[發(fā)明專利]高靈敏度光纖光柵壓力傳感器

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710051243.8
• 申請(qǐng)日: 2007-01-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101221079A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 文慶珍;朱金華;趙培仲;龔沈光;黃俊斌;顧宏?duì)N
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/24
• 分類號(hào): G01L1/24;G01L11/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，更具體地它是一種高靈敏度光纖光柵壓力傳感器。

背景技術(shù)

自1989年Meltz等人應(yīng)用全息側(cè)寫(xiě)入技術(shù)成功地制成了光纖光柵以來(lái)，光纖光柵由于具有一系列優(yōu)異性能，在傳感技術(shù)領(lǐng)域倍受青睞。溫度和應(yīng)變是光纖光柵能夠直接傳感測(cè)量的兩個(gè)最基本的物理量，以應(yīng)變、溫度傳感為基礎(chǔ)間接衍生出來(lái)了許多其它可傳感的物理量，如微振動(dòng)、聲波、流量、位移、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等，因此光纖光柵傳感器在生物、化學(xué)、醫(yī)療及環(huán)保等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)、智能結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部應(yīng)變、壓力、振動(dòng)、載荷疲勞、結(jié)構(gòu)損傷等參數(shù)的監(jiān)測(cè)方面有巨大的應(yīng)用前景，在水聽(tīng)器、磁預(yù)警、激光預(yù)警、核輻射預(yù)警、生化戰(zhàn)劑預(yù)警等方面也具有其它傳感器無(wú)法比擬的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用潛力。

盡管裸光纖光柵有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是，因其機(jī)械性能差、傳感靈敏度不高，特別是壓力靈敏度較低，從而限制了它在許多方面的應(yīng)用。M.G.Xu等人在Electron?Lett.(1993，29(4)，398～399)上報(bào)道了對(duì)裸露的光纖光柵的壓力傳感特性的研究結(jié)果：在70MPa的高壓下，光纖光柵中心反射波長(zhǎng)僅移動(dòng)了0.22nm，其壓力靈敏系數(shù)為-1.98×10^-6/MPa。因此，光纖光柵的壓力傳感增敏是光纖光柵傳感領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1996年，M.G.Xu等人在Electron?Lett.(1996，32(2)，128～129)上報(bào)道，將光纖布拉格光柵固定于空心的玻璃球結(jié)構(gòu)中，利用玻璃球的放大作用提高光纖光柵對(duì)壓力的靈敏度。實(shí)驗(yàn)中M.G.Xu等人使用的玻璃球的直徑為5.5mm，壁厚為500μm，測(cè)得的壓力傳感靈敏度為-21.2×10^-6/MPa，其靈敏度提高了4倍，這種方法的增敏效果差，而且玻璃球在壓力下容易損壞。

2000年劉云啟等人在中國(guó)激光(2000，27(3)，211～214)上報(bào)道了應(yīng)用聚合物封裝的辦法，將聚合物做成10×50mm的圓柱體，光纖光柵位于圓柱體的中心，由于基底材料的帶動(dòng)作用，封裝后的光纖光柵的壓力靈敏度為裸光柵的31.7倍，壓力靈敏系數(shù)可達(dá)-6.128×10^-5/MPa，該封裝結(jié)構(gòu)具有壓力增敏和保護(hù)光柵的雙重效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述背景技術(shù)的不足之處，提供一種高靈敏度光纖光柵壓力傳感器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：高靈敏度光纖光柵壓力傳感器，其特征在于它由金屬?gòu)椈伞⒔饘賵A片、聚氨酯彈性體、耐壓聚合物膜和光學(xué)傳感元件、金屬外套組成，所述光學(xué)傳感元件為光纖光柵，光纖光柵外封裝有聚氨酯彈性體，被封裝的光纖光柵置于金屬?gòu)椈傻闹行模饘購(gòu)椈傻膬啥擞媒饘賵A片封起來(lái)。耐壓聚合物膜包裹在金屬?gòu)椈傻耐鈱樱蛪壕酆衔锬た梢云帘瓮饨绲膹较驂毫Γ饘購(gòu)椈芍划a(chǎn)生軸向形變。耐壓聚合物膜的外面用金屬外套封裝起來(lái)。耐壓聚合物膜的外面用金屬外套封裝起來(lái)，金屬外套由上下兩部分構(gòu)成，兩部分在軸向上有部分重疊，并且可以隨金屬?gòu)椈傻男巫兿鄬?duì)滑動(dòng)。

在上述技術(shù)方案中，所述封裝在光纖光柵外的聚氨酯彈性體為圓柱形，其長(zhǎng)度和彈簧的長(zhǎng)度相同。

在上述技術(shù)方案中，所述位于金屬圓片外端的光纖為有涂覆層的光纖。

在上述技術(shù)方案中，所述耐壓聚合物膜包裹在金屬?gòu)椈傻耐鈱樱瑢⒔饘購(gòu)椈擅芊馄饋?lái)，屏蔽徑向壓力。

在上述技術(shù)方案中，金屬圓片的直徑和金屬?gòu)椈傻耐鈴较嗤⒂媚z粘劑粘接在金屬?gòu)椈傻膬啥耍饘賵A片的中心開(kāi)有和光纖直徑相當(dāng)?shù)男】祝?!-- SIPO -->孔和光纖用膠粘劑密封。

在上述技術(shù)方案中，用聚氨酯彈性體封裝后的光纖光柵位于金屬?gòu)椈傻闹行奈恢谩?/p>

將封裝后的光纖放入金屬?gòu)椈芍校媒饘賵A片將彈簧兩端封起來(lái)。當(dāng)外界壓力變化時(shí)，壓力作用在金屬圓片上，引起彈簧和聚氨酯彈性體產(chǎn)生形變，并帶動(dòng)光纖光柵一起發(fā)生形變，引起光纖光柵波長(zhǎng)發(fā)生變化，以此測(cè)量外界壓力的變化。

本發(fā)明在使用性能上的最大特點(diǎn)是具有高的壓力靈敏度，而且可以在多種工作環(huán)境下使用。

本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是將光纖光柵封裝在聚氨酯彈性體中，然后將其置于金屬?gòu)椈傻闹行奈恢茫瑥椈蓛啥擞媒饘賵A片封起來(lái)，外圍用耐壓聚合物膜包裹密封。整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝簡(jiǎn)單易行。并可通過(guò)選擇不同彈簧參數(shù)和不同性能的聚氨酯彈性體調(diào)節(jié)所需的壓力傳感靈敏度。

本發(fā)明的有益效果是：可以準(zhǔn)確的測(cè)量外界壓力的變化，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。并可根據(jù)所需的壓力傳感靈敏度，選擇不同彈簧參數(shù)和不同性能的聚氨酯彈性體。

附圖說(shuō)明