光纖光柵風(fēng)壓力傳感器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)是一種光纖光柵風(fēng)壓力傳感器，其主要包括光纖光柵11、導(dǎo)風(fēng)管8，接風(fēng)片2、力放大杠桿3、支點鋼桿4、重錘5、信號傳輸光纖1、水平調(diào)節(jié)器以及其它必要的固定和連接部分等。光纖光柵11由重錘5進行預(yù)拉緊并與杠桿系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，風(fēng)荷載通過導(dǎo)風(fēng)管8作用在不銹鋼接風(fēng)片2上，通過力放大杠桿3將風(fēng)壓力放大并作用在光纖光柵11上，使得光纖光柵11上的作用荷載產(chǎn)生變化，并通過傳導(dǎo)光纖1將信號傳出，該傳感器可測量風(fēng)吸力和風(fēng)壓力。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)是一種測量風(fēng)壓的傳感器，特別涉及一種用光纖光柵原理測量風(fēng)壓力的傳感器，主要應(yīng)用于建筑、橋梁、大壩等土木工程的風(fēng)壓力監(jiān)測。。
技術(shù)介紹
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。隨著信息化的發(fā)展，信息的傳輸、獲取及處理已稱為現(xiàn)代社會極其重要的組成部分。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用中對傳感器的要求逐步提高，要求傳感器具有高精度、高靈敏度以及廣泛的量程，此外，還需具備數(shù)字化或線性化輸出的能力。光纖通信的迅猛發(fā)展加快了光纖傳感器在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。其中，光纖光柵傳感器的表現(xiàn)尤為突出，是使用范圍最廣頻率最高的光纖傳感器。光纖傳感器還包括光纖電流傳感器、光纖水聽器以及光纖陀螺。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨特的優(yōu)點：抗電磁干擾、耐腐蝕、化學(xué)性能極其穩(wěn)定、絕緣性能優(yōu)異；傳感器結(jié)構(gòu)靈巧輕便、幾何形狀可塑，適用于一些要求傳感器體積小重量輕的應(yīng)用場合，可埋入復(fù)合材料構(gòu)件及大型建筑物內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度進行連續(xù)實時監(jiān)測；傳輸損耗小，可實現(xiàn)遠距離遙控監(jiān)測；光柵制作方便，沒有零漂，出廠后無需定期檢定；光纖光柵的寫入工藝成熟，便于大規(guī)模生產(chǎn)和商品化。但也具備不足之處：封裝工藝復(fù)雜、對應(yīng)力和溫度同時敏感且受到傳感信號的解調(diào)技術(shù)的限制，需要波長解調(diào)儀對光纖光柵的信號進行解調(diào)，可以達到解調(diào)精度的解調(diào)儀以及光譜儀價格較為昂貴，使得成本增高，而一般的光譜儀無法達到解調(diào)精度。光纖光柵利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。由于特有的優(yōu)點，光纖光柵被廣泛應(yīng)用于傳感器的設(shè)計。光纖光柵的信號是波長編碼的信號，若要進行非光學(xué)物理量的測量，比如在傳感器的設(shè)計中，需將待測物理量轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL信號。也就是將被測的位移、壓力、應(yīng)變、溫度、加速度等轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL進行顯示。光纖光柵是利用光敏光纖的光致折射率變化，把光纖放置于紫外光形成的空間干涉條紋中曝光而在纖芯形成的空間相位光柵。當(dāng)光柵處的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變變化時，發(fā)射峰值即測得的光柵波長將發(fā)生相應(yīng)的變化。目前國內(nèi)尚無光纖光柵風(fēng)壓傳感器的成型產(chǎn)品，但光纖光柵壓力傳感器如土壓力、水壓力等傳感器已有較多的成型產(chǎn)品，上述光纖光柵壓力傳感器的測量范圍往往為兆帕級，且靈敏度較低，無法測量微小的風(fēng)荷載，因此研制可測量微小風(fēng)壓力的光纖光柵傳感器就十分必要。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)屬于創(chuàng)新性設(shè)計，可提供一種可探測微小風(fēng)荷載的、高靈敏度、高分辨率、高精度的光纖光柵風(fēng)壓力傳感器。本傳感器具有光纖光柵類傳感器所具有的抗電磁干擾、靈敏度高、適于在高溫、腐蝕性等環(huán)境中使用等優(yōu)點。如附圖1，本專利技術(shù)的光纖光柵風(fēng)壓傳感器由光纖光柵11、導(dǎo)風(fēng)管8，接風(fēng)片2、力放大杠桿3、支點鋼桿4、重錘5、水平調(diào)節(jié)器組成，能測量風(fēng)吸力和風(fēng)壓力。本專利技術(shù)的核心部分是力放大部分。當(dāng)風(fēng)速為30m/s，不銹鋼圓片2上每平方厘米對應(yīng)的壓力為5.4g，不銹鋼圓片2的面積為1到3，所以不銹鋼圓片上所受的壓力共為5.4g到16.2g，若直接作用在光纖光柵1上，則光纖光柵11的應(yīng)變過小，不能有效感知風(fēng)荷載，因此采取一根力放大杠桿3把力進行放大若干倍后再作用在光纖光柵11上。由于風(fēng)的方向是不確定的，所以在接風(fēng)口部分用一根導(dǎo)風(fēng)管8，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)管8的開口方向，可以使得風(fēng)垂直吹入傳感器。又由于風(fēng)壓存在風(fēng)吸力和風(fēng)壓力，要使光纖光柵風(fēng)壓傳感器能夠測量風(fēng)吸力與風(fēng)壓力，光纖光柵11必須能夠接受向上和向下的雙向形變，所以用一個重錘5將光纖光柵11進行預(yù)張拉，重錘5為一個不銹鋼長方體，重500g至700g。當(dāng)風(fēng)壓為風(fēng)壓力時，力放大杠桿3的右端向上運動，抵消重錘5在光纖光柵11上所產(chǎn)生的應(yīng)變；當(dāng)風(fēng)壓為風(fēng)吸力時，力放大杠桿3的右端向下運動并拉動光纖光柵11向下運動，產(chǎn)生更大的應(yīng)變。光纖光柵11一端固定在外殼10內(nèi)部，另一端固定于杠桿一端，并穿越重物5，引出外殼10。由于重錘5在運輸過程中不穩(wěn)定，重錘5的晃動會導(dǎo)致光纖光柵11受損。所以在重錘5的四周設(shè)置擋板6，限制重錘5的運動。同時在外殼10的底部攻出兩個螺紋通孔，使之可以從外殼10底部擰入兩根頂絲9，將重錘5固定在上部擋板6上，以保護光纖光柵11不受損。由于本專利技術(shù)在實際使用過程中，必須保持儀器處于水平，因此在儀器的底座上需安裝一水平調(diào)節(jié)器，通過對三個腳螺旋的調(diào)節(jié)，使得圓水準器中的氣泡居中，從而保證儀器的始終處于水平狀態(tài)。本專利技術(shù)所提供的風(fēng)壓傳感器由于光柵采用張拉工藝，且光柵與金屬的連接采用焊接工藝確保了傳感器的可靠性和長期穩(wěn)定性；力放大裝置將風(fēng)荷載放大了50倍，確保了風(fēng)壓傳感器的高靈敏度和高測量精度。附圖說明下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)進行具體的說明。附圖1：為本專利技術(shù)光纖光柵風(fēng)壓力傳感器結(jié)構(gòu)正視圖。附圖2：為本專利技術(shù)光纖光柵風(fēng)壓力傳感器的側(cè)視圖。附圖3：為本專利技術(shù)光纖光柵風(fēng)壓力傳感器的重錘詳圖。參考圖1，本專利技術(shù)由光纖光柵11、導(dǎo)風(fēng)管8，接風(fēng)片2、力放大杠桿3、支點鋼桿4、重錘5、信號傳輸光纖1、固定頂絲9、外保護殼10、傳輸光纖1、水平調(diào)節(jié)器以及其它必要的固定和連接部分等組成。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)作進一步說明，但實施例不是對本專利技術(shù)的限定。本專利技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光纖光柵11，用于感應(yīng)風(fēng)荷載變化；2是不銹鋼圓片，用于接收風(fēng)荷載；3是力放大杠桿，用于把2上接收到的力進行放大，再作用在光纖光柵11上；4是支點杠桿，用于支撐力放大杠桿3；5是重錘，用于拉伸光纖光柵11；6是擋板，用于限制重錘5的運動；8是導(dǎo)風(fēng)管，可以改變其開口方向，接收來自不同方向的風(fēng)荷載；9是頂絲，用于固定重錘5；10是傳感器的保護外殼。當(dāng)外界沒有風(fēng)壓力時，光纖光柵11在重錘5的重力作用下產(chǎn)生向下的拉伸變形，此時力放大杠桿3兩邊保持平衡。當(dāng)風(fēng)以vm/s的風(fēng)速通過導(dǎo)風(fēng)管8作用在不銹鋼圓片2上時，根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)壓之間的關(guān)系公式：（1）其中為空氣密度，約為1.2；為風(fēng)速，P為該風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)壓。作用在不銹鋼圓片2上的風(fēng)壓為P，根據(jù)壓強與壓力之間的關(guān)系公式：（2）其中F為風(fēng)壓P所對應(yīng)的風(fēng)壓力，S為不銹鋼圓片2的面積，則作用在不銹鋼圓片2上的風(fēng)壓力F即為，此時力放大杠桿3不再平衡。當(dāng)風(fēng)壓表現(xiàn)為壓力時，力放大杠桿3的右端向下移動，通過力放大杠桿3將F放大若干倍作用在光纖光柵11上，使得光纖光柵11受到向上的力，由于風(fēng)壓力F的改變，感應(yīng)光纖光柵11發(fā)生應(yīng)變，的改變引起光纖光柵11的改變，信號輸出波長改變量為，建立函數(shù)：（3）如此便可測得不銹鋼圓片2上所受的風(fēng)壓力F。再根據(jù)公式（2）便可計算出風(fēng)壓P的大小。同理，當(dāng)風(fēng)壓表現(xiàn)為風(fēng)吸力時，力放大杠桿3的右端向上運動，通過力放大杠桿3將F放大若干倍作用在光纖光柵11上，使得光纖光柵11受到向下的力，使光纖光柵11進一步拉伸，產(chǎn)生應(yīng)變，再根據(jù)公式（2）（3），便可計算出此時風(fēng)吸力的大小。根據(jù)上述原理和計算方法，并參照附圖，即可裝配出該風(fēng)壓傳感器。其中光纖光柵的連接采用低溫焊接工藝，傳感器外殼為鋁合金材質(zhì)，杠桿材質(zhì)為不銹鋼，放大倍數(shù)約50本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種光纖光柵風(fēng)壓傳感器，其特征是由光纖光柵、接風(fēng)口部分、力放大杠桿、支點鋼桿、重錘、水平調(diào)節(jié)器組成，可測量風(fēng)吸力和風(fēng)壓力。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種光纖光柵風(fēng)壓傳感器，其特征是由光纖光柵、接風(fēng)口部分、力放大杠桿、支點鋼桿、重錘、水平調(diào)節(jié)器組成，可測量風(fēng)吸力和風(fēng)壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，光纖光柵作為傳感芯片，接風(fēng)口部分是由一條導(dǎo)風(fēng)管和接收風(fēng)壓力的不銹鋼圓片組成，導(dǎo)風(fēng)管由PTFE制成，可以改變其開口方向，使風(fēng)壓作用在不銹鋼圓片上；不銹鋼圓片直徑為15mm到20mm，厚度為0.5mm到1mm，下底面通過一根不銹鋼桿與力放大杠桿的一端連接，用于接受風(fēng)荷載。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述，當(dāng)風(fēng)速為30m/s，圓片上每平方厘米對應(yīng)的壓力為5.4g，若直接作用在光纖...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周峰，崔理綱，吳安旭，
申請(專利權(quán))人：周峰，
類型：發(fā)明
國別省市：江西;36