CN104266789A - 基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法 - Google Patents

Abstract

基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，属于光纤光栅应变传感技术领域。解决了现有压差传感方法存在传感功能性失灵的风险性高的问题。管道上的高、低压孔流出的液体产生的液压差作用在高压隔离膜片和低压隔离膜片上，使高压隔离膜片、低压隔离膜片产生形变，且该形变使2号圆筒内的高温硅油推动中心测量弹性膜片的中心进行轴向移动，使中心测量弹性膜片发生形变，并带动1号强磁铁移动，使2号强磁铁跟随1号强磁铁同步移动，2号强磁铁的移动使弹性悬臂梁弯曲，使带有温度补偿的光纤光栅发生形变，带有温度补偿的光纤光栅输出的信号通过解调仪送至计算机，完成对液体压差信息的传送。本发明主要应用在液体压差传感领域。

Description

基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法

技术领域

本发明涉及一种利用隔离式强磁铁带动悬臂梁表面光纤光栅发生应变的光纤差压传感器，属于光纤光栅应变传感技术领域。

背景技术

差压传感器广泛应用于石油、化工、电力、冶金、环保等行业，用于测量液体、气体的差压和流量等参数，可作为过程控制领域用差压变送器的核心部件。

在许多特殊的场合，光纤光栅差压传感器具有许多传统差压传感器不具备的特点。光纤光栅作为智能化结构的传感器，具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易集成、结构简单等优点，可以埋覆在被测物体和材料内部对压强、温度、应力、应变、流速、流量、粘度等物理量进行检测。

对于市场上现有的差压变送器，由于差压传感器的体积大、价格昂贵、抗电磁干扰能力差等缺点，对其工程化的推广应用构成了限制；对于差压变送器的使用环境，电阻、电容式差压传感器在强电磁、强腐蚀、强辐射、高低温、极端恶劣天气等状况下可能存在功能性失灵的风险；对于光纤光栅传感信号的解调，是依据对光纤光栅不同的中心波长返回值进行读取和参量变换，进而得到待测信息的变化量，在相同情况下光纤光栅传感器更适合于恶劣环境下对微小差压信号的测量。

发明内容

本发明是为了解决现有压差传感方法存在传感功能性失灵的风险性高的问题，本发明提供了一种基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法。

基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，所述的光纤光栅的磁力传动差压传感器包括1号非金属圆筒、2号圆筒、1号过载保护机构、2号过载保护机构、3号过载保护机构、4号过载保护机构、高压隔离膜片、低压隔离膜片、中心测量弹性膜片、1号强磁铁、2号强磁铁、弹性悬臂梁和带有温度补偿的光纤光栅；

1号过载保护机构、2号过载保护机构、3号过载保护机构、4号过载保护机构、高压隔离膜片、低压隔离膜片、中心测量弹性膜片和1号强磁铁均位于2号圆筒内，

2号圆筒的底面设有高压液体入口，顶面设有低压液体入口，

1号过载保护机构、2号过载保护机构和3号过载保护机构均为圆形结构，

1号过载保护机构、2号过载保护机构和3号过载保护机构依次沿2号圆筒的顶面至底面的方向固定在2号圆筒内，且1号过载保护机构、2号过载保护机构和3号过载保护机构上均设有通孔，

低压隔离膜片嵌入在2号圆筒内，且位于低压液体入口和1号过载保护机构之间，1号过载保护机构用于对低压隔离膜片进行过载保护；

高压隔离膜片嵌入在2号圆筒内，且位于高压液体入口和3号过载保护机构之间，3号过载保护机构用于对高压隔离膜片进行过载保护；

中心测量弹性膜片位于2号过载保护机构和3号过载保护机构之间，且中心测量弹性膜片的膜片边缘与2号圆筒的内壁固定连接，

1号强磁铁通过刚性杆与中心测量弹性膜片的中心垂直固定连接，且刚性杆穿过2号过载保护机构的通孔，4号过载保护机构嵌套在刚性杆外，与刚性杆固定连接，且4号过载保护机构位于2号过载保护机构和中心测量弹性膜片之间，2号过载保护机构用于对4号过载保护机构进行过载保护，

1号非金属圆筒垂直嵌入在2号圆筒的侧壁内，且位于1号过载保护机构和2号过载保护机构之间，

2号强磁铁、弹性悬臂梁和带有温度补偿的光纤光栅均位于1号非金属圆筒内，弹性悬臂梁的一端吊装在1号非金属圆筒的顶面上，另一端固定有2号强磁铁，且2号强磁铁与1号强磁铁异性相对设置，带有温度补偿的光纤光栅黏贴在弹性悬臂梁的侧壁上，

2号强磁铁与1号强磁铁之间的垂直距离的范围为3mm至5mm；

该液体压差的传感方法包括如下步骤，

首先，宽带光源发出的光经光耦合器入射至带有温度补偿的光纤光栅，经带有温度补偿的光纤光栅反射后，又经光耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪用于记录反射光的波长，光纤光栅解调仪输出的结果在计算机上显示并存储；

其次，在2号圆筒内充入高温硅油，使圆筒内的高温硅油趋近于充满状态，最后，在液体流经方向的管道上开两个孔，液体流经的第一个孔为高压孔，液体流经的第二个孔为低压孔，将管道上的高压孔与2号圆筒的高压液体入口连通，管道上的低压孔与2号圆筒的低压液体入口连通，

管道上的高、低压孔流出的液体产生的液压差作用在高压隔离膜片和低压隔离膜片上，使高压隔离膜片、低压隔离膜片产生形变，且该形变使2号圆筒内的高温硅油推动中心测量弹性膜片的中心进行轴向移动，使中心测量弹性膜片发生形变，并带动1号强磁铁移动，因1号强磁铁和2号强磁铁异性相吸，使2号强磁铁跟随1号强磁铁同步移动，

2号强磁铁的移动使弹性悬臂梁弯曲，使带有温度补偿的光纤光栅发生形变，带有温度补偿的光纤光栅输出的信号通过解调仪送至计算机，完成对液体压差信息的传送。

本发明带来的有益效果是，本发明使得油气分离、油液分离，本发明压差传感方法在存在传感功能性失灵的风险上降低了50％以上。本发明采用的光纤光栅的磁力传动差压传感器结构简单、成本低廉，采用独特的隔离密封式磁力传动结构，避免硅油等压力传递介质对光纤光栅固化区域的长期腐蚀和冲击破坏，可以很好的延长传感器的使用寿命，保证其持续良好的重复性和灵敏度。

附图说明

图1为本发明所述的光纤光栅的磁力传动差压传感器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，所述的光纤光栅的磁力传动差压传感器包括1号非金属圆筒1、2号圆筒2、1号过载保护机构5-1、2号过载保护机构5-2、3号过载保护机构5-3、4号过载保护机构5-4、高压隔离膜片6-1、低压隔离膜片6-2、中心测量弹性膜片7、1号强磁铁8-1、2号强磁铁8-2、弹性悬臂梁9和带有温度补偿的光纤光栅10；

1号过载保护机构5-1、2号过载保护机构5-2、3号过载保护机构5-3、4号过载保护机构5-4、高压隔离膜片6-1、低压隔离膜片6-2、中心测量弹性膜片7和1号强磁铁8-1均位于2号圆筒2内，

2号圆筒2的底面设有高压液体入口3，顶面设有低压液体入口4，

1号过载保护机构5-1、2号过载保护机构5-2和3号过载保护机构5-3均为圆形结构，

1号过载保护机构5-1、2号过载保护机构5-2和3号过载保护机构5-3依次沿2号圆筒2的顶面至底面的方向固定在2号圆筒2内，且1号过载保护机构5-1、2号过载保护机构5-2和3号过载保护机构5-3上均设有通孔，

低压隔离膜片6-2嵌入在2号圆筒2内，且位于低压液体入口4和1号过载保护机构5-1之间，1号过载保护机构5-1用于对低压隔离膜片6-2进行过载保护；

高压隔离膜片6-1嵌入在2号圆筒2内，且位于高压液体入口3和3号过载保护机构5-3之间，3号过载保护机构5-3用于对高压隔离膜片6-1进行过载保护；

中心测量弹性膜片7位于2号过载保护机构5-2和3号过载保护机构5-3之间，且中心测量弹性膜片7的膜片边缘与2号圆筒2的内壁固定连接，

1号强磁铁8-1通过刚性杆与中心测量弹性膜片7的中心垂直固定连接，且刚性杆穿过2号过载保护机构5-2的通孔，4号过载保护机构5-4嵌套在刚性杆外，与刚性杆固定连接，且4号过载保护机构5-4位于2号过载保护机构5-2和中心测量弹性膜片7之间，2号过载保护机构5-2用于对4号过载保护机构5-4进行过载保护，

1号非金属圆筒1垂直嵌入在2号圆筒2的侧壁内，且位于1号过载保护机构5-1和2号过载保护机构5-2之间，

2号强磁铁8-2、弹性悬臂梁9和带有温度补偿的光纤光栅10均位于1号非金属圆筒1内，弹性悬臂梁9的一端吊装在1号非金属圆筒1的顶面上，另一端固定有2号强磁铁8-2，且2号强磁铁8-2与1号强磁铁8-1异性相对设置，带有温度补偿的光纤光栅10黏贴在弹性悬臂梁9的侧壁上，

2号强磁铁8-2与1号强磁铁8-1之间的垂直距离的范围为3mm至5mm；

该液体压差的传感方法包括如下步骤，

首先，宽带光源发出的光经光耦合器入射至带有温度补偿的光纤光栅10，经带有温度补偿的光纤光栅10反射后，又经光耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪用于记录反射光的波长，光纤光栅解调仪输出的结果在计算机上显示并存储；

其次，在2号圆筒2内充入高温硅油，使圆筒2内的高温硅油趋近于充满状态，最后，在液体流经方向的管道上开两个孔，液体流经的第一个孔为高压孔，液体流经的第二个孔为低压孔，将管道上的高压孔与2号圆筒2的高压液体入口3连通，管道上的低压孔与2号圆筒2的低压液体入口4连通，

管道上的高、低压孔流出的液体产生的液压差作用在高压隔离膜片6-1和低压隔离膜片6-2上，使高压隔离膜片6-1、低压隔离膜片6-2产生形变，且该形变使2号圆筒2内的高温硅油推动中心测量弹性膜片7的中心进行轴向移动，使中心测量弹性膜片7发生形变，并带动1号强磁铁8-1移动，因1号强磁铁8-1和2号强磁铁8-2异性相吸，使2号强磁铁8-2跟随1号强磁铁8-1同步移动，

2号强磁铁8-2的移动使弹性悬臂梁9弯曲，使带有温度补偿的光纤光栅10发生形变，带有温度补偿的光纤光栅10输出的信号通过解调仪送至计算机，完成对液体压差信息的传送。

本实施方式中，2号强磁铁8-2跟随1号强磁铁8-1近似同步移动。

具体地说，差压变化会推动中心测量弹性膜片7在轴向发生一定程度的位移，刚性杆末端的1号强磁铁8-1会同步带动与之相对2号强磁铁8-2产生微小位移，进而会引发弹性悬臂梁9切向形变，造成带有温度补偿的光纤光栅10的微小应变，

光纤光栅解调仪可以对其微应变信号进行处理，在计算机监测软件上通过读取光波长的变化来间接反映中心测量弹性膜片的微小位移。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法的区别在于，所述的1号非金属圆筒1为非金属非磁场屏蔽圆筒。

本实施方式中，2号强磁铁8-2被封闭在非金属非磁场屏蔽圆筒中，实现将被测介质与测量部件的隔离，较好的对光纤光栅进行保护当高、低压腔的压差发生变化时，差压会推动中心测量弹性膜片7在轴向发生一定程度的位移，刚性杆末端的1号强磁铁8-1会同步带动与之相对2号强磁铁8-2产生微小位移，进而会引发弹性悬臂梁9切向形变，造成带有温度补偿的光纤光栅10的微小应变，通过带有温度补偿的光纤光栅10波长和压力标定可进行不同范围差压的测量。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法的区别在于，所述的4号过载保护机构5-4为圆形结构，且4号过载保护机构5-4完全覆盖2号过载保护机构5-2的通孔。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法的区别在于，所述的中心测量弹性膜片7采用弹性金属材料、纤维增强聚合物、或碳纤维实现。

本实施方式，中心测量弹性膜片7采用弹性金属材料、纤维增强聚合物、或碳纤维实现，中心测量弹性膜片7的工作直径、厚度可以根据测量范围选定。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法的区别在于，它还包括刚性金属铰链，刚性金属铰链连接在1号强磁铁8-1和2号圆筒2之间，用于克服1号强磁铁8-1与2号强磁铁8-2相接触。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五所述的一种基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法的区别在于，所述的刚性金属铰链为不锈钢丝绳。

本实施方式中，刚性金属铰链或不锈钢丝绳来实现，保障差压传感器的测量精度和抗蠕变的能力。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法的区别在于，所述的刚性杆为圆柱形，2号过载保护机构5-2的通孔为圆形，刚性杆嵌入在2号过载保护机构5-2的通孔内。

本实施方式中，通过2号过载保护机构5-2的通孔对刚性杆的嵌入式固定，用于克服1号强磁铁8-1和2号强磁铁8-2由于磁性相吸而导致的1号强磁铁8-1和2号强磁铁8-2相接触。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法的区别在于，所述的弹性悬臂梁9采用弹性金属材料或纤维复合材料实现。

Claims (8)

1.基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，所述的光纤光栅的磁力传动差压传感器包括1号非金属圆筒(1)、2号圆筒(2)、1号过载保护机构(5-1)、2号过载保护机构(5-2)、3号过载保护机构(5-3)、4号过载保护机构(5-4)、高压隔离膜片(6-1)、低压隔离膜片(6-2)、中心测量弹性膜片(7)、1号强磁铁(8-1)、2号强磁铁(8-2)、弹性悬臂梁(9)和带有温度补偿的光纤光栅(10)；

1号过载保护机构(5-1)、2号过载保护机构(5-2)、3号过载保护机构(5-3)、4号过载保护机构(5-4)、高压隔离膜片(6-1)、低压隔离膜片(6-2)、中心测量弹性膜片(7)和1号强磁铁(8-1)均位于2号圆筒(2)内，

2号圆筒(2)的底面设有高压液体入口(3)，顶面设有低压液体入口(4)，

1号过载保护机构(5-1)、2号过载保护机构(5-2)和3号过载保护机构(5-3)均为圆形结构，

1号过载保护机构(5-1)、2号过载保护机构(5-2)和3号过载保护机构(5-3)依次沿2号圆筒(2)的顶面至底面的方向固定在2号圆筒(2)内，且1号过载保护机构(5-1)、2号过载保护机构(5-2)和3号过载保护机构(5-3)上均设有通孔，

低压隔离膜片(6-2)嵌入在2号圆筒(2)内，且位于低压液体入口(4)和1号过载保护机构(5-1)之间，1号过载保护机构(5-1)用于对低压隔离膜片(6-2)进行过载保护；

高压隔离膜片(6-1)嵌入在2号圆筒(2)内，且位于高压液体入口(3)和3号过载保护机构(5-3)之间，3号过载保护机构(5-3)用于对高压隔离膜片(6-1)进行过载保护；

中心测量弹性膜片(7)位于2号过载保护机构(5-2)和3号过载保护机构(5-3)之间，且中心测量弹性膜片(7)的膜片边缘与2号圆筒(2)的内壁固定连接，

1号强磁铁(8-1)通过刚性杆与中心测量弹性膜片(7)的中心垂直固定连接，且刚性杆穿过2号过载保护机构(5-2)的通孔，4号过载保护机构(5-4)嵌套在刚性杆外，与刚性杆固定连接，且4号过载保护机构(5-4)位于2号过载保护机构(5-2)和中心测量弹性膜片(7)之间，2号过载保护机构(5-2)用于对4号过载保护机构(5-4)进行过载保护，

1号非金属圆筒(1)垂直嵌入在2号圆筒(2)的侧壁内，且位于1号过载保护机构(5-1)和2号过载保护机构(5-2)之间，

2号强磁铁(8-2)、弹性悬臂梁(9)和带有温度补偿的光纤光栅(10)均位于1号非金属圆筒(1)内，弹性悬臂梁(9)的一端吊装在1号非金属圆筒(1)的顶面上，另一端固定有2号强磁铁(8-2)，且2号强磁铁(8-2)与1号强磁铁(8-1)异性相对设置，带有温度补偿的光纤光栅(10)黏贴在弹性悬臂梁(9)的侧壁上，

2号强磁铁(8-2)与1号强磁铁(8-1)之间的垂直距离的范围为3mm至5mm；

其特征在于，该液体压差的传感方法包括如下步骤，

首先，宽带光源发出的光经光耦合器入射至带有温度补偿的光纤光栅(10)，经带有温度补偿的光纤光栅(10)反射后，又经光耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪用于记录反射光的波长，光纤光栅解调仪输出的结果在计算机上显示并存储；

其次，在2号圆筒(2)内充入高温硅油，使圆筒(2)内的高温硅油趋近于充满状态，

最后，在液体流经方向的管道上开两个孔，液体流经的第一个孔为高压孔，液体流经的第二个孔为低压孔，将管道上的高压孔与2号圆筒(2)的高压液体入口(3)连通，管道上的低压孔与2号圆筒(2)的低压液体入口(4)连通，

管道上的高、低压孔流出的液体产生的液压差作用在高压隔离膜片(6-1)和低压隔离膜片(6-2)上，使高压隔离膜片(6-1)、低压隔离膜片(6-2)产生形变，且该形变使2号圆筒(2)内的高温硅油推动中心测量弹性膜片(7)的中心进行轴向移动，使中心测量弹性膜片(7)发生形变，并带动1号强磁铁(8-1)移动，因1号强磁铁(8-1)和2号强磁铁(8-2)异性相吸，使2号强磁铁(8-2)跟随1号强磁铁(8-1)同步移动，

2号强磁铁(8-2)的移动使弹性悬臂梁(9)弯曲，使带有温度补偿的光纤光栅(10)发生形变，带有温度补偿的光纤光栅(10)输出的信号通过解调仪送至计算机，完成对液体压差信息的传送。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，其特征在于，所述的1号非金属圆筒(1)为非金属非磁场屏蔽圆筒。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，其特征在于，所述的4号过载保护机构(5-4)为圆形结构，且4号过载保护机构(5-4)完全覆盖2号过载保护机构(5-2)的通孔。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，其特征在于，所述的中心测量弹性膜片(7)采用弹性金属材料、纤维增强聚合物、或碳纤维实现。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，其特征在于，它还包括刚性金属铰链，刚性金属铰链连接在1号强磁铁(8-1)和2号圆筒(2)之间，用于克服1号强磁铁(8-1)与2号强磁铁(8-2)相接触。

6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，其特征在于，所述的刚性金属铰链为不锈钢丝绳。

7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，其特征在于，所述的刚性杆为圆柱形，2号过载保护机构(5-2)的通孔为圆形，刚性杆嵌入在2号过载保护机构(5-2)的通孔内。

8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的磁力传动差压传感器实现的液体压差的传感方法，其特征在于，所述的弹性悬臂梁(9)采用弹性金属材料或纤维复合材料实现。