專利名稱：光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力檢測(cè)儀器，特別是一種光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置。
背景技術(shù)：
壓力檢測(cè)儀器用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及石油管道、水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、液壓機(jī)械及礦壓監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域。由于一些特殊環(huán)境的限制，使得傳統(tǒng)的壓力監(jiān)測(cè)儀器的可靠性比較差，監(jiān)測(cè)時(shí)人員費(fèi)工費(fèi)時(shí)。由于光纖光柵有抗電磁干擾能力高、絕緣性能好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、傳輸損耗小、傳輸容量大、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，光纖光柵傳壓力感器不易受環(huán)境影響、可靠性強(qiáng)、安裝工藝簡(jiǎn)單，并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使得企業(yè)成本減少，提高了企業(yè)的技術(shù)水平，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公布了光纖光柵壓力測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)原理和使用方法。光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，該裝置包括活塞1、活塞桿2、殼體10和光柵光纖傳感器，其中，光柵光纖傳感器粘貼于活塞桿上，光柵光纖傳感器連接光纖解調(diào)系統(tǒng)。優(yōu)選的，所述活塞I位于所述活塞桿2的一端，所述活塞I上具有雙O型密封圈密封槽。優(yōu)選的，所述活塞桿2的另一端具有緊固螺紋3，所述緊固螺紋3的一端設(shè)置一六角螺頭5。優(yōu)選的，所述活塞桿(2)的一端上裝配有密封圈擋體(12)、密封圈(13)、密封圈壓體(14)和緊固螺母(15)，緊固螺母(15)固定在活塞桿(I)末端的螺紋上。優(yōu)選的，所述殼體10內(nèi)具有液壓腔8，所述殼體的具有活塞桿配合螺紋9，所述殼體上還具有排油排氣孔7和注油孔6。優(yōu)選的，所述注油孔6位于活塞桿配合螺紋9和排油排氣孔7之間。優(yōu)選的，所述排油排氣孔7靠近殼體10的端部。優(yōu)選的，所述注油孔6靠近殼體10的端部。優(yōu)選的，所述排油排氣孔7位于活塞桿配合螺紋9和注油孔6之間。優(yōu)選的，所述光纖解調(diào)系統(tǒng)包括激光光源、光纖稱合器、線陣CCD、信號(hào)米集板卡、計(jì)算機(jī)。
附圖1活塞桿附圖2另一種活塞桿實(shí)施例的零件圖附圖3附圖2中活塞桿實(shí)施例的裝配圖附圖4殼體結(jié)構(gòu)設(shè)置A
附圖5殼體結(jié)構(gòu)設(shè)置B附圖6殼體結(jié)構(gòu)透視圖附圖7活塞桿結(jié)構(gòu)透視圖附圖8光纖光柵壓力傳感器裝配簡(jiǎn)圖附圖9光纖光柵壓力傳感器的另一實(shí)施例的裝配簡(jiǎn)圖附圖10光纖光柵傳感解調(diào)原理圖1-活塞2-活塞桿3-緊固螺紋4-雙O型密封圈密封槽5-六角螺頭6-注油孔7-排油排氣孔8-工作液壓腔9-活塞桿配合螺紋10-殼體12-密封圈擋體13-密封圈14-密封圈壓體15-緊固螺母16-光纖光柵傳感器粘貼處
具體實(shí)施例方式光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置的結(jié)構(gòu):在一個(gè)實(shí)施例中，裝配圖見附圖8，該方式下活塞桿受拉變形。本發(fā)明的光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置包括活塞1、活塞桿2、殼體10和光柵光纖傳感器，其中，光柵光纖傳感器粘貼于活塞桿上，光柵光纖傳感器連接光纖解調(diào)系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，裝配圖見附圖9，該方式下活塞桿受壓變形。所述活塞I位于所述活塞桿2的一端，所述活塞I上具有雙O型密封圈密封槽。類似的，在其他實(shí)施例中，所述活塞桿2的另一端具有緊固螺紋3，所述緊固螺紋3，所述緊固螺紋3的一端設(shè)置一六角螺頭5。傳感器裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1，活塞上采用雙O型圈密封，可實(shí)現(xiàn)較大油壓的有效密封。實(shí)際使用過程中，光纖光柵可以粘貼在活塞桿上，緊固螺紋3設(shè)計(jì)主要是為了在傳感器裝配過程中，方便桿的順利安裝到活塞腔體中。所述殼體10內(nèi)具有工業(yè)液壓腔8，所述殼體的具有活塞桿配合螺紋9，所述殼體上還具有排油排氣孔7和注油孔6。所述光纖解調(diào)系統(tǒng)包括激光光源、光纖耦合器、線陣CCD、信號(hào)采集板卡、計(jì)算機(jī)。如圖2和3，提供了另一種活塞桿密封的實(shí)施例，即活塞式密封結(jié)構(gòu)?；钊麠U2的一端上裝配有密封圈擋體12、密封圈13、密封圈壓體14和緊固螺母15，緊固螺母15固定在活塞桿2末端的螺紋上。密封圈13可以是一種橡膠密封圈。油壓越大，對(duì)密封圈13的擠壓變形越大，從而達(dá)到更高油壓的密封。因此該密封具有更好的密封效果。殼體結(jié)構(gòu)設(shè)置A:所述排油排氣孔7靠近殼體10的端部，所述注油孔6位于活塞桿配合螺紋9和排油排氣孔7之間。如圖4，當(dāng)采用對(duì)桿產(chǎn)生拉應(yīng)力的方式來測(cè)油壓時(shí)，即活塞處在注油孔右側(cè)時(shí)，油壓對(duì)桿產(chǎn)生拉應(yīng)力。殼體結(jié)構(gòu)設(shè)置B:所述注油孔6靠近殼體10的端部，所述排油排氣孔7位于活塞桿配合螺紋9和注油孔6之間。如圖5，活塞處于注油孔的左側(cè)，油壓對(duì)活塞桿產(chǎn)生壓應(yīng)力。光纖光柵的工作原理:液體壓力作用在活塞上，使活塞桿(2)應(yīng)變，通過測(cè)量光纖光柵反射光譜的波長(zhǎng)變化，再根據(jù)建立的波長(zhǎng)和液壓(或者錨桿應(yīng)力)的一元線性函數(shù)模型，然后利用函數(shù)模型相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的液壓(或者錨桿應(yīng)力)。液壓油經(jīng)過注油孔6進(jìn)入液壓腔8中，油壓作用在活塞的端面上產(chǎn)生對(duì)活塞桿產(chǎn)生拉力或者壓力，使活塞桿受力產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變使粘貼在活塞桿處的光纖光柵發(fā)生柵距變化，從而使反射光的光譜發(fā)生相應(yīng)的改變，通過標(biāo)定測(cè)量，建立光譜的波長(zhǎng)與液壓(或者錨桿應(yīng)力)的一元線性函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓(或者錨桿應(yīng)力)的測(cè)量。線性模型的建立:由稱合模理論可知，光纖光柵的Bragg (布拉格)中心波長(zhǎng)為:λ B=2neff Λneff-纖芯的有效折射率；Λ -光柵周期?？梢姽鈻诺腂ragg中心波長(zhǎng)隨纖芯的有效折射率和光柵周期變化而變化，而IWf和Λ的改變與應(yīng)變和溫度有關(guān)。應(yīng)變通過彈光效應(yīng)和長(zhǎng)度改變來影響nrff和Λ。在溫度穩(wěn)定不變的情況下，可得軸向應(yīng)變引起的光柵布拉格波長(zhǎng)變化為Δ λ B ε =2 Δ neff A +2neff Δ A ,Δ λΒε-光柵布拉格波長(zhǎng)變化量；Δ nrff-纖芯的有效折射率變化量；Λ Λ -光柵周期的變化量。由此可以建立均勻軸向應(yīng)變作用下光纖光柵應(yīng)變傳感模型，均勻軸向應(yīng)變是指光纖光柵只受到拉伸或壓縮應(yīng)變，則軸向應(yīng)變可表示為ε = Δ L/L= Δ Λ/Λε -軸向應(yīng)變:Λ L-軸向尺寸變化量；L_軸向總體長(zhǎng)度；所以恒溫條件下Bragg波長(zhǎng)漂移與軸向應(yīng)變呈理想線性關(guān)系。因此在恒溫條件下，假設(shè)液體壓強(qiáng)為P，反射光譜中心波長(zhǎng)為，則存在以下的一元線性函數(shù)模型:P=k λ Bef+bK，b為標(biāo)定時(shí)計(jì)算出的常數(shù)。附圖6和7分別為該壓力傳感器的兩個(gè)主要的組成部件。圖6為壓力傳感器的殼體三維透視簡(jiǎn)圖，圖7為活塞桿的三維透視簡(jiǎn)圖。附圖8和9分別為兩種不同方案的裝配示意圖。在圖8中，活塞桿受壓形變；圖9中，活塞桿受壓形變。兩種不同的裝配方法，均可引起活塞桿上的光纖光柵發(fā)生中心波長(zhǎng)的偏移，通過光纖解調(diào)系統(tǒng)得出中心波長(zhǎng)的大小，再由計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)所建立的線性模型計(jì)算出當(dāng)前的壓力值。
光纖解調(diào)系統(tǒng):解調(diào)系統(tǒng)整個(gè)解調(diào)過程例如圖10所示，從激光光源發(fā)出的光，經(jīng)光纖耦合器入射到光纖光柵上，符合Bragg反射條件的光被反射回來，再經(jīng)過耦合器由單模光纖射出，入射到線陣CCD上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，線陣CCD在驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下，輸出圖像的模擬電信號(hào)，同時(shí)信號(hào)采集板卡上的A/D處理芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后采集板卡將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)上傳(例如，實(shí)時(shí)上傳)到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合(例如，利用高斯算法)，通過擬合后的曲線即可得出光柵的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。最后通過已得到的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，再通過標(biāo)定試驗(yàn)得出一元線性模型的斜率和截距參數(shù)，將測(cè)得的不同的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)帶入到線性函數(shù)中，即可得到相應(yīng)的物理參量(例如上文一元線性函數(shù)模型中的壓強(qiáng))。根據(jù)專利法的規(guī)定，本說明書已描述了優(yōu)選的實(shí)施方式。然而，應(yīng)該指出的是，也可實(shí)施除明確指出和說明以外的替代實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，該裝置包括活塞(I)、活塞桿(2)、殼體(10)和光柵光纖傳感器，其中，光柵光纖傳感器粘貼于活塞桿上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，所述活塞(I)位于所述活塞桿(2)的一端，所述活塞(I)上具有雙O型密封圈密封槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，所述活塞桿(2)的另一端具有緊固螺紋(3 )，所述緊固螺紋(3 )的一端設(shè)置一六角螺頭(5 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，所述活塞桿(2)的一端上裝配有密封圈擋體(12)、密封圈(13)、密封圈壓體(14)和緊固螺母(15)，緊固螺母(15)固定在活塞桿(I)末端的螺紋上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，所述殼體(10)內(nèi)具有液壓腔(8)，所述殼體的具有活塞桿配合螺紋(9)，所述殼體上還具有排油排氣孔(7)和注油孔(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖 光柵壓力測(cè)量傳感裝置，所述注油孔(6)位于活塞桿配合螺紋(9)和排油排氣孔(7)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，所述排油排氣孔(7)位于活塞配合螺紋(9)和注油孔(6)之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，所述排油排氣孔(7)靠近殼體(10)的端部。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，所述注油孔(6)靠近殼體(10)的端部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵傳感裝置，所述光柵光纖傳感器連接光纖解調(diào)系統(tǒng)，所述光纖解調(diào)系統(tǒng)包括激光光源、光纖耦合器、線陣CCD、信號(hào)采集板卡、計(jì)算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖光柵壓力測(cè)量傳感裝置，該裝置包括活塞(1)、活塞桿(2)、殼體(10)和光柵光纖傳感器，其中，光柵光纖傳感器粘貼于活塞桿上。該裝置用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及石油管道、水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、液壓機(jī)械及礦壓監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域。由于光纖光柵有抗電磁干擾能力高、絕緣性能好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、傳輸損耗小、傳輸容量大、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，光纖光柵壓力傳感器不易受環(huán)境影響、可靠性強(qiáng)、安裝工藝簡(jiǎn)單，并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01L11/02GK103217251SQ20131008906
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者肖江, 陸陽, 周虎, 梁軍, 丁威, 陳超 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)