本发明涉及光纤传感领域，主要是一种基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器。
背景技术：
相比于传统的电磁式压力传感器，光纤光栅压力传感器具有灵敏度高，电磁绝缘，抗腐蚀性强，传输距离远，响应速度快等优点，在能源化工、航天航空、海洋科考、土木建筑等领域具有非常广泛的应用前景。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器，包括圆筒、端盖、压力敏感光栅a、压力敏感光栅b和光纤护套，圆筒从一侧挖去一块偏心圆柱形成一个单端开口的偏心圆筒结构，在圆筒最大壁厚处和最小壁厚处分别刻划出一条u型细槽a、u型细槽b，压力敏感光栅a和压力敏感光栅b用胶灌封粘分别贴于u型细槽a、u型细槽b内，其中最大壁厚处的厚度是最小壁厚处厚度的2倍以上；圆筒与端盖之间通过激光焊接的方式进行密封，圆筒与端盖组成一个上下厚度不同的密闭空气腔。由于上下侧壁厚度的不同，圆筒表面产生不同大小的应变，粘贴于上下不同壁厚圆筒侧壁表面的光纤光栅因有效受拉长度发生改变而随之产生不同的波长漂移量。再结合两根光纤光栅不同的压力系数和温度系数，即可解算出环境压力值。
所述的圆筒未被挖去偏心圆一侧挖出凹槽，便于光栅之间的尾纤走线。
所述的压力敏感光栅a和压力敏感光栅b是一个串联的光纤光栅串，两者除波长大小不同外，其余参数均相同，两者的波长间隔不小于2nm。
所述的圆筒采用弹性不锈钢、黄铜或者铝合金作为圆筒材料。
所述的压力敏感光栅a和压力敏感光栅b在灌封过程中均施加一定大小的预拉力，使栅区在胶固化后应力相同。
本发明的有益效果为：
(1)压力测量精度高、响应时间快：光纤光栅与筒壁直接粘接，不存在力的机械传递结构，压力响应时间快；且光纤光栅波长与压力线性良好，稳定性高，确保了较高的压力测量精度。
(2)温度实时补偿：两个光纤光栅对环境温度变化基本同步，解决了一般光纤光栅压力传感器无法实现在快速变温环境中测压的难题。
(3)传感器双端出纤，且采用波长解调方法，易于多个传感器复用，可实现准分布式压力测量。
(4)采用光纤光栅粘接于圆筒上下两个表面的形式，大大减小了传感器的长度及直径(长度仅为37mm，半径仅为6mm)，可以应用至一些空间狭小的部件内。
(5)结构简单，封装成品率高，适于大批量生产。封装过程中，光纤光栅仅需施加较小的拉力使其保持绷直状态即可，灌封胶的加热温度不高于100℃，对光纤几乎无损伤。
附图说明
图1为基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器的示意图。
图2为基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器的主视方向的剖面图。
图3为基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器施加压力后的应变示意图。
附图标记说明：圆筒1、端盖2、压力敏感光栅a3、压力敏感光栅b4、光纤护套5、u型细槽a6、u型细槽b7、凹槽8、空气腔9、光栅连接线10、壁厚a11、壁厚b12。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图1所示，一种基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器，包括圆筒1、端盖2、压力敏感光栅a3、压力敏感光栅b4和光纤护套5，所述的圆筒1采用弹性不锈钢、黄铜或者铝合金等金属作为圆筒材料。圆筒1连接端盖2的一端切割掉一个偏心圆柱形成一个单端开口的偏心圆筒结构，实现上下不同壁厚；所述的圆筒1未被挖去偏心圆一侧挖出5mm深的凹槽8，便于光栅之间的尾纤走线。所述的压力敏感光栅a3和压力敏感光栅b4是一个通过光栅连接线10串联的光纤光栅串，两者除波长大小不同外，其余参数均相同，两者的波长间隔不小于2nm。
为增大光纤光栅与圆筒1粘接时的接触面积，预先在圆筒1最大壁厚处和最小壁厚处分别刻划出一条u型细槽a6、u型细槽b7，压力敏感光栅a3和压力敏感光栅b4用胶灌封粘分别贴于u型细槽a6、u型细槽b7内(即圆筒1上下表面)，其中最大壁厚处(壁厚a11)的厚度是最小壁厚处(壁厚b12)厚度的2倍以上，使得压力敏感光栅a3、压力敏感光栅b4具备差异较大的压力灵敏度。圆筒1与端盖2之间通过激光焊接的方式外加涂抹密封胶的方式进行密封，圆筒1与端盖2组成一个上下厚度不同的密闭空气腔9。
在封装过程中，对压力敏感光栅a3、压力敏感光栅b4均施加一定大小的预拉力，使两根光纤光栅均保持绷直状态，防止光纤光栅的反向峰在胶灌封后发生毛刺。给传感器施加一定程度的温度跃变，两根光纤光栅测得的温度值随时间的变化基本相同。鉴于此，在压力测量过程中，将两根光栅的波长变化量作差，即可除去温度变化对压力测量的影响，实现温度不敏感测量。
由于端盖2的厚度远大于圆筒1壁厚，当传感器置于水中时，水压作用在圆筒侧壁上，由于上下侧壁厚度的不同，圆筒1表面产生不同大小的应变，如图3所示，从而带动两根光纤光栅产生不同大小的波长漂移。结合两根光纤光栅各自不同的压力系数和温度系数，可以解算出压力值。由于两根光纤光栅粘贴于圆筒上下表面，状态基本相同，对环境温度变化的响应也基本同步，有效解决了光纤光栅温度和压力交叉敏感问题，可实现传感器在温度变化的环境中工作。传感器中光纤光栅与筒壁直接粘接，消除了力的中间传递，在实现传感器压力快速响应的同时又确保了压力的高精度测量。
工作原理：在圆筒1内部挖去一个偏心圆柱，可以实现上下不同厚度的壁厚。两根光纤光栅(压力敏感光栅a3、压力敏感光栅b4)用胶灌封于圆筒1上下表面，两者之间以串联方式连接，在相同压力下，不同壁厚会产生不同应变，从而引起光栅不同的波长漂移。灌封过程中，对两根压力敏感光栅均施加一定大小的预拉力，使两根光纤光栅均保持绷直状态，避免光栅啁啾化。由于两根光纤光栅粘贴于圆筒上下表面，状态基本相同，对环境温度变化的响应也基本同步，在压力测量过程中，将两根光栅的波长变化量作差，即可除去温度变化对压力测量的影响，实现温度不敏感测量。再结合两根光纤光栅各自不同的压力系数和温度系数，可以解算出压力值。传感器体积小长度短，适用于一些狭小空间内压力测量，且传感器中光纤光栅与筒壁采用胶灌封方式粘接，对光纤损耗较小，结构简单，成品率高，适于大批量生产。传感器现已经通过各项原理认证和仿真，准备进行样品研制，拟将其装配于光纤xbt探头中。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
1.一种基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于：包括圆筒(1)、端盖(2)、压力敏感光栅a(3)、压力敏感光栅b(4)和光纤护套(5)，圆筒(1)从一侧挖去一块偏心圆柱形成一个单端开口的偏心圆筒结构，在圆筒(1)最大壁厚处和最小壁厚处分别刻划出一条u型细槽a(6)、u型细槽b(7)，压力敏感光栅a(3)和压力敏感光栅b(4)用胶灌封粘分别贴于u型细槽a(6)、u型细槽b(7)内，其中最大壁厚处的厚度是最小壁厚处厚度的2倍以上；圆筒(1)与端盖(2)之间通过激光焊接的方式进行密封，圆筒(1)与端盖(2)组成一个上下厚度不同的密闭空气腔(9)。
2.根据权利要求1所述的基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的圆筒(1)未被挖去偏心圆一侧挖出凹槽(8)，便于光栅之间的尾纤走线。
3.根据权利要求1所述的基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的压力敏感光栅a(3)和压力敏感光栅b(4)是一个串联的光纤光栅串，两者除波长大小不同外，其余参数均相同，两者的波长间隔不小于2nm。
4.根据权利要求1所述的基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的圆筒(1)采用弹性不锈钢、黄铜或者铝合金作为圆筒材料。
5.根据权利要求1所述的基于偏心圆结构的光纤光栅压力传感器，其特征在于：所述的压力敏感光栅a(3)和压力敏感光栅b(4)在灌封过程中均施加一定大小的预拉力，使栅区在胶固化后应力相同。
技术总结