[发明专利]一种光纤光栅三维压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种光纤光栅三维压力传感器。

背景技术

近年来，安全健康监测越来越受到重视。光纤光栅传感器因具有体积小、灵敏度高、电绝缘性能好和抗电磁干扰等优点，逐渐取代电子类传感器。压力传感器通过钻孔植入煤矿、堤坝、桥梁等结构工程内部，可以测量不同深度的压力变化，为后续的工程治理、安全监控及报警提供了重要依据。

中国实用新型专利公告号为CN202033140U提出一种三维应力采集器，它有纵向开口的包庇金属筒、多个黏贴于薄壁金属筒外壁的压力传感器、填充于薄壁金属筒内的膨胀混凝土填芯、防水压膜及信号传输线构成，该专利虽然实现钻孔内不同深度岩土类介质的应力变化过程，但是采集器本身需要黏贴多个传感器，并且传感器粘贴于圆筒外部，对传感器没有效采取有效地的保护措施，植入钻孔时不可避免地对传感器造成损。近年来，光纤光栅压力传感器得到了良好的发展，但是三维压力传感器的研究和应用很少报道。本发明利用弹性膜片和壳体为一体性结构对光纤光栅进行封装，利用油压传导将不同方向的横向压力转化为光纤光栅的波长漂移，既能实现钻孔内压力测量，又能分辨出压力方向，并且体积较小，适用于狭小的空间的压力测量。

发明内容

本发明目的就是为了克服现有技术中压力传感器测量维度少、体积大的问题，提供了一种小体积的光纤光栅三维压力传感器。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

一种光纤光栅三维压力传感器包括感压壳体、两个储油壳体、两个油压壳体、密封壳体、固定结构、O型圈、保护装置、密封接口和光纤光栅串。

感压壳体为中空腔体，一端开口，开口端与一个储油壳体的密封端螺纹连接，另一端以感受轴向压力的弹性膜密封，弹性膜和感压壳体为一体性结构；储油壳体为中空腔体，其侧壁开有注油孔，注油孔两侧有感受外界压力的平面，通过储油壳体内的液压油将压力传递给油压壳体的弹性膜，引起弹性膜中心挠度变化；油压壳体和弹性膜为一体性结构，其一端与储油壳体螺纹连接，另一端与另一个储油壳体的密封端螺纹连接；另一个储油壳体的开口端与另一个油压壳体一端螺纹连接，另一个油压壳体的另一端与密封壳体螺纹连接，密封壳体的另一端与光纤固定结构通过内螺纹螺纹连接，密封壳体的另一端与保护装置通过外螺纹连接，保护装置的另一端与密封接口螺纹连接；感压壳体的弹性膜、储油壳体的密封端和油压壳体的弹性膜中心有穿过光纤光栅的小孔，穿过光纤光栅后用环氧胶或玻璃焊料密封小孔和固定光纤光栅串；因为需要同时测量三维方向上的压力变化，所以两个储油壳体的感压面互相垂直，光纤光栅串需要三个光栅，这三个光栅在上述构件中的位置有两种方案：第一，光栅在感压壳体和两个油压壳体中，由于外界压力使弹性膜偏向光栅，光栅收缩，光栅波长蓝移，所以封装时需要分别对光栅进行预张拉；第二，光栅在感压壳体和两个储油壳体中，当轴向压力增大时，感压壳体的弹性膜偏向光栅，光栅收缩，光栅波长蓝移，所以封装时需要对这个光栅进行预张拉；当径向外界压力增大时，油压壳体的弹性膜中心挠度变化，弹性膜偏离光栅，使储油壳体中的光栅拉伸，光栅波长红移，所以在封装时不需要对光栅预张拉。由理论推导可知，弹性膜中心最大挠度分别与压力、弹性膜半径的四次方成正比，与弹性膜厚度的三次方成反比，所以在弹性膜中心挠度一定的情况下，可以通过改变弹性膜的厚度和半径来调节传感器的压力测量范围。上述螺纹连接处皆加O型圈密封；感压壳体、储油壳体、油压壳体、密封壳体、固定结构、O型圈、保护装置、密封接口和光纤光栅串光纤光栅三维压力传感器。本发明所具有的有益效果为：

1、光纤光栅完全密封于传感器内，不与外界接触，有利于延长传感器的使用寿命。

2、感压壳体中的弹性膜、两个储油壳体的受压面两两互相垂直，该传感器可以同时测量三个方向的压力变化。

3、该传感器体积较小，适用于狭小空间的测量。

4、光栅的固定采用环氧胶水和玻璃焊料，焊接牢固，可使传感器适应恶劣环境。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明的另一种装置结构示意图。

图3为本发明储油结构的俯视图。

图4为本发明储油结构的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例，使本发明的优点变得更加清楚和容易理解。