[发明专利]一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法

说明书

本发明公开了一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法，压力传感器包括传感器探头、传输光缆和光电调解模块，相比较现有传统压力传感器，高温光纤动态压力传感器可以直接将传感器探头设置在高温、高压环境中，传感器探头采用高温变形合金，具有耐高温属性，实现高温、高压环境下压力信号的直接测量，而不需要额外的保护措施；由于光信号本质上抗电磁干扰，电磁环境对光信号的相位，幅度等参数都无影响，传感器探头可以免除周围环境的干扰，具有较高的抗电磁干扰能力，解决了电学压力传感器在高温环境下使用必须采取隔热措施或将压力引流至远端进行测量的问题，解决了电学压力传感器容易在极端温度和电磁干扰情况下出现失效和测量不准的现象。

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法。

背景技术

随着光纤制造技术的迅速发展和光纤材料的深入研究，光纤传感技术也得到了快速发展。光纤传感器与传统的各类传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、结构简单、体积小、重量轻等一系列独特的优点。因此其在高温高压、辐射环境、工况监测、微机电等领域都具有极好的应用前景。发动机作为国民经济领域中的重要动力装置，是船舶、机车、汽车等运输工具的主要动力设备。由于往复式机械具有零部件多且相互关联、运动复杂和工作条件恶劣等特点，其发生故障的可能性较大，因此开展发动机的工作状态监测与诊断技术研究，可以及时发现发动机故障征兆，为发动机维修与保养提供了可靠的技术参数。而在发动机状态监测过程中，发动机缸内压力指标是其中最重要的技术参数，可直接反应出当前发动机健康状况。

当前用于发动机内部压力测量的传感器多为基于电学原理的压力传感器。由于发动机缸内环境温度较高、压力较大、振动强度大、电磁环境复杂，所以基于电学原理的压力传感器在使用过程中需要对传感器进行保护，如在压力传感器外部包裹隔热材料，利用引流管路将待测介质引流降温等。这些保护措施虽然可以对电学压力传感器起到一定的保护作用，但是同时带来了传感器整体重量增加，测试压力信号存在滞后性，电磁兼容设计难度大等一系列问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法，解决了传统电学压力传感器在高温环境下使用时，因必须采取隔热措施或利用引流管路将待测介质引流降温而导致传感器整体重量增加，测试压力信号存在滞后性，电磁兼容设计难度大的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供了一种高温光纤动态压力传感器，其包括传感器探头、传输光缆和光电调解模块；传感器探头包括膜片基座，膜片基座的顶部固定设置有敏感膜片，敏感膜片的下表面为光反射面，敏感膜片的下表面和膜片基座的上表面之间设置有间距，敏感膜片的材料为高温变形合金，变形高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。

膜片基座内部设置有发射光纤和接收光纤，发射光纤和接收光纤的一端均与膜片基座的上表面相接；

光电调解模块包括光源和光电探测器；发射光纤的另一端通过传输光缆与光源连接，接收光纤的另一端通过传输光缆与光电探测器连接。

本方案中一种高温光纤动态压力传感器的基本原理为：将传感器探头直接暴露与燃烧环境中，敏感膜片在高温、高压环境下产生稳定的位移量，且具有较低的蠕变、较小的迟滞和非线性效应，且能达到千万次以上压力循环的疲劳寿命要求；当外界压力作用于敏感膜片上时，敏感膜片中心处产生轴向位移，该位移将导致敏感膜片与发射光纤和接收光纤之间的距离发生变化，从而引起接收光纤接收到的光强度发生变化，通过探测光强度的变化量，得到外部压力的变化量，从而达到高精度探测压力的目的。

进一步地，敏感膜片的材料优选但不限于GH4169或Inconel718；敏感膜片的形状为底部具有开口的中空圆柱结构，敏感膜片的顶部直径为1.5mm~5mm，敏感膜片的厚度为0.1mm~0.5mm，敏感膜片外形尺寸及厚度可根据传感器的设计量程不同而进行更改；