拉杆式光纤光栅渗压计

1.一种拉杆式光纤光栅渗压计，其特征在于：包括壳体，壳体两端分别设有带孔的端盖，壳体内一端与端盖之间设有压力膜片，壳体内壁上设有光栅支撑架，壳体内设有一压力导杆，压力导杆一端与压力膜片粘结，另一端与压力测量光栅一端固定连接；压力测量光栅另一端固定在光栅支撑架上；光栅支撑架上设有温度补偿光栅，温度补偿光栅的另一端处于自由状态；压力测量光栅和温度补偿光栅均通过光纤经壳体一端端盖的孔中引出；
所述其中一个端盖上设有一个光纤引出孔，另一个端盖上设有若干进压孔，进压孔上有过滤网；两端盖与壳体之间均设有O型密封圈；
所述两个端盖均通过螺纹与壳体两端连接；
所述压力导杆为丁字形对称结构。
2.根据权利要求1所述的拉杆式光纤光栅渗压计，其特征在于：所述压力膜片为波纹膜片。
3.根据权利要求1所述的拉杆式光纤光栅渗压计，其特征在于：所述压力膜片和壳体之间有一个弹性O型圈。
4.根据权利要求1所述的拉杆式光纤光栅渗压计，其特征在于：所述压力导杆一端粘结在压力膜片的中部。
5.根据权利要求1所述的拉杆式光纤光栅渗压计，其特征在于：所述压力测量光栅和压力膜片垂直。

拉杆式光纤光栅渗压计\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种渗压和温度同时测量的智能传感器。具体的说是一种具有温度补偿功能的拉杆式光纤光栅渗压计。\n背景技术\n[0002] 目前在隧道、堤坝、地铁、煤矿和油田等工程领域，大多采用电类渗压计测量空隙水压力。传统的电类渗压计测量精度低，体积大，防水性能差，寿命短，容易放电，并且易受电磁干扰，严重限制了它的广泛应用。\n[0003] 光纤光栅是一种性能优良的温度和应力传感器件，自从人们把光纤光栅用于传感，光纤光栅传感器以其独特的优势对传统的电传感器等提出了全新的挑战。它与传统的电传感器等相比尤其独特的优点：1.传感头结构简单、体积小、重量轻，适合附着在被测结构表面也可以埋入大型结构中，测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性高，重复性好；2.与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高；\n3.具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作；4.光纤轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用等复用技术相结合，实现多点、分布式传感；5.测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤损耗等因素的影响，有较强的抗干扰能力；6.高灵敏度、高分辩力。\n[0004] 在实际工程领域，要求长期准确地检测孔隙水压力，目前关于基于波纹膜片的高灵敏度光纤光栅渗压传感器的报道很少，并且未见相关专利。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种测量精度高，体积小，具有良好的防水性能，抗电磁干扰，并且可以长期监测的拉杆式光纤光栅渗压计。\n[0006] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：\n[0007] 一种拉杆式光纤光栅渗压计，包括壳体，壳体两端分别设有带孔的端盖，壳体内一端与端盖之间设有压力膜片，壳体内壁上设有光栅支撑架，壳体内设有一压力导杆；压力导杆一端与压力膜片粘结，另一端与压力测量光栅一端固定连接；压力测量光栅另一端固定在光栅支撑架上；光栅支撑架上设有温度补偿光栅，温度补偿光栅的另一端处于自由状态；\n压力测量光栅和温度补偿光栅均通过光纤经壳体一端端盖的孔中引出。\n[0008] 所述其中一个端盖上设有一个光纤引出孔，另一个端盖上设有若干进压孔，进压孔上有过滤网；两端盖与壳体之间均设有O型密封圈。。\n[0009] 所述两个端盖均通过螺纹与壳体两端连接。\n[0010] 所述压力膜片为波纹膜片。\n[0011] 所述压力膜片和壳体之间有一个弹性O型圈。\n[0012] 所述压力导杆一端粘结在压力膜片的中部。\n[0013] 所述压力测量光栅和压力膜片垂直。\n[0014] 所述压力导杆为丁字形对称结构。\n[0015] 孔隙水通过进压口进入渗压计，作用在波纹膜片上，使波纹膜片发生挠度变形，同时转化成集中力作用在压力导杆上，压力导杆拉动光栅，使压力测量光栅在拉力作用下中心波长发生变化。此时用波长解调仪检测温度补偿光栅和压力测量光栅的中心波长，并由软件采集存储数据。根据温度补偿光栅和压力测量光栅的温度响应曲线即可实现渗压的检测。\n[0016] 由以上技术方案可以看出，本发明基于全光信号设计，没有电子器件，因此具有良好的防水性能，不存在电火花隐患，并且抗电磁干扰。本发明采用了波纹膜片，并且采用了两个压力测量光栅，提高了测量精度和测量的可靠性。同时，本发明便于组网，并且可以实现准分布式实时监测。\n附图说明\n[0017] 图1为本发明光纤光栅渗压计的正视剖面图；\n[0018] 图2为本发明光纤光栅渗压计的俯视剖面图；\n[0019] 图3a、图3b为本发明所测的压力与压力测量光栅中心波长关系曲线图；\n[0020] 图4a、图4b为本发明所测的温度与压力测量光栅中心波长关系曲线图；\n[0021] 图5为本发明所测的温度与温度补偿光栅中心波长关系曲线图。\n[0022] 其中1.壳体，2.端盖，3.光纤引出孔，4.压力膜片，5.光栅支撑架，6.压力导杆，\n7.压力测量光栅，8.温度补偿光栅，9.光纤，10.进压孔，\n具体实施方式\n[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。\n[0024] 图1、图2中，壳体1两端分别设有带孔的端盖2，壳体1内一端与端盖2之间设有压力膜片4，可以直接感受进压孔10处的压力。壳体1内壁上设有光栅支撑架4，壳体1内设有一压力导杆6，压力导杆6一端与压力膜片4粘结，压力导杆6另一端上与压力测量光栅7一端固定连接，压力测量光栅7另一端固定在光栅支撑架5上，光栅支撑架5上设有温度补偿光栅8，温度补偿光栅8的另一端处于自由状态，压力测量光栅7和温度补偿光栅8均通过光纤9经壳体1一端端盖2的光纤引出孔3引出。\n[0025] 所述其中一个端盖上设有一个光纤引出孔3，另一个端盖2上设有若干进压孔10，进压孔10上有过滤网，可以有效阻止泥沙进入壳体1内；两端盖2与壳体1之间均设有O型密封圈。\n[0026] 所述两个端盖2均通过螺纹与壳体1两端连接。\n[0027] 所述压力膜片4为波纹膜片。\n[0028] 所述压力膜片4和壳体1之间有一个弹性O型圈。\n[0029] 所述压力导杆6一端粘结在压力膜片4的中部。\n[0030] 所述压力测量光栅7和压力膜片4垂直设置。压力测量光栅7对称布置，以确保工作过程中压力导杆6和波纹膜片4垂直，提高测量精度。\n[0031] 所述压力导杆6为丁字形对称结构。\n[0032] 当孔隙水压作用在渗压计进压孔10时，作用在波纹膜片上，使波纹膜片发生挠度变形，其中心产生垂直膜片方向的位移，压力导杆6也同时产生相同的位移，因此压力导杆\n6拉动光栅，使压力测量光栅7在拉力作用下中心波长发生变化。\n[0033] 本发明的具体制作过程为：首先，选定中心波长不同的两根压力测量光栅7和一根温度补偿光栅8，并将光栅支撑架5对称粘在壳体1内壁上，将压力导杆6粘结在波纹膜片上，使二者相互垂直。然后，将压力测量光栅7和温度补偿光栅8一端分别固定在光栅支撑架5上，通过带进压孔10的端盖2和壳体1将波纹膜片挤紧，同时将压力测量光栅7的另一端固定在压力导杆6上。最后，把光纤9从另一端盖2上的光纤引出孔3引出，并将带光纤引出孔3的端盖2和壳体1拧紧密封。\n[0034] 为了实现本发明的目的，首先在恒温条件下标定压力测量光栅7的中心波长随压力的变化关系，如图3a、图3b所示，中心波长(nm)和压力(KPa)的线性关系分别为y＝\n2\n0.0185x+1543.1和y＝0.0188x+1553，线性度R 分别为0.9927和0.9983。这说明本发明是一个线性度非常好的实验模型，并且具有一般性。\n[0035] 为了对压力参数进行有效的温度补偿，分别标定了压力测量光栅7和温度补偿光栅8的中心波长随温度的变化关系，如图4a、图4b和图5所示，中心波长(nm)和温度(℃)的线性关系分别为y＝0.0159x+1543.2、y＝0.0154x+1552.8和y＝0.016x+1548.2，线\n2\n性度R 分别为0.9973、0.9973和0.9955。\n[0036] 在现场检测中，首先根据温度补偿光栅8的中心波长变化情况，测量待测点温度的变化情况，再根据压力测量光栅7的中心波长随温度的变化关系消除温度的影响，最后即可根据压力测量光栅7的中心波长随压力的变化关系测得待测点的压力变化情况。为了提高测量精度，取压力测量光栅7的压力平均值。\n[0037] 通过以上测量方法，可以使光纤光栅渗压计的检测精度达到0.1％F.S，有效提高了检测的质量和效率。