一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法

摘要

本发明公开了一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法，该传感器包括壳体、弹性膜片、L形等强度梁和光纤布拉格光栅，壳体的顶端设置有开口，开口与壳体的内部空间构成腔体，弹性膜片覆盖开口，等强度梁设置于腔体内，等强度梁的梁臂的自由端设置有受压块，弹性膜片的下表面设置有与受压块紧密连接的硬凸台，光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通过光纤串联连接构成，两个布拉格光栅分别连接于梁臂的上下表面上，优点在于在设计时弹性膜片与梁臂刚性连接，不仅可提高测量精度，而且可降低工艺难度；由于光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度相同的布拉格光栅构成，这样在测量时可解决温度交叉敏感问题。

主权项

1.一种光纤布拉格光栅压力传感器相应的测量方法，光纤布拉格光栅压力传感器包括筒状的壳体、呈圆形的弹性膜片、L形等强度梁和光纤布拉格光栅，所述的壳体的顶端设置有一个开口，所述的开口与所述的壳体的内部空间相连通构成一个具有开口的腔体，所述的弹性膜片与所述的壳体的顶端相连接，所述的弹性膜片覆盖所述的开口，所述的L形等强度梁设置于所述的腔体内，所述的L形等强度梁的固定板与所述的腔体的腔壁相连接，所述的L形等强度梁的梁臂的自由端设置有受压块，所述的弹性膜片的下表面上设置有一个位置与所述的受压块的位置相对应的硬凸台，所述的受压块的上表面与所述的硬凸台的下表面紧密接触连接，所述的光纤布拉格光栅主要由两个温度梯度完全相同的布拉格光栅通过一个光纤串联连接构成，两个所述的布拉格光栅分别连接于所述的L形等强度梁的梁臂的上表面和下表面上，所述的光纤的一端通过设置于所述的壳体的一侧壁上且贯穿该侧壁的通孔引出所述的壳体外，其特征在于该测量方法包括以下步骤：①根据圆形薄片力学计算模型，计算弹性膜片的中心挠度，记为ω，其中，P表示弹性膜片的上表面所受的均布压力，μ表示弹性膜片所采用的材料的泊松比，R表示弹性膜片的半径，E表示弹性膜片所采用的材料的弹性模量，d表示弹性膜片的厚度；②计算当弹性膜片的上表面所受的均布压力P通过硬凸台转化为集中应力F作用于设置于L形等强度梁的梁臂的自由端的受压块时，受压块的惯性矩和挠度，分别记为I和ω′，其中，B表示L形等强度梁的梁臂与L形等强度梁的固定板相连接的一端的宽度，h表示L形等强度梁的梁臂的厚度，L表示L形等强度梁的梁臂的轴向长度，E′表示L形等强度梁所采用的材料的弹性模量；③根据弹性膜片与L形等强度梁的刚性连接特性，确定ω′＝ω，结合和得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P与集中应力F之间的关系表达式，④在集中应力F的作用下，L形等强度梁的梁臂产生变形，L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生正应变，粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长变大，L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生负应变，粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长变小，令L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变为ε_上，令L形等强度梁的梁臂的下表面受压产生的负应变为ε_下，⑤根据两个布拉格光栅反射的中心波长分别对应计算两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长的变化量为Δλ_B上，记粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长的变化量为Δλ_B下，Δλ_B上＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B上，-Δλ_B下＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B下，其中，t表示光纤的弹光系数，ε表示光纤的轴向应变，α表示光纤的热光系数，β表示光纤的热膨胀系数，ΔT表示温度变化量，λ_B上表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的上表面上的布拉格光栅反射的中心波长，λ_B下表示粘贴在L形等强度梁的梁臂的下表面上的布拉格光栅反射的中心波长；⑥根据光纤粘贴在L形等强度梁的梁臂的上下表面时光纤的轴向应变ε与L形等强度梁的梁臂的上表面受拉产生的正应变ε_上及下表面受压产生的负应变ε_下相等的特性，结合和Δλ_B上＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B上，得到结合和-Δλ_B下＝[(1-t)ε+(α+β)ΔT]λ_B下，得到⑦将和相减，并根据两个温度梯度完全相同的布拉格光栅，确定两个布拉格光栅反射的中心波长相等，根据等强度梁的应变特性，确定两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值相等，得到其中，Δλ_B表示两个布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值，λ_B表示两个布拉格光栅反射的中心波长；⑧从与引出的光纤相连接的光栅解调仪中获取布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值Δλ_B，结合布拉格光栅反射的中心波长的变化量的绝对值Δλ_B和计算得到弹性膜片的上表面所受的均布压力P；⑨根据弹性膜片的上表面所受的均布压力P，计算温度变化量ΔT。