基于波纹管杠杆组合结构的光纤光栅压力传感器设计

doi:10.3976/j.issn.1002-4026.2019.02.007

山东科学 ›› 2019, Vol. 32 ›› Issue (2): 42-46.doi: 10.3976/j.issn.1002-4026.2019.02.007

基于波纹管杠杆组合结构的光纤光栅压力传感器设计

杨耀忠，段鸿杰，牟菁

中国石化胜利油田分公司信息化管理中心，山东东营 257000

收稿日期:2018-11-06 出版日期:2019-04-20 发布日期:2019-04-02
作者简介:杨耀忠（1966—），男，博士，教授级高级工程师，研究方向为光纤传感技术在石油等能源领域的应用、信息化管理等。 E-mail: yangyaozhong.slyt@sinopec.com
基金资助:
山东省自然科学基金（ZR2017MA039）；中国石化股份公司科研课题（P17019-6）

Design of fiber Bragg grating pressure sensor based on bellows and lever composite structure

YANG Yao-Zhong，DUAN Hong-Jie，MOU Jing

Control Center of Informatization of Sinopec Shengli Oil Field， Dongying 257000， China

Received:2018-11-06 Online:2019-04-20 Published:2019-04-02

摘要/Abstract

摘要： 针对井中水压高精度测量的需求，基于波纹管的压力传感特性，及悬臂梁的杠杆放大结构，设计了一种高灵敏度的光纤布拉格光栅压力传感器，通过弹性片连接的杠杆结构将压力作用下波纹管的轴向变形放大为光纤布拉格光栅的轴向应变，以实现压力的高精度测量。建立了传感器机械结构的力学模型，推导了传感器中光纤布拉格光栅中心波长变化与压力的数学表达式，并通过有限元方法对传感器的压力灵敏度进行了仿真。该传感器仿真和实验压力灵敏度分别为14.8 pm/kPa和14.1 pm/kPa。该压力传感器能够对小量程范围内的压力进行准确测量，同时可以通过改变杠杆臂长参数改变传感器的灵敏度，调整其测量量程。

关键词: 波纹管, 光纤光栅, 压力传感器, 有限元, 仿真

Abstract: Aiming at the demand of high-precision water pressure measurement in wells, this paper designed a high-sensitivity fiber Bragg grating pressure sensor based on the pressure sensing characteristics of bellows and a cantilever beam-based lever amplification structure. The axial structure of the bellows under pressure is amplified by the lever structure connected by the hinge to the axial strain of the FBG to achieve high-precision measurement of pressure. The mechanical model of the mechanical structure of the sensor is established. The mathematical expression of the wavelength change and pressure of the FBG in the sensor is derived. The pressure sensitivity of the sensor is simulated by the finite element method. The simulated and experimental pressure sensitivities of the sensor are 14.8 pm/kPa and 14.1 pm/kPa, respectively, which are in good agreement. The pressure sensor can accurately measure a certain range of pressure, and by changing the lever arm length parameter, the sensitivity can be changed and the measuring range can be adjusted.

Key words: bellow, fiber Bragg grating, pressure sensor, finite element, simulation

中图分类号:

TP212.4

杨耀忠, 段鸿杰, 牟菁. 基于波纹管杠杆组合结构的光纤光栅压力传感器设计[J]. 山东科学, 2019, 32(2): 42-46.

YANG Yao-Zhong, DUAN Hong-Jie, MOU Jing. Design of fiber Bragg grating pressure sensor based on bellows and lever composite structure [J]. Shandong Science, 2019, 32(2): 42-46.

参考文献 10

[1]	吕京生，郭士生，王昌，等. 一种新型光纤油井井下压力传感器[J]. 山东科学, 2011, 24(2):47-50.
[2]	马彦华，刘倩，刘仪琳，等. 一种微型光纤光栅压力传感器[J]. 半导体光电, 2018, 39(2): 197-200. doi: 10.16818/j.issn1001-5868.2018.02.011
[3]	赵林，姜龙，李连庆. 一种组合结构光纤光栅压力传感器[J]. 压电与声光, 2017, 39(1): 60-63.
[4]	林剑涛，曹晓峰，祝睿雪，等. 光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势[J]. 光学仪器, 2017, 39(1): 88-94. doi: 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.01.015
[5]	XU M G, REEKIE L, CHOW Y T, et al. Optical in-fibre grating high pressure sensor[J]. Electronics Letters, 1993, 29(4): 398-399. doi: 10.1049/el:19930267
[6]	张颖，刘志国，郭转运，等. 高灵敏度光纤光栅压力传感器及其压力传感特性的研究[J]. 光学学报, 2002, 22(1): 89-91. doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2002.01.019
[7]	傅海威，乔学光，贾振安，等. 高灵敏度的光纤光栅压强传感器[J]. 光学学报, 2004, 24(2):187-189. doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2004.02.010
[8]	肖元强，李得利，李川，等. 一种差动式光纤Bragg 光栅渗压、温度双参量传感器[J]. 仪器仪表学报, 2013,34(10):2251-2256. doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2013.10.014
[9]	陈肖，张东生，吴梦绮，等. 差动式光纤布拉格光栅渗压传感器的研究[J]. 自动化仪表, 2017, 38(7): 61-66. doi: 10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707016
[10]	MOREY W W, MELTZ G, GLENN W H. Fiber optic Bragg grating sensors[J]. Proceedings of SPIE: The International Society for Optical Engineering,1990,1169:98-107. doi: 10.1117/12.963022

[1]	卢守峰, 黄志康, 赵红云. 地铁乘客的病毒载量演化模型和仿真[J]. 山东科学, 2024, 37(2): 97-103.
[2]	刘立华, 温道胜, 王守仁, 牛金涛, 宋强, 殷子强. 热处理对TiAl基合金喷丸试样组织与性能的影响[J]. 山东科学, 2023, 36(2): 59-68.
[3]	王鑫, 吴平伟, 黄纬, 戴金辉. 海洋电磁测量单点系泊潜标系统平衡姿态分析[J]. 山东科学, 2023, 36(1): 1-9.
[4]	马龙, 张发祥, 刘小会, 王英英, 王昌, 李惠. 基于双光纤光栅的流速传感器设计[J]. 山东科学, 2022, 35(6): 109-115.
[5]	高国强,郑炜博,王照亮,陈虹宇,陈国富. 基于油田单井的多能互补分布式能源系统优化[J]. 山东科学, 2022, 35(3): 43-53.
[6]	冯锦来. 聚酰亚胺/聚乙烯醇湿敏材料性能对比分析[J]. 山东科学, 2022, 35(2): 54-59.
[7]	李正,刘相新,黎兰. 基于线性二自由度模型的多轴车辆转向特性仿真[J]. 山东科学, 2022, 35(1): 99-106.
[8]	周长峰,张家豪,刘立邦,刘新磊,王希波. 制动盘自由模态仿真与试验对比及模态置信度研究[J]. 山东科学, 2021, 34(6): 106-111.
[9]	彭磊, 孙元广, 金华 . 城市轨道交通双列位停车线设计[J]. 山东科学, 2021, 34(3): 54-61.
[10]	孙建超, 毛红梅, 高攀科, 张华兵, 刘大鹏. 西安地铁某车站深基坑开挖变形特性分析[J]. 山东科学, 2021, 34(3): 62-70.
[11]	李磊, 单亚男, 李树彬, 孔祥科. 联网自动车环境下的信号交叉口优化方法研究[J]. 山东科学, 2020, 33(5): 92-98.
[12]	张树天, 李虎, 李作周, 牛凌, 杨欣, 吴建军. 突发事件下的城市轨道交通列车运行仿真与延误评估[J]. 山东科学, 2020, 33(4): 72-82.
[13]	刘成强, 徐海港, 张建武, 林连华. 基于模糊控制的电驱动2AMT换挡控制策略[J]. 山东科学, 2020, 33(4): 101-109.
[14]	陈铁, 闫九祥, 孙洁, 许兆霞, 刘楷锋, 王其林. 基于ADAMS的刹车片上下料机器人运动学建模与仿真[J]. 山东科学, 2019, 32(4): 114-120.
[15]	崔辰元, 杜立彬, 陈光源, 贺海靖, 雷卓, 吴承璇. 基于海流的海洋微小信号前端放大电路的研究[J]. 山东科学, 2019, 32(1): 7-13.

基于波纹管杠杆组合结构的光纤光栅压力传感器设计

Design of fiber Bragg grating pressure sensor based on bellows and lever composite structure

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献 10

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0