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一种容器内流体压力测量方法

阅读:870发布:2021-02-22

IPRDB可以提供一种容器内流体压力测量方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本发明涉及压力测量技术领域,一种容器内流体压力测量方法,容器内流体压力测量装置包括激光器、分束器、光纤I、光纤II、压力传感器、光探测器I、光探测器II、模数转换器、计算机、信号源和电缆,压力传感器包括金属片I、乳胶薄膜、微纳小球、金属片II和金属罩,金属罩内的底面中心具有一个高度为11毫米的凸台,微纳小球通过环氧树脂固定于金属罩的凸台上,金属罩的底面具有四个直径为1毫米的小孔,微纳小球由聚苯乙烯和固化剂的混合物制成,基于介电共振器的光学模测量方法,以电介质微小球及薄膜为基本结构,采用测量介电共振器的光学模的方法来测量容器内压力,测量灵敏度高,测量的动态范围大,受外界的电磁干涉的影响小。,下面是一种容器内流体压力测量方法专利的具体信息内容。

1.一种容器内流体压力测量方法,容器内流体压力测量装置包括激光器(1)、分束器(2)、光纤I(3)、光纤II(4)、压力传感器(5)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)、信号源(10)和电缆,xyz为三维坐标系,待测容器的腔壁(11)上具有直径为

26毫米的通孔,分束器(2)具有一个入口和两个出口,分束器(2)能够将光分为相等的两份,并分别从两个出口输出,模数转换器(8)具有两个输入端和两个输出端,激光器(1)通过发射端发射出中心波长为1.5微米的激光;激光器(1)的发射端连接分束器(2)的入口,分束器(2)的一个出口连接光纤I(3),光纤I(3)穿过压力传感器(5)后连接至光探测器I(6),分束器(2)的另一个出口通过光纤II(4)连接光探测器II(7);光探测器I(6)和光探测器II(7)分别通过电缆连接模数转换器(8)的两个输入端,模数转换器(8)的两个输出端分别通过电缆连接计算机(9)和信号源(10)的输入端,信号源(10)的输出端通过电缆连接激光器(1),用于控制激光器(1)发射的激光的波形及频率;压力传感器(5)安装于待测容器的腔壁(11)的通孔处,压力传感器(5)包括金属片I(5-1)、乳胶薄膜(5-2)、微纳小球(5-3)、金属片II(5-

4)和金属罩(5-5),金属罩(5-5)为开口杯状,金属罩(5-5)内的底面中心具有一个高度为I1毫米的凸台,金属罩(5-5)的底面具有四个直径为1毫米的小孔,金属片I(5-1)和金属片II(5-4)均为圆环片,乳胶薄膜(5-2)被夹在金属片I(5-1)与金属片II(5-4)之间且用环氧树脂固定,乳胶薄膜(5-2)填满圆环片的内环,金属片II(5-4)通过环氧树脂固定于金属罩(5-

5)的开口上沿,微纳小球(5-3)通过环氧树脂固定于金属罩(5-5)的凸台上且位于乳胶薄膜(5-2)的下方,在乳胶薄膜(5-2)无形变时,乳胶薄膜(5-2)与微纳小球(5-3)的距离小于0.8毫米,微纳小球(5-3)由比例范围为10∶1至50∶1的聚苯乙烯和固化剂的混合物制成,采用不同比例的聚苯乙烯和固化剂时能够改变微纳小球(5-3)的特性,微纳小球(5-3)的光学品质因子Q典型值为106;光纤I(3)中的一段被加热拉伸形成直径为10微米、长度为30毫米的细段,光纤I(3)从金属罩(5-5)底面的一个小孔穿入并从另一个小孔穿出,使得光纤I(3)中的所述细段位于金属罩(5-5)内并与微纳小球(5-3)的侧面接触,使得光纤I(3)中的光路与微纳小球(5-3)切线方向的光路相互耦合;光纤I(3)和光纤II(4)均为单模光纤;金属片I(5-

1)和金属片II(5-4)均是外径为26毫米、内径为2毫米、厚度为0.5毫米且由铜制成;乳胶薄膜(5-2)的直径为8毫米、厚度范围为40微米到90微米;微纳小球(5-3)的直径范围为0.8毫米到1.1毫米;金属罩(5-5)的底面外径为26毫米、高度为12毫米,金属罩(5-5)由铝或钛制成,其特征是:所述一种容器内流体压力测量方法的步骤为:

步骤一,使用一个经过校准的压电传感器对容器内流体压力测量装置进行校准:将经过校准的压电传感器与容器内流体压力测量装置安装于同一个测试腔中,开启激光器(1)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)及信号源(10),并对所述测试腔内充入去离子水,记录经过校准的压电传感器测得的压强,得到0、10、20、30、50帕斯卡时激光在光纤I(3)中的透射谱中的峰的位置;

步骤二,关闭激光器(1)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)及信号源(10),将容器内流体压力测量装置从测试腔中取出;

步骤三,将压力传感器(5)安装于待测容器的腔壁(11)上的通孔处并保持密封,并使得金属片I(5-1)与待测容器的腔壁(11)的内壁共面;

步骤四,开启激光器(1)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)及信号源(10);

步骤五,在待测容器中通入流体;

步骤六,光探测器I(6)将采集到的光信号经过模数转换器(8)输入计算机(9),在计算机(9)中得到激光在光纤I(3)中的透射谱,光探测器II(7)将采集到的光信号经过模数转换器(8)输入计算机(9),得到激光在光纤II(4)中的透射谱;

步骤七,计算机(9)得到激光在光纤I(3)中的透射谱相对于激光在光纤II(4)中的透射谱进行归一化处理;

步骤八,分析经过步骤七处理后得到的透射谱中的信号峰,并相对于步骤一中得到的校准数据进行拟合,最终得到待测容器内流体的压力。

说明书全文

一种容器内流体压力测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及压力测量技术领域,尤其是一种基于介电共振器的光学模测量方法的一种容器内流体压力测量方法。

背景技术

[0002] 在容器内的流体压力测量中,由于测量环境及空间的限制,通常采用基于微机电系统的压力传感器,主要包括压电传感器、压阻传感器、电容传感器,但是存在下列不同的缺陷:压电传感器的测量带宽受限,通常低于几千赫兹;电容传感器的阻抗过高,一般需要在传感器附近加装阻抗缓冲,结构复杂;压阻传感器的灵敏度较低且需要温度补偿来进行较为精确的测量,所述一种容器内流体压力测量方法能够解决问题。

发明内容

[0003] 为了解决上述问题,本发明的压力测量方法以电介质微小球及薄膜为基本结构,采用测量介电共振器的光学模的方法来测量容器内压力。
[0004] 本发明所采用的技术方案是:
[0005] 容器内流体压力测量装置包括激光器、分束器、光纤I、光纤II、压力传感器、光探测器I、光探测器II、模数转换器、计算机、信号源和电缆,xyz为三维坐标系,待测容器的腔壁上具有直径为26毫米的通孔,分束器具有一个入口和两个出口,分束器能够将光分为相等的两份,并分别从两个出口输出,模数转换器具有两个输入端和两个输出端,激光器通过发射端发射出中心波长为1.5微米的激光,激光器的发射端连接分束器的入口,分束器的一个出口连接光纤I,光纤I穿过压力传感器后连接至光探测器I,分束器的另一个出口通过光纤II连接光探测器II;光探测器I和光探测器II分别通过电缆连接模数转换器的两个输入端,模数转换器的两个输出端分别通过电缆连接计算机和信号源的输入端,信号源的输出端通过电缆连接激光器,用于控制激光器发射的激光的波形及频率;压力传感器安装于待测容器的腔壁的通孔处,压力传感器包括金属片I、乳胶薄膜、微纳小球、金属片II和金属罩,金属罩为开口杯状,金属罩内的底面中心具有一个高度为11毫米的凸台,金属罩的底面具有四个直径为1毫米的小孔,能够平衡金属罩的底面两侧的气压,金属片I和金属片II均为圆环片,乳胶薄膜被夹在金属片I与金属片II之间且用环氧树脂固定,乳胶薄膜填满圆环片的内环,金属片II通过环氧树脂固定于金属罩的开口上沿,微纳小球通过环氧树脂固定于金属罩的凸台上且位于乳胶薄膜的下方,在乳胶薄膜无形变时,乳胶薄膜与微纳小球的距离小于0.8毫米,微纳小球由比例范围为10∶1至50∶1的聚苯乙烯和固化剂的混合物制成,采用不同比例的聚苯乙烯和固化剂时能够改变微纳小球的特性,微纳小球的光学品质因子Q典型值为106;光纤I中的一段被加热拉伸形成直径为10微米、长度为30毫米的细段,光纤I从金属罩底面的一个小孔穿入并从另一个小孔穿出,使得光纤I中的所述细段位于金属罩内并与微纳小球的侧面接触,使得光纤I中的光路与微纳小球切线方向的光路相互耦合;光纤I和光纤II均为单模光纤;金属片I和金属片II均是外径为26毫米、内径为2毫米、厚度为0.5毫米且由铜制成;乳胶薄膜的直径为8毫米、厚度范围为40微米到90微米;微纳小球的直径范围为0.8毫米到1.1毫米;金属罩的底面外径为26毫米、高度为12毫米,金属罩由铝或钛制成。
[0006] 所述一种容器内流体压力测量方法的步骤为:
[0007] 步骤一,使用一个经过校准的压电传感器对容器内流体压力测量装置进行校准:将经过校准的压电传感器与容器内流体压力测量装置安装于同一个测试腔中,开启激光器、光探测器I、光探测器II、模数转换器、计算机及信号源,并对所述测试腔内充入去离子水,记录经过校准的压电传感器测得的压强,得到0、10、20、30、50帕斯卡时激光在光纤I中的透射谱中的峰的位置;
[0008] 步骤二,关闭激光器、光探测器I、光探测器II、模数转换器、计算机及信号源,将容器内流体压力测量装置从测试腔中取出;
[0009] 步骤三,将压力传感器安装于待测容器的腔壁上的通孔处并保持密封,并使得金属片I与待测容器的腔壁的内壁共面;
[0010] 步骤四,开启激光器、光探测器I、光探测器II、模数转换器、计算机及信号源;
[0011] 步骤五,在待测容器中通入流体;
[0012] 步骤六,光探测器I将采集到的光信号经过模数转换器输入计算机,在计算机中得到激光在光纤I中的透射谱,光探测器II将采集到的光信号经过模数转换器输入计算机,得到激光在光纤II中的透射谱;
[0013] 步骤七,计算机得到激光在光纤I中的透射谱相对于激光在光纤II中的透射谱进行归一化处理;
[0014] 步骤八,分析经过步骤七处理后得到的透射谱中的信号峰,并相对于步骤一中得到的校准数据进行拟合,最终得到待测容器内流体的压力。
[0015] 本发明的有益效果是:
[0016] 本发明的压力测量方法具有较高的灵敏度及动态范围,受外界的电磁干涉的影响小。

附图说明

[0017] 下面结合本发明的图形进一步说明:
[0018] 图1是本发明示意图;
[0019] 图2是压力传感器放大示意图;
[0020] 图3是图2的俯视图。
[0021] 图中,1.激光器,2.分束器,3.光纤I,4.光纤II,5.压力传感器,5-1.金属片I,5-2.乳胶薄膜,5-3.微纳小球,5-4.金属片II,5-5.金属罩,6.光探测器I,7.光探测器II,8.模数转换器,9.计算机,10.信号源,11.待测容器的腔壁。

具体实施方式

[0022] 如图1是本发明示意图,包括激光器(1)、分束器(2)、光纤I(3)、光纤II(4)、压力传感器(5)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)、信号源(10)和电缆,xyz为三维坐标系,待测容器的腔壁(11)上具有直径为26毫米的通孔,分束器(2)具有一个入口和两个出口,分束器(2)能够将光分为相等的两份,并分别从两个出口输出,模数转换器(8)具有两个输入端和两个输出端,激光器(1)通过发射端发射出中心波长为1.5微米的激光,激光器(1)的发射端连接分束器(2)的入口,分束器(2)的一个出口连接光纤I(3),光纤I(3)穿过压力传感器(5)后连接至光探测器I(6),分束器(2)的另一个出口通过光纤II(4)连接光探测器II(7),光纤I(3)和光纤II(4)均为单模光纤,光纤I(3)中的一段被加热拉伸形成直径为10微米、长度为30毫米的细段;光探测器I(6)和光探测器II(7)分别通过电缆连接模数转换器(8)的两个输入端,模数转换器(8)的两个输出端分别通过电缆连接计算机(9)和信号源(10)的输入端,信号源(10)的输出端通过电缆连接激光器(1),用于控制激光器(1)发射的激光的波形及频率。
[0023] 如图2是压力传感器放大示意图,如图3是图2的俯视图,压力传感器(5)安装于待测容器的腔壁(11)的通孔处,压力传感器(5)包括金属片I(5-1)、乳胶薄膜(5-2)、微纳小球(5-3)、金属片II(5-4)和金属罩(5-5),xyz为三维坐标系,压力传感器(5)安装于待测容器的腔壁(11)的通孔位置,金属罩(5-5)为开口杯状,金属罩(5-5)的底面外径为26毫米、高度为12毫米,金属罩(5-5)由铝或钛制成,金属罩(5-5)内的底面中心具有一个高度为11毫米的凸台,金属罩(5-5)的底面具有四个直径为1毫米的小孔,能够平衡金属罩(5-5)的底面两侧的气压,金属片I(5-1)和金属片II(5-4)均为圆环片,圆环片均是外径为26毫米、内径为2毫米、厚度为0.5毫米且由铜制成,乳胶薄膜(5-2)被夹在金属片I(5-1)与金属片II(5-4)之间且用环氧树脂固定,乳胶薄膜(5-2)填满圆环片的内环,乳胶薄膜(5-2)的直径为8毫米、厚度范围为40微米到90微米,金属片II(5-4)通过环氧树脂固定于金属罩(5-5)的开口上沿,微纳小球(5-3)通过环氧树脂固定于金属罩(5-5)的凸台上且位于乳胶薄膜(5-2)的下方,在乳胶薄膜(5-2)无形变时,乳胶薄膜(5-2)与微纳小球(5-3)的距离小于0.8毫米,微纳小球(5-3)的直径范围为0.8毫米到1.1毫米,微纳小球(5-3)由比例范围为10∶1至50∶1的聚苯乙烯和固化剂的混合物制成,采用不同比例的聚苯乙烯和固化剂时能够改变微纳小球(5-3)的特性,微纳小球(5-3)的光学品质因子Q典型值为106;光纤I(3)中的一段被加热拉伸形成直径为10微米、长度为30毫米的细段,光纤I(3)从金属罩(5-5)底面的一个小孔穿入并从另一个小孔穿出,使得光纤I(3)中的所述细段位于金属罩(5-5)内并与微纳小球(5-3)的侧面接触,使得光纤I(3)中的光路与微纳小球(5-3)切线方向的光路相互耦合,金属片I(5-1)与待测容器的腔壁(11)的内壁共面,如图2的上表面为待测容器的腔壁(11)的内壁,光纤I(3)的两端位于待测容器的腔壁(11)外面。光探测器I(6)及光探测器II(7)均为Thorlabs公司生产的FPD510型铟镓砷光电探测器,模数转换器(8)为Analog Devices公司生产的AD7705型号16位模数转换器,信号源(10)为Tektronix公司生产的AWG5000任意波形发生器。
[0024] 容器内流体压力测量装置工作原理:激光器(1)发射的中心波长1.5微米的激光依次经过分束器(2)及光纤I(3)耦合进入微纳小球(5-3),由于光波能够不断地在弯曲光滑的高折射率表面反射而损耗很小,即形成光学回音壁模式,激光以切线方向耦合进入微纳小球(5-3)后能够沿着微纳小球(5-3)的内表面传播,经过多重全反射后射出微纳小球(5-3),并耦合进入光纤I(3)的细段,最终进入光探测器I(6),光探测器I(6)将采集到的光信号经过模数转换器(8)输入计算机(9),在计算机(9)得到激光在光纤I(3)中的透射谱,透射谱中的横坐标及纵坐标分别为光探测器I(6)采集到的光信号的波长和强度;当激光在微纳小球(5-3)内传播的总长度是激光波长的整数倍时,就激活了微纳小球(5-3)的一个回音壁共振膜式,在激光在光纤I(3)中的透射谱中能够观察到一个对应的信号峰。在微纳小球(5-3)的半径a远大于激光在真空中的波长λ的情况下有公式2πn0a≈lλ,其中n0是微纳小球(5-3)的折射率,l是一个正整数,微纳小球(5-3)的折射率的变化会导致光学模的移动,用公式表示为 其中dλ、dn0、da分别为λ、n0、a的变化量,对激光在光纤I(3)中的透射谱进行分析并检测峰的位置,以此来确定微纳小球(5-3)的光学模。外界效应(如压力、温度等)会导致小球的形状发生变化,从而导致透射谱中的峰出现蓝移或红移,因此,通过激光在光纤I(3)中的透射谱能够判断外界效应对微纳小球(5-3)的形状的影响。当待测容器内的流体对乳胶薄膜(5-2)施加压力,使其发生弯曲并导致微纳小球(5-3)产生形变,从而导致激光在光纤I(3)中的透射谱中微纳小球(5-3)的回音壁共振膜式对应的峰发生移动,以此能够探测压力对微纳小球(5-3)形状的影响,并结合校准的数据以及确定待测容器内的流体的压力值。激光器(1)发射出的激光经过依次经过分束器(2)及光纤II(4)后进入光探测器II(7),光探测器II(7)将采集到的光信号经过模数转换器(8)输入计算机(9),得到激光在光纤II(4)中的透射谱,其能够作为参考谱与激光在光纤I(3)中的透射谱进行对比,用于减小激光在光纤I(3)中的透射谱中的杂散信号峰。
[0025] 对容器内流体压力测量装置进行校准的方法:将压力传感器(5)与一个已经经过校准的压电型压力传感器同时安装于一个标准测试容器中,并对标准测试容器中充入去离子水,分别在压电型压力传感器读数为0、10、20、30、50帕斯卡时记录激光在光纤I(3)中的透射谱中的峰的位置。
[0026] 容器内流体压力测量装置包括激光器(1)、分束器(2)、光纤I(3)、光纤II(4)、压力传感器(5)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)、信号源(10)和电缆,xyz为三维坐标系,待测容器的腔壁(11)上具有直径为26毫米的通孔,分束器(2)具有一个入口和两个出口,分束器(2)能够将光分为相等的两份,并分别从两个出口输出,模数转换器(8)具有两个输入端和两个输出端,激光器(1)通过发射端发射出中心波长为1.5微米的激光,激光器(1)的发射端连接分束器(2)的入口,分束器(2)的一个出口连接光纤I(3),光纤I(3)穿过压力传感器(5)后连接至光探测器I(6),分束器(2)的另一个出口通过光纤II(4)连接光探测器II(7);光探测器I(6)和光探测器II(7)分别通过电缆连接模数转换器(8)的两个输入端,模数转换器(8)的两个输出端分别通过电缆连接计算机(9)和信号源(10)的输入端,信号源(10)的输出端通过电缆连接激光器(1),用于控制激光器(1)发射的激光的波形及频率;压力传感器(5)安装于待测容器的腔壁(11)的通孔处,压力传感器(5)包括金属片I(5-1)、乳胶薄膜(5-2)、微纳小球(5-3)、金属片II(5-4)和金属罩(5-5),金属罩(5-5)为开口杯状,金属罩(5-5)内的底面中心具有一个高度为11毫米的凸台,金属罩(5-5)的底面具有四个直径为1毫米的小孔,能够平衡金属罩(5-5)的底面两侧的气压,金属片I(5-1)和金属片II(5-4)均为圆环片,乳胶薄膜(5-2)被夹在金属片I(5-1)与金属片II(5-4)之间且用环氧树脂固定,乳胶薄膜(5-2)填满圆环片的内环,金属片II(5-4)通过环氧树脂固定于金属罩(5-5)的开口上沿,微纳小球(5-3)通过环氧树脂固定于金属罩(5-5)的凸台上且位于乳胶薄膜(5-2)的下方,在乳胶薄膜(5-2)无形变时,乳胶薄膜(5-2)与微纳小球(5-3)的距离小于0.8毫米,微纳小球(5-3)由比例范围为10∶1至50∶1的聚苯乙烯和固化剂的混合物制成,采用不同比例的聚苯乙烯和固化剂时能够改变微纳小球(5-3)的特性,微纳小球(5-3)的光学品质因子Q典型值为106;光纤I(3)中的一段被加热拉伸形成直径为10微米、长度为30毫米的细段,光纤I(3)从金属罩(5-5)底面的一个小孔穿入并从另一个小孔穿出,使得光纤I(3)中的所述细段位于金属罩(5-5)内并与微纳小球(5-3)的侧面接触,使得光纤I(3)中的光路与微纳小球(5-3)切线方向的光路相互耦合;光纤I(3)和光纤II(4)均为单模光纤;金属片I(5-1)和金属片II(5-4)均是外径为26毫米、内径为2毫米、厚度为0.5毫米且由铜制成;乳胶薄膜(5-2)的直径为8毫米、厚度范围为40微米到90微米;微纳小球(5-3)的直径范围为0.8毫米到1.1毫米;金属罩(5-5)的底面外径为26毫米、高度为12毫米,金属罩(5-5)由铝或钛制成。
[0027] 所述一种容器内流体压力测量方法的步骤为:
[0028] 步骤一,使用一个经过校准的压电传感器对容器内流体压力测量装置进行校准:将经过校准的压电传感器与容器内流体压力测量装置安装于同一个测试腔中,开启激光器(1)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)及信号源(10),并对所述测试腔内充入去离子水,记录经过校准的压电传感器测得的压强,得到0、10、20、30、50帕斯卡时激光在光纤I(3)中的透射谱中的峰的位置;
[0029] 步骤二,关闭激光器(1)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)及信号源(10),将容器内流体压力测量装置从测试腔中取出;
[0030] 步骤三,将压力传感器(5)安装于待测容器的腔壁(11)上的通孔处并保持密封,并使得金属片I(5-1)与待测容器的腔壁(11)的内壁共面;
[0031] 步骤四,开启激光器(1)、光探测器I(6)、光探测器II(7)、模数转换器(8)、计算机(9)及信号源(10);
[0032] 步骤五,在待测容器中通入流体;
[0033] 步骤六,光探测器I(6)将采集到的光信号经过模数转换器(8)输入计算机(9),在计算机(9)中得到激光在光纤I(3)中的透射谱,光探测器II(7)将采集到的光信号经过模数转换器(8)输入计算机(9),得到激光在光纤II(4)中的透射谱;
[0034] 步骤七,计算机(9)得到激光在光纤I(3)中的透射谱相对于激光在光纤II(4)中的透射谱进行归一化处理;
[0035] 步骤八,分析经过步骤七处理后得到的透射谱中的信号峰,并相对于步骤一中得到的校准数据进行拟合,最终得到待测容器内流体的压力。
[0036] 本发明方法采用电介质微小球与薄膜相结合的结构,通过测量介电共振器的光学模来进行压力测量,测量灵敏度高,测量的动态范围大。
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