一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器

摘要

本发明公开了一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其包括：壳体组件，其顶部具有两光纤出口，底部具有测压通道；膜片，设于测压通道内；传力杆，位于膜片的上方，并与膜片中部相连；杠杆机构，设于壳体组件的内腔，包括支撑架以及设于支撑架上的柔性铰链杠杆，柔性铰链杠杆位于传力杆的上方；测压光纤光栅和测温光纤光栅，设于柔性铰链杠杆并间隔布置，测压光纤光栅和测温光纤光栅的尾纤各自穿设于一光纤出口。通过上述结构能够实现压力增敏，且能够进行温度自补偿，提高了测量精度和灵敏度。

权利要求

1.一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其特征在于，包括：壳体组件，其顶部具有两光纤出口，底部具有测压通道；

膜片，设于所述测压通道内；

传力杆，位于所述膜片的上方，并与所述膜片中部相连；

杠杆机构，设于所述壳体组件的内腔，包括支撑架以及设于支撑架上的柔性铰链杠杆，所述柔性铰链杠杆位于传力杆的上方；

测压光纤光栅和测温光纤光栅，设于所述柔性铰链杠杆并间隔布置，所述测压光纤光栅和测温光纤光栅的尾纤各自穿设于一光纤出口；

所述壳体组件的内腔顶部具有槽口，所述支撑架包括：限位部，呈弧形或环形，并设于所述槽口；

横撑杆，设于限位部的内侧，且所述横撑杆的两端均与限位部相连；

竖撑杆，设置为两个并间隔布置，两竖撑杆的顶部均与横撑杆相连，所述柔性铰链杠杆分别与两竖撑杆相连；

所述柔性铰链杠杆包括第一连接段、承压段、第二连接段、第一杠杆、第二杠杆和第三连接段，所述第一连接段、承压段和第二连接段沿横向依次排列，所述第一连接段与其中一竖撑杆相连，所述第二连接段与另一竖撑杆相连，承压段位于传力杆的上方，所述第一杠杆和第二杠杆均横向布置，且承压段、第一杠杆、第三连接段和第二杠杆自下而上依次排列，所述第一杠杆的左端与第一连接段之间连接有第一柔性铰链，所述第一杠杆与承压段之间连接有第二柔性铰链，所述第一杠杆的右端与第三连接段之间连接有第三柔性铰链，所述第三连接段与第二杠杆之间连接有第四柔性铰链，所述第二杠杆的右端与第二连接段之间连接有第五柔性铰链；

所述测压光纤光栅竖向布置并分别连接第一杠杆的左端和第二杠杆的左端，且所述测压光纤光栅的中部悬空。

2.根据权利要求1所述的一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其特征在于，所述壳体组件包括围筒壳和顶盖，所述围筒壳的顶部敞口，所述顶盖设于围筒壳的顶部，并与围筒壳通过第一紧固件连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其特征在于，所述测温光纤光栅的一端与第二连接段相连，且测温光纤光栅的一端与第二连接段的连接处位于第五柔性铰链的下方。

4.根据权利要求1所述的一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其特征在于，所述槽口和所述限位部均设置为呈环形。

5.根据权利要求1所述的一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其特征在于，所述壳体组件的材料设置为金属。

6.根据权利要求1所述的一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其特征在于，所述膜片的中部具有硬质部，所述硬质部与传力杆相连接。

说明书

一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤光栅传感监测技术领域，具体涉及一种光纤光栅压力传感器。

背景技术

[0002] 近年来，光纤光栅传感器以其防爆、质量轻、体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、可靠性高、易于组网等优点，被广泛应用。但由于裸光纤光栅的压力灵敏度非常低，仅有3pm/Mpa左
右，过低的灵敏度无法满足实际应用中高灵敏度的测量。因此，一些传感器采用了压力增敏
技术，传统的压力增敏有基于聚合物填充金属管中的FBG压力增敏和基于弹性材料的FBG压
力增敏(FBG，Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)。

[0003] 传统的基于聚合物填充金属管中的FBG压力增敏方式，聚合物的杨氏模量较低，在压力作用下聚合物易于变形产生较大的应变，从而使得嵌入聚合物的光纤光栅产生较大的
应变，增大了压力灵敏度。但是由于聚合物材料会随着温度的变化，杨氏模量发生较大变
化，影响测量精度；以及在诸如于油料、海水等易腐蚀环境中容易被破坏，这使得其不适用
于温度变化较大和恶劣腐蚀环境的压力测量。传统的基于弹性材料的FBG压力增敏方式，直
接将光纤光栅粘贴在薄的薄片中央，通过膜片的变形使光栅产生应变，实现增敏效果，但是
这种全粘贴的方式容易使光栅产生啁啾，也没有温度补偿。

[0004] 此外，2011年5月刊登在《光电子·激光》第22卷第5期的文章《基于弹性薄片封装的高灵敏度光纤光栅压力传感器》中，通过一平面圆形薄片将其压力响应引起的形变直接
转换为FBG的轴向应变,由于FBG受到拉伸以及本身的弹光效应,再转化为FBG中心反射波长
的变化,由此实现高灵敏度的信号检测，但是薄膜片的承压能力有限，会导致其测压量程不
高；并且没有温度自补偿，温度变化会对测量精度造成影响。2012年11月刊登在《光电子·
激光》第23卷第11期的文章《一种高灵敏度光纤光栅压力传感器》中，通过将FBG粘贴于L型
梁上，当压力作用于一端为锥台结构的活塞上时，活塞将通过锥台推动L型梁发生弯曲，从
而使FBG产生应变，尽管该传感器实现了压力增敏，但是其增敏效果仍然不足。2006年7月刊
登在《仪器仪表学报》第27卷第7期的文章《基于正弦机构力放大原理的高灵敏度光纤光栅
压力传感器》中，其平面圆形薄板结构可以使灵敏度达到较高的数值，但是其光纤的弯曲结
构容易使光纤受折，严重影响光纤的使用寿命。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，能够实现高灵敏度和高精度的压力测量，并具有温
度自补偿。

[0006] 为实现上述目的，提供一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其包括：壳体组件，其顶部具有两光纤出口，底部具有测压通道；膜片，设于所述测压通道内；传
力杆，位于所述膜片的上方，并与所述膜片中部相连；杠杆机构，设于所述壳体组件的内腔，
包括支撑架以及设于支撑架上的柔性铰链杠杆，所述柔性铰链杠杆位于传力杆的上方；测
压光纤光栅和测温光纤光栅，设于所述柔性铰链杠杆并间隔布置，所述测压光纤光栅和测
温光纤光栅的尾纤各自穿设于一光纤出口。

[0007] 根据一些实施例，所述壳体组件包括围筒壳和顶盖，所述围筒壳的顶部敞口，所述顶盖设于围筒壳的顶部，并与围筒壳通过第一紧固件连接。

[0008] 根据一些实施例，所述壳体组件的内腔顶部具有槽口，所述支撑架包括：限位部，呈弧形或环形，并设于所述槽口；横撑杆，设于限位部的内侧，且所述横撑杆的两端均与限
位部相连；竖撑杆，设置为两个并间隔布置，两竖撑杆的顶部均与横撑杆相连，所述柔性铰
链杠杆分别与两竖撑杆相连。

[0009] 根据一些实施例，所述柔性铰链杠杆包括第一连接段、承压段、第二连接段、第一杠杆、第二杠杆和第三连接段，所述第一连接段、承压段和第二连接段沿横向依次排列，所
述第一连接段与其中一竖撑杆相连，所述第二连接段与另一竖撑杆相连，承压段位于传力
杆的上方，所述第一杠杆和第二杠杆均横向布置，且承压段、第一杠杆、第三连接段和第二
杠杆自下而上依次排列，所述第一杠杆的左端与第一连接段之间连接有第一柔性铰链，所
述第一杠杆与承压段之间连接有第二柔性铰链，所述第一杠杆的右端与第三连接段之间连
接有第三柔性铰链，所述第三连接段与第二杠杆之间连接有第四柔性铰链，所述第二杠杆
的右端与第二连接段之间连接有第五柔性铰链。

[0010] 根据一些实施例，所述测压光纤光栅竖向布置并分别连接第一杠杆的左端和第二杠杆的左端，且所述测压光纤光栅的中部悬空。

[0011] 根据一些实施例，所述测温光纤光栅的一端与第二连接段相连，且测温光纤光栅的一端与第二连接段的连接处位于第五柔性铰链的下方。

[0012] 根据一些实施例，所述槽口和所述限位部均设置为呈环形。

[0013] 根据一些实施例，所述壳体组件的材料设置为金属。

[0014] 根据一些实施例，所述膜片的中部具有硬质部，所述硬质部与传力杆相连接。

[0015] 上述方案具有的有益效果：膜片受压而使传力杆上移，进而带动柔性铰链杠杆发生运动，使得测压光纤光栅发生形变，通过解调设备检测波长变化从而解调出外界压力信
号；测压光纤光栅和测温光纤光栅均位于壳体组件，两者的距离较近，可认为处于同一个温
度场中，从而实现温度自补偿，使其能够在高温环境中精确测压，通过上述结构能够实现压
力增敏，且能够进行温度自补偿，提高了测量精度和灵敏度。

[0016] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

[0018] 图1为本发明的FBG压力传感器的剖视图；

[0019] 图2为图1中所示各柔性铰链的结构示意图；

[0020] 图3为图1中所示FBG压力传感器的分解图；

[0021] 图4为柔性铰链杠杆的结构简图；

[0022] 图5为膜片和传力杆的结构简图。

具体实施方式

[0023] 本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的
每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

[0024] 在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简
化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0025] 在本发明的描述中，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示
或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特
征的先后关系。

[0026] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体
含义。

[0027] 参照图1至图5，一种基于膜片和柔性铰链杠杆机构的FBG压力传感器，其包括壳体组件10、膜片20、传力杆30、杠杆机构40、测压光纤光栅51和测温光纤光栅52。

[0028] 其中，壳体组件10的顶部具有两个光纤出口121，底部具有测压通道111，膜片20设置于测压通道111内，且膜片20的侧缘与壳体组件10固定连接，传力杆30位于膜片20的上
方，并与膜片20中部相连。杠杆机构40设于壳体组件10的内腔，该杠杆机构40包括支撑架41
以及设于支撑架41上的柔性铰链杠杆42，柔性铰链杠杆42位于传力杆30的上方。测压光纤
光栅51和测温光纤光栅52设于柔性铰链杠杆42上并间隔布置，测压光纤光栅51的尾纤穿设
于其中一个光纤出口121，测温光纤光栅52的尾纤穿设于另一个光纤出口121。

[0029] 在测量时，膜片20受压而使传力杆30上移，进而带动柔性铰链杠杆42发生运动，使得测压光纤光栅51发生形变，通过解调设备检测波长变化从而解调出外界压力信号；测压
光纤光栅51和测温光纤光栅52均位于壳体组件10，两者的距离较近，可认为处于同一个温
度场中，从而实现温度自补偿，使其能够在高温环境中精确测压。通过上述结构能够实现压
力增敏，且能够进行温度自补偿，提高了测量精度和灵敏度。

[0030] 膜片20的中部具有硬质部，硬质部与传力杆30相连接。在传感器的测量范围内，膜片20受压时，硬质部的形变极小，可视为硬质部不发生形变，能够使得传力杆30的移动方向
不发生偏移，提高压力测量的精度。

[0031] 壳体组件10包括围筒壳11和顶盖12，围筒壳11的顶部敞口，底部具有测压通道111，顶盖12设于围筒壳11的顶部，并与围筒壳11通过第一紧固件连接。第一紧固件设置为
螺钉，当然，亦可设置为铆钉等。

[0032] 围筒壳11的内腔顶部具有槽口112，支撑架41包括限位部411、横撑杆412和竖撑杆413，限位部411和槽口112均呈环形，且限位部411设置于槽口112，横撑杆412设置于限位部
411的内侧，且横撑杆412的两端均与限位部411相连接，竖撑杆413设置为两个并间隔布置，
两个竖撑杆413的顶部均与横撑杆412相连，横撑杆412横向布置，竖撑杆413竖向布置，柔性
铰链杠杆42分别与两竖撑杆413相连。

[0033] 具体的，柔性铰链杠杆42包括第一连接段421、承压段422、第二连接段423、第一杠杆424、第二杠杆425和第三连接段426，第一连接段421、承压段422和第二连接段423沿横向
依次排列，第一连接段421与其中一个竖撑杆413通过螺钉等紧固件相连，第二连接段423与
另一个竖撑杆413通过螺钉等紧固件相连，承压段422位于传力杆30的上方，第一杠杆424和
第二杠杆425均横向布置，且承压段422、第一杠杆424、第三连接段426和第二杠杆425自下
而上依次排列，第一杠杆424的左端与第一连接段421之间连接有第一柔性铰链427A，第一
杠杆424与承压段422之间连接有第二柔性铰链427B，第一杠杆424的右端与第三连接段426
之间连接有第三柔性铰链427C，第三连接段426与第二杠杆425之间连接有第四柔性铰链
427D，第二杠杆425的右端与第二连接段423之间连接有第五柔性铰链427E。测压光纤光栅
51竖向布置并分别粘贴连接第一杠杆424的左端和第二杠杆425的左端。测温光纤光栅52的
一端与第二连接段423相连，且测温光纤光栅52的一端与第二连接段423的连接处位于第五
柔性铰链427E的下方。

[0034] 在装配时，将测压光纤光栅51施加一定的预紧力以进行张紧，使测压光纤光栅51的中部处于悬空状态，即测压光纤光栅51的中部不与竖撑杆413接触，可以有效避免啁啾的
产生；测温光纤光栅52处于自由状态，测压光纤光栅51和测温光纤光栅52均位于壳体组件
10，两者的距离较近，可认为处于同一个温度场中，从而实现温度自补偿。

[0035] 第一连接段421和第二连接段423的厚度较大，以使承压段422、第一杠杆424、第二杠杆425和第三连接段426均与竖撑杆413之间具有间隙，此外，第一柔性铰链427A、第二柔
性铰链427B、第三柔性铰链427C、第四柔性铰链427D和第五柔性铰链427E也与支撑架之间
具有间隙，可避免因为来自支撑架的摩擦力影响柔性铰链杠杆的运动，提高传感器的测量
精度。承压段422、第一杠杆424、第二杠杆425和第三连接段426的厚度可设置为相同。

[0036] 在一些实施例中，槽口112还可呈弧形，相应的，限位部411呈弧形。

[0037] 在一些实施例中，对于壳体组件10，其包括安装壳和筒体，安装壳具有朝下敞口的安装腔，筒体具有上下贯通的安装孔，筒体插设于安装腔的开口处，并与安装壳螺纹配合连
接，前述的测压通道111位于安装孔。限位部411插设于安装腔内，安装壳上设有紧固螺钉，
紧固螺钉穿过安装壳并与限位部411螺接。

[0038] 壳体组件10的材料设置为金属，例如，可采用不锈钢、铜合金、铝合金等，以使传感器可以在恶劣环境中使用。

[0039] 外界压力经过测压通道111作用在膜片20上，膜片20感受到外界的压力，通过其连接的传力杆30将压力传导到柔性铰链杠杆42，第二杠杆425会向上弯曲，带动测压光纤光栅
51拉伸。在得到测温光纤光栅的温度灵敏度系数后，在实际测量中可以将测温光纤光栅测
得的准确温度代入测压光纤光栅的波长漂移量的计算中，从而避免温度对压力测量的影
响，达到温度补偿的效果。

[0040] 以下举例说明本发明的工作原理：

[0041] 如图4和图5所示，为简化运动分析并考虑到杠杆机构40实际是测量微动,对杠杆机构40做出以下假设：柔性铰链杠杆42中只有各柔性铰链产生弹性变形,且变形在弹性极
限之内,支撑架41和柔性铰链杠杆42的其他构件本身视为刚性。各柔性铰链设置为直圆铰
链，即柔性铰链的两侧设置为圆弧状，各柔性铰链的尺寸、材质等物理参数相同。

[0042] 在膜片20受到均匀压力之后会产生向上的变形，而柔性铰链杠杆42由于自身刚度会阻碍膜片20的变形，两者中间会产生相互作用的力F，在力F的作用下，第一杠杆424绕左
端固定点(即第一柔性铰链处)逆时针转动，转动角为θ1；根据力平衡原理，第一杠杆424的
右端也将有方向向下的平衡力F1产生，力F1与作用于第二杠杆425的力F2为相反力。在F2的
作用下，第二杠杆425绕右端固定点(即第五柔性铰链处)顺时针转动，转动角为θ2；第二杠
杆425的转动会带动粘贴在其上的测压光纤光栅51拉伸，通过解调设备检测波长变化从而
解调出外界压力信号，膜片20和杠杆机构40可以实现压力增敏。

[0043] 传感器压力灵敏度的理论计算：

[0044] 其压力灵敏度SP为：

[0045]

[0046] 其中，λa为柔性铰链杠杆42的放大系数式中：KM为各柔性
铰链的转动刚度 KF为各柔性铰
链的轴向拉伸刚度 式中：E为柔性铰链杠杆42的杨
氏模量；b为第一杠杆424和第二杠杆425的厚度；u为柔性铰链的直圆半径；s＝u/t；t为柔性
铰链最薄处厚度。

[0047] 刚度ka为 式中，测压光纤光栅51的弹性系数为Af为测压光纤光栅51的横截面积，Ef为测压光纤光栅51的弹性模量，L为测压光
纤光栅51两粘贴点间的距离。

[0048] 根据确定的参数制作传感器实物，进行传感器的标定。传感器中膜片20和传力杆30的材料均为304不锈钢，传力杆30通过激光焊接的方式固定于膜片20中央，膜片20与外壳
之间也使用激光焊接进行固定及密封。测压光纤光栅51采用两点粘贴的方式粘贴在柔性铰
链杠杆42上，测温光纤光栅52的一端粘贴于第二杠杆425的支点下方(即第五柔性铰链427E
的下方)，另一端松弛。制作完成后，先在恒温箱内进行80℃循环退火，再进行压力灵敏度和
温度灵敏度标定。

[0049] 表1传感器的相关参数

[0050]

[0051] 上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作
出各种变化。