[实用新型]基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式封装结构的双光纤Bragg光栅渗压传感器，属光电子测量器件技术领域。 

技术背景

渗压传感器是在岩土工程中用于测量孔隙压力的一种压力测量仪器。孔隙压力即孔隙流体所承受的压力，其产生的主要原因包括：孔隙水的自重形成的渗流场和作用在土体单元上的总应力的变化。由于具有波长编码以及质轻、耐久、电绝缘等诸多优点，近年来基于光纤Bragg光栅的测量方案发展迅速。由于光纤Bragg光栅对温度敏感，因此在检测其他物理量时要去除温度的影响，保证实际应用中渗压测量的精度。 

目前典型的与本实用新型最接近的光纤Bragg光栅渗压传感器为基于平膜片和等强度悬臂梁封装的渗压传感器（参见文献：周智、张广玉、王丹、欧进萍，“一种光纤光栅渗压计”，实用新型专利说明书，2007年8月，授权公告号：CN2938032）。该技术采用装有传力杆的平膜片与等强度梁的结构对渗压进行测量。由于其采用膜片结构，器件组装要求较高且不宜用于较大量程的渗压测量。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器，可以消除温度变化对光纤Bragg光栅测量的干扰，保障光纤Bragg光栅在实际渗压检测中的测量精度。 

本实用新型由普通的侧面带有安装孔的金属外壳1、等强度悬臂梁2、波纹管3、透水石4、光纤引出孔5、光纤6、第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8构成，透水石4与波纹管3的固定端连接并固定在安装孔处；波纹管3采用外配合、封闭底的基本结构型式，其开放端与侧面带有安装孔的金属外壳1固定、封闭端与等强度悬臂梁2的自由端相连；第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8分别粘贴于等强度悬臂梁2上、下表面中心轴线的对应位置；光纤6通过光纤引出孔5与外接光纤连接。 

第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8可以是同一型号具有相同敏感系数的光纤Bragg光栅。 

本实用新型的工作原理为: 

使用透水石4将波纹管3的开放端封闭以隔离外界环境中的杂质，使得波纹管3的内腔形成渗压测量腔。当渗压作用于渗压测量腔时，波纹管3产生轴向位移并带动等强度悬臂梁2的自由端产生形变。通过分别粘贴在等强度悬臂梁2上、下表面中心轴线处的第一光纤Bragg光栅7和第二光纤Bragg光栅8，将等强度悬臂梁2的形变转换为光纤Bragg光栅的中心波长移位。然后通过输入输出光纤将两光纤Bragg光栅与信号处理装置连接，利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值。由于两根光纤Bragg光栅分别粘贴在等强度悬臂梁上、下表面中心轴线的对应位置上，形成差动结构，所以通过对光纤Bragg光栅中心波长移位值的测量和计算就可以消除温度对系统的影响，从而建立波长与渗压的对应关系，实现渗压的精确测量。

本实用新型的数学模型如下： 

当对渗压测量腔施加压强p时，波纹管产生轴向位移使等强度悬臂梁产生形变，此时等强度悬臂梁上表面受拉力，下表面受压力。由于波纹管为柔性敏感元件，此时波纹管自由端对等强度悬臂梁自由端施加的压力会产生一个反作用力反作用于波纹管自由端。分别对波纹管和等强度悬臂梁进行分析可知：

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

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

式中，F为强度悬臂梁受到的压力；W为系统的总位移；K₁、K₂分别为强度悬臂梁和波纹管的刚度；p为作用于波纹管内的压强；A为波纹管有效面积。

其中，等强度悬臂梁的刚度K₁为： 

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

式中，为等强度悬臂梁材料的弹性模量；B为等强度悬臂梁的底宽；为等强度悬臂梁的厚度；L为等强度悬臂梁的有效长度。

波纹管的刚度K₂与波纹管的波数n成及波纹管单波刚度K有关，波纹管的单波刚度K为给定值，与波纹管的材料及尺寸有关。三者之间的关系可表示为：