光纤法珀压力传感器及压力检测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，还涉及一种包括光纤法珀压力传感器及压力检测方法。

背景技术

船用柴油机结构复杂，零部件多且相互关联，而且发动机内部环境恶劣，使发动机发生故障的可能性增加，发动机一旦发生故障，便无法正常运行，如此会造成经济损失的情况下还会威胁船上人员的安全，因此，非常有必要对发动机的运行状态进行监控。

压力参数是发动机工作的一个重要参数，压力参数的测量通常采用光纤法珀传感器，具体可以参照公开号为CN106017754A、公布日为2016.10.12、发明名称为“LTCC光纤法珀高温压力传感器”的专利文献，光纤法珀传感器包括光纤探头和敏感膜片，所述光纤探头一端与所述敏感膜片形成FP腔，光纤法珀传感器对位移测量较为精确，但是受限于发动机缸内高温、高压以及空间受限条件下的影响，法珀传感器在进行压力测量值精度不够。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种光纤法珀压力传感器，可以降低外界环境影响，提高压力检测精度。

本发明的另一目的是提供一种压力检测方法。

本发明提供一种光纤法珀压力传感器，包括：光纤探头和敏感膜片，所述光纤探头一端与所述敏感膜片形成FP腔；

所述光纤探头内设有纤芯，所述纤芯在能感测所述敏感膜片温度的位置设置有光纤光栅。

在一个实施方式中，还包括探头外壳，所述探头外壳内设有导向通道，所述敏感膜片位于所述导向通道内，所述光纤探头一端安装于所述导向通道内且朝向所述敏感膜片；

所述光纤探头与所述敏感膜片和所述探头外壳之间形成检测空间，所述FP腔位于所述检测空间内。

在一个实施方式中，所述敏感膜片包括底板和与所述底板相连接的周侧板，所述底板和所述周侧板之间围合形成容置空间；

所述底板朝向所述容置空间一侧设有反射件，所述光纤探头的一端面朝向所述反射件并与所述反射件之间形成所述FP腔。

在一个实施方式中，所述周侧板与所述导向通道的内壁固定连接。

在一个实施方式中，所述周侧板与所述导向通道的内壁相抵接，且所述周侧板背离所述底板的一端与所述光纤探头相连接。

在一个实施方式中，所述反射件为镀金反射镜。

在一个实施方式中，所述光纤探头包括膜片基座和光纤套筒，所述膜片基座开设有通孔，所述光纤套筒穿设于所述通孔且一端至少延伸至所述膜片基座外侧并延伸至所述检测空间内；

所述光纤套筒内开设有安装通道，所述纤芯穿设于所述安装通道并延伸至所述光纤套筒靠近所述容置空间的端部。

在一个实施方式中，所述探头外壳一侧开设有与所述导向通道连通的限位孔，所述膜片基座包括卡接部和延伸部，所述卡接部的横截面尺寸大于所述限位孔的截面尺寸；

所述卡接部位于所述导向通道内，所述延伸部穿设于所述限位孔并延伸至所述导向通道外侧。

在一个实施方式中，所述光纤套筒两端分别延伸至所述通孔的外侧并与所述膜片基座固定连接；

所述纤芯在所述光纤套筒的相对两端部分别通过玻璃焊料与所述光纤套筒烧结连接。

在一个实施方式中，所述探头外壳上设有防火塞，所述防火塞位于所述敏感膜片背离所述光纤探头的一侧；

所述防火塞上开设有导风孔，所述防火塞外侧的风力通过所述导风孔输送至所述敏感膜片。

在一个实施方式中，所述导风孔的中轴线与所述敏感膜片的中轴线以及所述光纤探头的中轴线共线。

本发明还提供一种压力检测方法，利用光纤法珀压力传感器进行高温高压腔内压力检测，包括：

依据光纤法珀压力传感器的检测信号计算FP腔的长度，进而计算出敏感膜片的变形量；

检测所述敏感膜片的温度，根据所述温度确定所述敏感膜片的压力敏感度；

根据所述敏感膜片的变形量和所述压力敏感度，获得高温高压腔内压力。

采用上述光纤法珀压力传感器，敏感膜片在外界压力下会产生形变，该形变会导致FP腔的长度发生改变，纤芯发射的光信号在纤芯端面以及敏感膜片上均会发生反射，两束反射光信号会发生干涉，形成随波长变化的强度调制信号，周期与FP腔的长度对应，通过解调信号可以得到FP腔的长度，进而可以确定敏感膜片的变形量。同时，敏感膜片的压力灵敏度与外界温度有关，通过光纤光栅可以获得敏感膜片的外界温度值，进而可以确定该温度值下敏感膜片的压力灵敏度，结合敏感膜片的变形量以及敏感膜片的压力灵敏度对外界压力值进行计算。由此可以提高压力测量的精度，减少外界环境对压力测量的影响。

上述的压力检测方法，先通过光纤法珀压力传感器计算得出FP腔的长度，进而对比计算出敏感膜片的变形量，然后可以检测敏感膜片的温度获得敏感膜片的压力灵敏度，根据敏感膜片的变形量以及压力灵敏度便可以确定精确的压力检测值，如此减少了外界环境对压力测量的影响，并提高了压力检测的精度。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据本发明的示例性船用柴油机的结构示意图；

图2是图1所示的光纤法珀压力传感器的结构示意图；

图3是本发明纤芯的传输结构简图；

图4是纤芯反射波的相位解调原理图；

图5是FP腔反射谱与腔长的示意图；

图6是本发明压力检测方法的流程图。

10、光纤探头；110、安装通道；120、纤芯；1210、光纤光栅；130、膜片基座；1310、通孔；1320、卡接部；1330、延伸部；140、光纤套筒；

20、敏感膜片；210、检测空间；220、反射件；230、FP腔；240、底板；250、周侧板；260、容置空间；

30、探头外壳；310、导向通道；320、限位孔；330、防火塞；3310、导风孔；

40、船用柴油机；410、缸体；420、检测孔；430、光纤法珀压力传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。

请参照图1，船用柴油机40包括缸体410，缸体410上开设有检测孔420，光纤法珀压力传感器430安装于检测孔420处，光纤法珀压力传感器430用于对缸体410内的压力值进行检测，压力值对应缸体410内高温高压产生的气压值，通过分析气压值可以监测缸体410运行状态。

请参照图2和图3，光纤法珀压力传感器430包括光纤探头10和敏感膜片20，光纤探头10一端与敏感膜片20形成FP腔230。光纤探头10内设有纤芯120，纤芯120在能感测敏感膜片20温度的位置设置有光纤光栅1210。如图2所示，光纤光栅1210设于靠近FP腔230的端部，敏感膜片20的温度受到检测对象温度的影响，其温度会发生变化，而敏感膜片20的热传递到纤芯120的光纤光栅1210，光纤光栅1210根据温度的变化进行伸缩。

纤芯120可以包括至少一根光纤，纤芯120用于朝向反射件220发射光信号，返回的光信号形成强度调制信号作为光纤法珀压力传感器430的检测信号，检测信号可以通过解调器进行解调，解调后可以计算得出FP腔230的长度，进而确定敏感膜片20的变形量。

为提高光纤光栅1210的检测精度，可以使纤芯120在靠近FP腔230一侧设置光纤光栅1210，光纤光栅1210可以在纤芯120上刻写，然后涂覆涂料并用紫外光固化形成。光纤光栅1210条纹的周期跟随温度变化而变化，这使得强度调制信号的光学特征例如波峰的漂移，通过分析该光学特征的变化，可以得出敏感膜片20一侧的环境温度，确定环境温度后便可以确定在该温度下对应的敏感膜片20的压力灵敏度，进而便可以精确得出外界压力值，且该外界压力值不受外界高温影响，检测结果更加精确。

敏感膜片20在外界压力下会产生形变，该形变会导致FP腔230的长度发生改变，纤芯120发射的光信号在纤芯120端面以及敏感膜片20上均会发生反射，两束反射光信号会发生干涉，形成随波长变化的强度调制信号，强制调制信号的周期与FP腔230的长度对应，通过解调器解调该强度调制信号可以得到FP腔230的长度，进而便可以确定敏感膜片20的变形量。

同时，敏感膜片20的压力灵敏度与外界温度有关，通过光纤光栅1210引起的强度调制信号的变化可以获得敏感膜片20所处环境下的外界温度值，进而确定该温度值下的压力灵敏度后，配合敏感膜片20的变形量便可以对外界压力值进行计算。由此可以提高压力测量的精度，减少外界环境对压力测量的影响。

请继续参照图2，光纤法珀压力传感器430还包括探头外壳30，探头外壳30内设有导向通道310，敏感膜片20位于导向通道310内，光纤探头10与敏感膜片20和探头外壳30之间形成检测空间210，FP腔230位于检测空间210内。探头外壳30用于容置敏感膜片20，对敏感膜片20的安装或者运行状态进行保护。

敏感膜片20包括底板240和与底板240相连接的周侧板250，底板240与周侧板250之间围合形成容置空间260，底板240朝向容置空间260一侧设有反射件220，光纤探头10的一端面朝向反射件220并与反射件220之间形成FP腔230。

敏感膜片20的周侧板250与光纤探头10之间可以连接也可以间隔设置，当敏感膜片20与光纤探头10之间间隔设置时，检测空间210大于且包含容置空间260；而当敏感膜片20与光纤探头10连接时，检测空间210便与容置空间260重叠。

探头外壳30的设置可以避免外界环境对敏感膜片20直接接触，且可以使得光纤光栅1210测得的温度与敏感膜片20所处环境温度一致，进而与缸内温度一致，避免外界温度对光纤光栅1210测温产生影响。使检测空间210为相对密闭的空间，可以避免外界环境例如热、电、磁等外界信号对压力检测产生影响。敏感膜片20的环境温度与缸内温度一致，且敏感膜片20的形变来源全部来源于缸内对其施加的压力，如此在进行压力检测时，检测空间210相对密闭，消除了外界环境对检测结果的影响，提高了压力检测的精度。

在一个实施例中，周侧板250与导向通道310的内壁固定连接。固定连接包括焊接、粘接等连接方式，但不对周侧板250与光纤探头10之间的位置进行限定。因为周侧板250与探头外壳30固定连接，如此缸内气压抵压底板240时，周侧板250可以起到支撑限定作用，使得底板240的形变沿导向通道310中轴线方向。周侧板250的支撑限定作用使得底板240中心沿导向通道310轴线方向朝向光纤探头10收缩，进而缩短了FP腔230的长度。当反射件220的端面与光纤探头10的端面平齐时，纤芯120在反射件220端面反射的反射率更高，所以底板240在周侧板250的限定作用下进行收缩不会影响光信号在反射件220处的反射率。

在另一个实施例中，周侧板250与导向通道310的内壁相抵接，且周侧板250背离底板240的一端与光纤探头10相连接。如此设置，周侧板250端部被光纤探头10限位，不会发生位移。同时，周侧板250与导向通道310内壁抵接，如此底板240的形变为沿导向通道310中轴线的形变方向，避免了底板240形变压缩过程中自身发生角度弯折，进而影响反射件220处的反射率。

对于反射件220，为提高反射件220的反射率，敏感膜片20采用镀金反射镜，在反射镜表面镀金形成镀金反射镜，镀金反射镜对于光信号的反射率更高、偏振效应小且稳定性比其他金属更好。

光纤探头10包括膜片基座130和光纤套筒140，膜片基座130开设有放置光纤套筒140的通孔1310，光纤套筒140穿设于通孔1310且一端至少延伸至膜片基座130外侧并延伸至检测空间210内；光纤套筒140内开设有安装通道110，纤芯120设于安装通道110并延伸至光纤套筒140靠近容置空间260的端部。

光纤套筒140两端均延伸至膜片基座130的相对两外侧，且纤芯120与光纤套筒140的两端部均通过玻璃焊料烧结连接，从而使得探头整体耐受温度超过400摄氏度，如此在高温下纤芯120与光纤套筒140不发生相对移动。光纤为石英材料构成，其熔点超过1200摄氏度，如此光纤套筒140选择与光纤膨胀系数相近的金属材料制成，例如铜或者合金。

光纤套筒140与光纤套筒140内部的纤芯120形成一个整体，纤芯120不会发生弯折而影响光信号的传输和回收，进而提高光信号传输效率。

探头外壳30一侧开设有与导向通道310相连通的限位孔320，膜片基座130包括卡接部1320和延伸部1330，卡接部1320的横截面尺寸大于限位孔320的横截面尺寸，卡接部1320位于导向通道310内，延伸部1330穿设于限位孔320并延伸至导向通道310外侧。

卡接部1320和延伸部1330均为圆柱形，且卡接部1320的直径大于延伸部1330的直径，如此卡接部1320靠近延伸部1330的端面与探头外壳30的限位孔320朝向导向通道310一侧的端面抵接。如此设置，探头外壳30安装完成后稳定性很高，如果敏感膜片20一端与探头外壳30连接，而敏感膜片20的底板240受压产生形变时，探头外壳30对周侧板250产生抵接作用，避免周侧板250发生形变，保证底板240的形变方向沿导向通道310的中轴线方向，保证反射件220的反射率。

在一个实施方式中，敏感膜片20的外形为碗形，材质选择耐高温合金，例如铜合金或者铁合金等，且因为周侧板250与导向通道310的周侧壁抵接或者固定连接，周侧板250的限位作用可以使得敏感膜片20在高温环境下产生稳定的位移量，且位移的方向与导向通道310的轴线方向一致。因为底板240受压会朝向光纤探头10一侧移动，而周侧板250起到支撑作用而不发生位移，所以底板240受压更加均匀且沿导向通道310的轴线方向移动，进而缩小FP腔230的长度，底板240在位移形变过程移动更加稳定，不会影响反射件220处的反射率。

在一个实施例中，探头外壳30上设有防火塞330，防火塞330位于敏感膜片20背离光纤探头10的一侧，防火塞330上开设有导风孔3310，防火塞330外侧的气压通过导风孔3310输送至敏感膜片20进而致使敏感膜片20发生形变。

防火塞330位于敏感膜片20与缸体410内部结构之间，缸体410内部的气压通过导风孔3310输送至敏感膜片20，并使得敏感膜片20发生形变，如此检测缸体410内部的气压值。

请参照图3，敏感膜片20在外界压力作用下会产生形变，该形变导致反射件220与发射光纤的端面的距离发生变化。纤芯120的光信号在纤芯120的端面以及反射件220处发生两次反射，反射信号分别为r1和r2。两束反射的光信号会发生干涉，形成随波长变化的强度调制信号，信号近似正弦，周期与两个反射面对应，通过解调该强度调制信号可以得出FP腔230的长度，进一步可以计算得出外界压力值。在不同高温下，敏感膜片20的压力灵敏度会发生变化，因此需要通过光纤光栅1210感受敏感膜片20一侧的外界温度变化对压力测量进行补偿，进而提高压力测量的精度。

具体请参照图4和图5，扫描光源发出的光信号通过耦合器进入传感器探头，并经光纤光栅1210到达反射件220，经反射件220反射后原路返回，经过耦合器到达光电探测器，光电转换与放大后采集到各扫描点的光谱数据，得到如图4所示的光谱，周期性的FP腔230干涉信号叠加上光纤光栅1210的波长信号，其中，光纤光栅1210的波长信号位于AB之间，BC之间的区间用于FP腔230信号识别。在一个示例中，扫描光源的带宽为1525nm-1565nm，可以设置AB区间为1525nm-1535nm，BC区间为1535nm-1565nm，通过算法处理，在AB区间寻峰最高点对应的波长为光纤光栅1210的波长，光纤光栅1210的波长与温度成对应关系，如下：

T＝a*(λ

其中，λc为当前解调波长，λ0为传感器零度波长，a，b为常数，可以通过传感器标定得出。

请采纳图5，BC区间的近似正弦曲线用于计算FP腔230的腔长度，FP腔230的腔长度与压力成对应关系，如下：

当FP腔230的长度由L1变化到L2时，光谱的波峰位置与间距发生变化，腔长变长，则间距变小，反之则间距变大。例如第m级与m+q级极大值对应波长为λm和λm+q，根据艾里公式可知，腔长可以表示为：

通过以上两式，可以计算出腔长：

式中，L为FP腔230的长度，q为整数，带入选定的两个极大值对应波长即可算出腔的长度。在得到FP腔230长度L后，由于压力与L成线性关系，如下：

P＝K*(L-L0)；

其中，P为检测压力，L0为光纤法珀压力传感器430在标准大气压下的FP腔230的长度，K为压力灵敏度。

在不同温度下，压力灵敏度会发生变化，通过光纤光栅1210测量的温度值可以对数据进行补偿，即不同的工作温度区间使用不同的灵敏系数，进而计算得出更为准确的压力值。

因此，本发明提供的光纤法珀压力传感器430集成了光纤光栅1210和FP腔230结构，使得光纤法珀压力传感器430尺寸更小，采用光纤通信可以耐电磁干扰，进而实现长期稳定运行，可靠性更高。而光纤光栅1210可以得出敏感膜片20外界的温度值，对FP腔230计算得出的压力值进行补偿，提高压力值检测精度。

同时结合图6，一种压力检测方法，利用光纤法珀压力传感器实现，包括以下步骤：

S110、依据光纤法珀压力传感器的检测信号计算FP腔的长度，进而计算出敏感膜片的变形量。

FP压力传感器包括光纤探头和敏感膜片，光纤探头和敏感膜片形成FP腔，纤芯在FP腔处产生两束返回信号，两束返回信号会发生干涉，形成随波长变化的强度调制信号，强度调制信号的周期与FP腔的长度对应，通过解调器解调该强度调制信号可以得到FP腔的长度，进而可以计算得出敏感膜片的变形量。

S120、检测敏感膜片的温度，根据温度确定敏感膜片的压力敏感度。

光纤法珀压力传感器可以利用上述方案提供的光纤法珀压力传感器，对于敏感膜片的温度，可以通过光纤光栅进行获得。光纤光栅的条纹的周期跟随温度变化而变化，这使得强度调制信号的光学特征例如波峰的漂移，通过分析该光学特征的变化，可以得出敏感膜片一侧环境温度。

S130、根据敏感膜片的变形量和压力敏感度，获得高温高压腔内压力。

压力检测与温度和敏感膜片的变形量相关，不同温度下压力灵敏度不同，通过得到的敏感膜片的变形量以及压力灵敏度可以精确获得高温高压腔内压力值，避免了外界环境对压力测量的影响，提高了压力检测的精度。

具体地，敏感膜片在外界压力下会产生形变，该形变会导致FP腔的长度发生改变，纤芯发射的光信号在纤芯端面以及敏感膜片上均会发生反射，两束反射光信号会发生干涉，形成随波长变化的强度调制信号。因为波长周期与FP腔的长度对应，如此通过解调接收的光信号可以得到FP腔的长度。

压力值分别与FP腔的长度和外界温度有关，通过光纤光栅可以获得敏感膜片的外界温度值，确定该温度值下的压力灵敏度后，配合敏感膜片的位移量(FP腔的长度位移量)对外界压力值进行计算。由此可以提高压力测量的精度，减少外界环境对压力测量的影响。具体原理可以参照上述在光纤法珀压力传感器内的阐述，在此不做重复赘述。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。