传感器无法比拟的开发和应用潜力。

尽管裸光纤光栅有诸多的优点，但是，因其机械性能差、传感灵敏度不高，特别是压力灵敏度较低，从而限制了它在许多方面的应用。M.G.Xu等人在Electron Lett.(1993，29(4)，398～399)上报道了对裸露的光纤光栅的压力传感特性的研究结果：在70MPa的高压下，光纤光栅中心反射波长仅移动了0.22nm，其压力灵敏系数为-1.98×10^-6/MPa。因此，光纤光栅的压力传感增敏是光纤光栅传感领域的关键技术之一。

1996年，M.G.Xu等人在Electron Lett.(1996，32(2)，128～129)上报道，将光纤布拉格光栅固定于空心的玻璃球结构中，利用玻璃球的放大作用提高光纤光栅对压力的灵敏度。实验中M.G.Xu等人使用的玻璃球的直径为5.5mm，壁厚为500μm，测得的压力传感灵敏度为-21.2×10^-6/MPa，其灵敏度提高了4倍，这种方法的增敏效果差，而且玻璃球在压力下容易损坏。

2000年刘云启等人在中国激光(2000，27(3)，211～214)上报道了应用聚合物封装的办法，将聚合物做成10×50mm的圆柱体，光纤光栅位于圆柱体的中心，由于基底材料的带动作用，封装后的光纤光栅的压力灵敏度为裸光栅的31.7倍，压力灵敏系数可达-6.128×10^-5/MPa，该封装结构具有压力增敏和保护光栅的双重效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，提供一种高灵敏度光纤光栅压力传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高灵敏度光纤光栅压力传感器，其特征在于它由金属弹簧、金属圆片、聚氨酯弹性体、耐压聚合物膜和光学传感元件、金属外套组成，所述光学传感元件为光纤光栅，光纤光栅外封装有聚氨酯弹性体，被封装的光纤光栅置于金属弹簧的中心，金属弹簧的两端用金属圆片封起来。耐压聚合物膜包裹在金属弹簧的外层，耐压聚合物膜可以屏蔽外界的径向压力，金属弹簧只产生轴向形变。耐压聚合物膜的外面用金属外套封装起来。耐压聚合物膜的外面用金属外套封装起来，金属外套由上下两部分构成，两部分在轴向上有部分重叠，并且可以随金属弹簧的形变相对滑动。

在上述技术方案中，所述封装在光纤光栅外的聚氨酯弹性体为圆柱形，其长度和弹簧的长度相同。

在上述技术方案中，所述位于金属圆片外端的光纤为有涂覆层的光纤。

在上述技术方案中，所述耐压聚合物膜包裹在金属弹簧的外层，将金属弹簧密封起来，屏蔽径向压力。

在上述技术方案中，金属圆片的直径和金属弹簧的外径相同，并用胶粘剂粘接在金属弹簧的两端，金属圆片的中心开有和光纤直径相当的小孔，小孔和光纤用胶粘剂密封。

在上述技术方案中，用聚氨酯弹性体封装后的光纤光栅位于金属弹簧的中心位置。

将封装后的光纤放入金属弹簧中，用金属圆片将弹簧两端封起来。当外界压力变化时，压力作用在金属圆片上，引起弹簧和聚氨酯弹性体产生形变，并带动光纤光栅一起发生形变，引起光纤光栅波长发生变化，以此测量外界压力的变化。

本发明在使用性能上的最大特点是具有高的压力灵敏度，而且可以在多种工作环境下使用。

本发明在结构上的特点是将光纤光栅封装在聚氨酯弹性体中，然后将其置于金属弹簧的中心位置，弹簧两端用金属圆片封起来，***用耐压聚合物膜包裹密封。整个结构简单，制作工艺简单易行。并可通过选择不同弹簧参数和不同性能的聚氨酯弹性体调节所需的压力传感灵敏度。

本发明的有益效果是：可以准确的测量外界压力的变化，灵敏度高，结构简单。并可根据所需的压力传感灵敏度，选择不同弹簧参数和不同性能的聚氨酯弹性体。

附图说明

图1是用本发明专利所述方法制作的高灵敏度压力传感器的外观。

图2是高灵敏度光纤光栅压力传感器的纵剖面图。

图3为高灵敏度光纤光栅压力传感器的横截面图。

图4是本发明专利所述的金属套筒的结构示意图。

图5为聚氨酯弹性体和弹簧参数对灵敏度K_p的影响。

图6是本发明实例一光纤光栅传感器的Bragg波长与压力的关系的实验测试结果。

图7为本发明实例二光纤光栅传感器的Bragg波长与压力的关系的实验测试结果。

图中1.金属圆片，2.金属弹簧，3.光纤光栅，4.聚氨酯弹性体，5.耐压聚合物膜，6.金属外套上的孔，7.有涂覆的光纤，8.金属外套。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，同时通过说明，本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

将光纤光栅3用聚氨酯弹性体4封装，封装成圆柱形，有涂覆的光纤7从聚氨酯弹性体4中穿出。将封装好的光纤光栅放入金属弹簧2的中心位置，用金属圆片1将金属弹簧2的两端封起来，有涂覆的光纤7从金属圆片上的小孔穿出，用耐压聚合物膜5将弹簧2密封起来，最外层套上金属外套，有涂覆的光纤7从金属外套上的小孔6中穿出。

选择不同的弹簧参数、不同性能的聚氨酯弹性体，可得到不同压力灵敏度的传感器。

相关分析及验证实验：

高灵敏度光纤光栅压力传感器结构及其增敏效果分析

弹簧受到压力时可以很容易发生纵向形变，而横向基本没有形变。基于此，我们将光纤光栅压力传感器设计成弹簧结构如图1至图4所示，图1为本发明专利所述方法制作的高灵敏度压力传感器的外观，图2是高灵敏度光纤光栅压力传感器的纵剖面图，图3为高灵敏度光纤光栅压力传感器的横截面图，图4是本发明专利所述的金属套筒的结构示意图。

封装用聚氨酯弹性体的杨氏模量为E_p，封装用聚氨酯弹性体的泊松比为υ_p。在弹簧元件的两端安装上金属圆片，将用聚氨酯弹性体封装后的光纤光栅放入其中，光纤光栅的封装长度和弹簧的长度相同，金属圆片的中心开小孔将光纤引出。因为弹簧无法屏蔽径向的压力，为了避免外界径向压力变化引起的光纤光栅的形变，在弹簧的外面包裹了一层耐压聚合物膜。

假设封装聚氨酯弹性体外径所围的截面积为S₀，封装聚氨酯弹性体和光纤的等效弹性模量为E₀，金属圆片外径所围的面积为S，聚氨酯弹性体和弹簧的长度都为l，弹簧的弹性系数为k。当外界压力变化为P时，金属圆片上将产生压力F

F＝PS    (1)

该力使传感器产生纵向压缩形变，从而引起光纤光栅的形变。设此形变量为Δl，则

$\mathrm{PS}=F=\mathrm{k\Δl}+E_0\frac{\mathrm{\Δl}}{l}{S}_0---\left(2\right)$

所以

$\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{PS}}{k+E_0{S}_0/l}---\left(3\right)$

光纤光栅横截面上产生的应力

$\mathrm{\σ}=E_0\frac{\mathrm{PS}}{\mathrm{kl}+E_0{S}_0}---\left(4\right)$

在压力作用下，有：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=-\frac{(1-p_e)}{E_0}\mathrm{\σ}=-(1-p_e)\frac{\mathrm{PS}}{\mathrm{kl}+E_0{S}_0}=K_{p}P---\left(5\right)$

压力灵敏度：

$K_p=-(1-p_e)\frac{S}{\mathrm{kl}+E_0{S}_0}---\left(6\right)$

其中，S₀为聚氨酯弹性体外径所围的截面积，E₀为等效弹性模量E_g分别为封装聚氨酯弹性体和光纤光栅的弹性模量，V_p，V_g分别为聚氨酯弹性体和光纤光栅的体积分数，S_p，S_g分别为聚氨酯弹性体和光纤光栅的截面积，S为金属圆片外径所围的面积，l为聚氨酯弹性体和弹簧的长度，k为弹簧的弹性系数，P_e为光纤光栅的有效弹光系数。所以有：

$K_p=-(1-p_e)\frac{S}{\mathrm{kl}+E_p{S}_p+E_g{S}_g}---\left(7\right)$

可以看出，光纤材料，封装用聚氨酯弹性体和弹簧的力学性能参数是影响压强灵敏度系数的决定因素。很明显，增大金属圆片的面积，减小弹簧的长度及其弹性系数、封装聚氨酯弹性体与光纤光栅的弹性模量和截面积都会提高增敏效果。因此，适当地选择以上参数，可以获得理想的增敏效果。

选择石英光纤为研究对象，p_e＝0.216，E_pS_p＝(7.0×10¹⁰N/m²)×(1.19×10^-6m²)代入(7)，则

$K_p=-0.784\frac{S}{\mathrm{kl}+E_p{S}_p+8.33\×{10}^4}---\left(8\right)$

压强灵敏度系数的变化随弹簧和聚氨酯弹性体参数kl、E_pS_p变化如图5所示(其中金属圆片的面积S＝1.4×10^-3m²不变，kl的变化范围为1500～10000N，E_pS_p的变化范围为785～130000N)。

高灵敏度光纤光栅压力传感器传感特性实例分析：

实例一：聚氨酯弹性体和弹簧的长度l为73.4mm，封装后光纤光栅的直径为5.09mm，使用中心反射波长为1553.730nm的光纤光栅，所用聚氨酯弹性体的弹性模量为3.5×10⁷N/m²，所用的弹簧和金属片的外径均为36.0mm、弹簧系数为2.72×10⁴N/m时，得到的光纤光栅传感器。在室温，0.04～0.1MPa的压力范围内，对光纤光栅传感器的压力传感特性进行测试，得到不同压力下的光谱图，该传感器的压力响应曲线如图6所示。

从图6可看出，随着压力的增加，该传感器的中心波长向短波方向漂移，根据图6的数据得该传感器的压力灵敏度为-6.49×10^-2/MPa，该灵敏度是裸光纤光栅压力灵敏度(-2.78×10^-6/MPa)的23400倍。

实例二：选择弹簧和金属片的外径均为29.20mm，弹簧系数为9.58×10³N/m，其他参数和上述实例一样，得到另一光纤光栅压力传感器。在0～0.07MPa压力范围内测试其压力传感特性，得到不同压力下的光谱图，该传感器的压力响应曲线如图7所示。

从图7可看出，随着压力的增加，该传感器的中心波长向短波方向漂移，根据图7的数据得该传感器的压力灵敏度为-6.10×10^-2/MPa，是裸光纤Bragg光栅压力灵敏度(-2.78×10^-6/MPa)的21958倍。

从图7还可看出，该传感器不仅具有很高的压力传感灵敏度，而且在低压下，中心波长与外加压力具有良好的线性关系。

从上述两个实例可以看出，所设计的弹簧封装结构有很高的灵敏度。

需要说明的是：对于所属领域的技术人员来说，在不改变本发明原理的前提下还可以对本发明做出若干的改变或变形，这同样属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.高灵敏度光纤光栅压力传感器，其特征在于它由金属弹簧、金属圆片、聚氨酯弹性体、耐压聚合物膜和光学传感元件、金属外套组成；所述光学传感元件为光纤光栅，光纤光栅外封装有聚氨酯弹性体，被封装的光纤光栅置于金属弹簧的中心，弹簧与聚氨酯弹性体不接触，金属弹簧的两端用金属圆片封起来，耐压聚合物膜包裹在金属弹簧的外层。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅压力传感器，其特征在于所述封装在光纤光栅外的聚氨酯弹性体为圆柱形，其长度和弹簧的长度相同。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅压力传感器，其特征在于所述金属圆片的直径和金属弹簧的外径相同，并用胶粘剂粘接在金属弹簧的两端，金属圆片的中心开有和光纤直径相当的小孔，小孔和光纤用胶粘剂密封。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅压力传感器，其特征在于金属弹簧的***用耐压聚合物膜包裹密封，耐压聚合物膜的外层用金属外套封装起来，金属外套由上下两部分构成，两部分在轴向上有部分重叠，并且可以随金属弹簧的形变相对滑动。

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