[發明專利]一種高溫光纖動態壓力傳感器及其壓力計算方法

在審

• 申請號: 202210340117.9
• 申請日: 2022-04-02
• 公開（公告）號: CN114486054A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 代志國;代勇波;鄭斯頏;岳立;廖春惠;段德瑞;何國銳;彭鵬;朱世民
• 申請（專利權）人: 成都凱天電子股份有限公司
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種高溫光纖動態壓力傳感器及其壓力計算方法，壓力傳感器包括傳感器探頭、傳輸光纜和光電調解模塊，相比較現有傳統壓力傳感器，高溫光纖動態壓力傳感器可以直接將傳感器探頭設置在高溫、高壓環境中，傳感器探頭采用高溫變形合金，具有耐高溫屬性，實現高溫、高壓環境下壓力信號的直接測量，而不需要額外的保護措施；由于光信號本質上抗電磁干擾，電磁環境對光信號的相位，幅度等參數都無影響，傳感器探頭可以免除周圍環境的干擾，具有較高的抗電磁干擾能力，解決了電學壓力傳感器在高溫環境下使用必須采取隔熱措施或將壓力引流至遠端進行測量的問題，解決了電學壓力傳感器容易在極端溫度和電磁干擾情況下出現失效和測量不準的現象。

技術領域

本發明涉及壓力傳感器技術領域，尤其涉及一種高溫光纖動態壓力傳感器及其壓力計算方法。

背景技術

隨著光纖制造技術的迅速發展和光纖材料的深入研究，光纖傳感技術也得到了快速發展。光纖傳感器與傳統的各類傳感器相比，具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、耐高溫、結構簡單、體積小、重量輕等一系列獨特的優點。因此其在高溫高壓、輻射環境、工況監測、微機電等領域都具有極好的應用前景。發動機作為國民經濟領域中的重要動力裝置，是船舶、機車、汽車等運輸工具的主要動力設備。由于往復式機械具有零部件多且相互關聯、運動復雜和工作條件惡劣等特點，其發生故障的可能性較大，因此開展發動機的工作狀態監測與診斷技術研究，可以及時發現發動機故障征兆，為發動機維修與保養提供了可靠的技術參數。而在發動機狀態監測過程中，發動機缸內壓力指標是其中最重要的技術參數，可直接反應出當前發動機健康狀況。

當前用于發動機內部壓力測量的傳感器多為基于電學原理的壓力傳感器。由于發動機缸內環境溫度較高、壓力較大、振動強度大、電磁環境復雜，所以基于電學原理的壓力傳感器在使用過程中需要對傳感器進行保護，如在壓力傳感器外部包裹隔熱材料，利用引流管路將待測介質引流降溫等。這些保護措施雖然可以對電學壓力傳感器起到一定的保護作用，但是同時帶來了傳感器整體重量增加，測試壓力信號存在滯后性，電磁兼容設計難度大等一系列問題。

發明內容

針對現有技術的上述不足，本發明提供了一種高溫光纖動態壓力傳感器及其壓力計算方法，解決了傳統電學壓力傳感器在高溫環境下使用時，因必須采取隔熱措施或利用引流管路將待測介質引流降溫而導致傳感器整體重量增加，測試壓力信號存在滯后性，電磁兼容設計難度大的問題。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

提供了一種高溫光纖動態壓力傳感器，其包括傳感器探頭、傳輸光纜和光電調解模塊；傳感器探頭包括膜片基座，膜片基座的頂部固定設置有敏感膜片，敏感膜片的下表面為光反射面，敏感膜片的下表面和膜片基座的上表面之間設置有間距，敏感膜片的材料為高溫變形合金，變形高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫環境下抗氧化或耐腐蝕，并能在一定應力作用下長期工作的一類金屬材料。

膜片基座內部設置有發射光纖和接收光纖，發射光纖和接收光纖的一端均與膜片基座的上表面相接；

光電調解模塊包括光源和光電探測器；發射光纖的另一端通過傳輸光纜與光源連接，接收光纖的另一端通過傳輸光纜與光電探測器連接。

本方案中一種高溫光纖動態壓力傳感器的基本原理為：將傳感器探頭直接暴露與燃燒環境中，敏感膜片在高溫、高壓環境下產生穩定的位移量，且具有較低的蠕變、較小的遲滯和非線性效應，且能達到千萬次以上壓力循環的疲勞壽命要求；當外界壓力作用于敏感膜片上時，敏感膜片中心處產生軸向位移，該位移將導致敏感膜片與發射光纖和接收光纖之間的距離發生變化，從而引起接收光纖接收到的光強度發生變化，通過探測光強度的變化量，得到外部壓力的變化量，從而達到高精度探測壓力的目的。

進一步地，敏感膜片的材料優選但不限于GH4169或Inconel718；敏感膜片的形狀為底部具有開口的中空圓柱結構，敏感膜片的頂部直徑為1.5mm~5mm，敏感膜片的厚度為0.1mm~0.5mm，敏感膜片外形尺寸及厚度可根據傳感器的設計量程不同而進行更改；