[實用新型]基于波紋管和等強度懸臂梁的差動式雙光纖Bragg光柵滲壓傳感器

有效

• 申請號: 201120337301.5
• 申請日: 2011-09-09
• 公開（公告）號: CN202329886U
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 李川;李得利
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及一種基于波紋管和等強度懸臂梁的差動式封裝結構的雙光纖Bragg光柵滲壓傳感器，屬光電子測量器件技術領域。?

技術背景

滲壓傳感器是在巖土工程中用于測量孔隙壓力的一種壓力測量儀器。孔隙壓力即孔隙流體所承受的壓力，其產生的主要原因包括：孔隙水的自重形成的滲流場和作用在土體單元上的總應力的變化。由于具有波長編碼以及質輕、耐久、電絕緣等諸多優點，近年來基于光纖Bragg光柵的測量方案發展迅速。由于光纖Bragg光柵對溫度敏感，因此在檢測其他物理量時要去除溫度的影響，保證實際應用中滲壓測量的精度。?

目前典型的與本實用新型最接近的光纖Bragg光柵滲壓傳感器為基于平膜片和等強度懸臂梁封裝的滲壓傳感器（參見文獻：周智、張廣玉、王丹、歐進萍，“一種光纖光柵滲壓計”，實用新型專利說明書，2007年8月，授權公告號：CN2938032）。該技術采用裝有傳力桿的平膜片與等強度梁的結構對滲壓進行測量。由于其采用膜片結構，器件組裝要求較高且不宜用于較大量程的滲壓測量。?

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種基于波紋管和等強度懸臂梁的差動式雙光纖Bragg光柵滲壓傳感器，可以消除溫度變化對光纖Bragg光柵測量的干擾，保障光纖Bragg光柵在實際滲壓檢測中的測量精度。?

本實用新型由普通的側面帶有安裝孔的金屬外殼1、等強度懸臂梁2、波紋管3、透水石4、光纖引出孔5、光纖6、第一光纖Bragg光柵7和第二光纖Bragg光柵8構成，透水石4與波紋管3的固定端連接并固定在安裝孔處；波紋管3采用外配合、封閉底的基本結構型式，其開放端與側面帶有安裝孔的金屬外殼1固定、封閉端與等強度懸臂梁2的自由端相連；第一光纖Bragg光柵7和第二光纖Bragg光柵8分別粘貼于等強度懸臂梁2上、下表面中心軸線的對應位置；光纖6通過光纖引出孔5與外接光纖連接。?

第一光纖Bragg光柵7和第二光纖Bragg光柵8可以是同一型號具有相同敏感系數的光纖Bragg光柵。?

本實用新型的工作原理為:?

使用透水石4將波紋管3的開放端封閉以隔離外界環境中的雜質，使得波紋管3的內腔形成滲壓測量腔。當滲壓作用于滲壓測量腔時，波紋管3產生軸向位移并帶動等強度懸臂梁2的自由端產生形變。通過分別粘貼在等強度懸臂梁2上、下表面中心軸線處的第一光纖Bragg光柵7和第二光纖Bragg光柵8，將等強度懸臂梁2的形變轉換為光纖Bragg光柵的中心波長移位。然后通過輸入輸出光纖將兩光纖Bragg光柵與信號處理裝置連接，利用解調儀得到光纖Bragg光柵中心波長的移位值。由于兩根光纖Bragg光柵分別粘貼在等強度懸臂梁上、下表面中心軸線的對應位置上，形成差動結構，所以通過對光纖Bragg光柵中心波長移位值的測量和計算就可以消除溫度對系統的影響，從而建立波長與滲壓的對應關系，實現滲壓的精確測量。

本實用新型的數學模型如下：?

當對滲壓測量腔施加壓強p時，波紋管產生軸向位移使等強度懸臂梁產生形變，此時等強度懸臂梁上表面受拉力，下表面受壓力。由于波紋管為柔性敏感元件，此時波紋管自由端對等強度懸臂梁自由端施加的壓力會產生一個反作用力反作用于波紋管自由端。分別對波紋管和等強度懸臂梁進行分析可知：

...............................(1)

....................................(2)

式中，F為強度懸臂梁受到的壓力；W為系統的總位移；K₁、K₂分別為強度懸臂梁和波紋管的剛度；p為作用于波紋管內的壓強；A為波紋管有效面積。

其中，等強度懸臂梁的剛度K₁為：?

...............................(3)

式中，為等強度懸臂梁材料的彈性模量；B為等強度懸臂梁的底寬；為等強度懸臂梁的厚度；L為等強度懸臂梁的有效長度。

波紋管的剛度K₂與波紋管的波數n成及波紋管單波剛度K有關，波紋管的單波剛度K為給定值，與波紋管的材料及尺寸有關。三者之間的關系可表示為：?