[發明專利]一種魚型光纖光柵大量程壓力傳感器

在審

• 申請號: 202010132426.8
• 申請日: 2020-02-29
• 公開（公告）號: CN113324694A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 王洪濤;黃愛武;王一爍
• 申請（專利權）人: 濰坊嘉騰液壓技術有限公司
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02;G01L19/04
• 代理公司: 北京君慧知識產權代理事務所(普通合伙) 11716
• 代理人: 吳紹群

本發明涉及一種魚型光纖光柵大量程壓力傳感器，適于檢測管道內的液體壓力，包括骨架，骨架由兩個相互對稱設置的金屬片組成，金屬片設為縱向長橫向短的薄片結構，兩個金屬片的中間部分別向外隆起設置，使兩個金屬片之間形成一個空腔，空腔內設有類似魚泡的氣囊，氣囊和金屬片之間設有填充物。本發明根據魚體的仿生學原理，設計有魚骨形的金屬片，并且在金屬片的“魚際線”中軸線內外兩側設置光纖光柵，其中一個金屬片兩側的兩根光纖光柵，利用金屬片正反變形原理消除溫度對光柵的影響，實現溫度自補償的壓力檢測；另一側的金屬片設有凹或凸的筋槽，起到強化金屬片對光纖光柵徑向橢圓變形的支撐作用，利用雙折射的諧振波長分裂接力檢測中高壓。

技術領域

本發明涉及涉及光纖傳感技術領域和液壓檢測技術領域，具體涉及一種魚型光纖光柵大量程壓力傳感器。

背景技術

由伯努利方程可知，管路內的液體壓力也是一種能量形式，在液壓傳動系統中，介質的流速(動能)較低，產生的勢能相對較低，可以不考慮，僅依靠工作介質的壓力能傳遞動力，就是所謂的靜液壓傳動。在靜液壓傳動中，由于泵或閥的開啟關閉，或者負載的動態變化，都會引起管路內流體壓力的變化，特別是對螺旋管路內壓力的分布和動態特性的研究目前尚屬于技術空白。

傳統的液體壓力傳感裝置，主要是機械式壓力表或者電阻式壓力傳感器，這些檢測方法的優點是測量理論和技術相對成熟，設備成本較低，但是目前對液壓管路內部壓力或壓力響應進行檢測時，通常采用在管路徑向開檢測工藝孔，以及在管路徑向側壁安裝壓力或高頻響壓力傳感器探頭的方法。

但上述方法存在一定的問題：第一，破壞管路側壁結構；第二，徑向傳感器探頭破壞了內壁液流的層流形態，增加了液流內部擾動；第三，螺旋管路內外側流速不同，壓力狀態不同，采用固定的壓力傳感器探頭的方法難以準確測量管路內的壓力分布和變化規律。

考慮到上述方法的諸多弊端，現有技術出現能應用于管路內液體壓力測量的儀器，此類儀器多數是利用光纖光柵原理進行，但采用光纖光柵壓力傳感器進行壓力測量時，會存在承載小、測量壓力范圍較小的問題。為此，目前通常采用懸臂梁放大原理對壓力傳感器進行封裝，以解決傳感器承載小的問題，但這同時又會產生傳感器體積增大的問題，并且對傳感器進行封裝并不能解決其測量壓力范圍較小的問題，即傳感器的量程仍然滿足不了工程液壓機械的實際需求。

現有技術中利用光纖光柵對壓力的測量方法主要有兩種：一是利用光纖光柵波長能夠與待測的物理量建立一定的線性關系，通過標定線性范圍內的線性系數，由待測物理量發生變化而引起了波長的漂移值換算出相應的壓力值。例如當光纖光棚受到外場(應力場、溫度場等)作用時，其柵格周期或有效折射率會發生變化從而引起光柵反射(或透射)波長的漂移，現在我們常用的光柵傳感中絕大部分的光纖光柵傳感器都屬于這一類；二是光纖光柵偏振特性能夠與隨待測物理量建立線性關系，偏振特性隨著待測物理量的變化而變化的，是光纖布拉格光柵在壓力負載條件下的諧振波長分裂，通過對x偏振光和y偏振光幅度譜中心波長的偏移量以檢測外在壓力，但是這種方法在遇到壓力較小狀況時，總幅度譜很難察覺到兩種本征模中心波長的差別，檢測較為困難。

綜上所述，因為光纖光柵傳感器自身的靈敏性高，不管是用光柵中心波長漂移量還是用光纖橢圓變形造成的雙折射檢測方法，都存在一個僅能檢測低壓范圍，一個僅能檢測相對的高壓范圍，從而使得測量壓力的量程受到較大的局限，導致目前光纖光柵傳感器可檢測的壓力下限或上限都不能滿足工程液壓機械的實際需求。

因此，亟需一種能夠實現液壓管內較高精度的光纖光柵大量程壓力傳感器的管路無損檢測系統，用于管路內油壓高精度的壓力數據的采集，而這種技術主要依賴于傳感器的封裝和標定檢測辦法的創新，以推動液壓管路的深入研究和優化。

本發明揣測魚類“魚際線”對液體壓力的神經感知原理，借助當今光纖光柵技術的發展，綜合利用了光纖光柵縱向和徑向隨壓力變化而測量范圍不同的兩個突出特點的互補性，主要創新一種仿生魚型光纖光柵大量程壓力傳感器。

發明內容