文摘

在这个工作中,一种新型的高温光纤光栅薄膜压力传感器,包括物理设计结构,深入分析光学响应变化的压力,和温度补偿方法的讨论。高温抗压的数学模型形状变化和常温压缩形状变化,提出了有效的温度补偿方法,既能有助于解决温度高温压力传感器的干扰。此外,仿真计算进行的外部封装传感器在高温和压力根据设计模型。通过分析和比较影响光栅信号的改变位置的数据,验证了仿真结果的正确性,原型的开发。提出了温度补偿方法实现压力测量传感器的f.s.相对误差低于4.6%。和范围50 MPa在300年的环境,满足安全研究弹药系统的要求。

1。介绍

固体内部压力在高温环境中是一个重要的领域的指数弹药系统的安全和环境适应性。它是必要的依据来判断整个结构(弹体)是否会导致局部或整体不稳定和失败,这将导致失去稳定性由于热膨胀引起的过度变形(1),如固体火箭发动机推进剂内部压力,弹头内的武器系统内部火灾,爆炸压力,都需要在高温环境中内部压力的检测。光纤布喇格光栅(FBG)已经被提出并广泛应用于光纤通信和传感领域由于其突出的优点,如免疫电磁噪声,小,轻,高阻充满敌意的环境中(2- - - - - -4]。光纤光栅传感器技术到处都存在于我们的日常生活,与环境友好的优点、有效性和可持续性。在此基础上,光纤布喇格光栅(FBG)传感器已经提出并广泛应用于桥梁、滑坡安全监测(5- - - - - -8]。多个光纤光栅可以排列在一个单一的纤维,各种光纤光栅传感器温度、压力、应变、位移、振动、加速度测量开发并可以应用相同的工程应用。基于光纤布拉格光栅压力传感器是可行的远程分布式监测现场没有电源。特别是在易燃易爆、电磁干扰和强辐射在严酷的环境中,它可以反映出一个巨大的优势,可用于固体压力测试经常(9,10]。基于光纤光栅的压力测量是一种常见的传感技术,和压力监测可以实现间接通过检查的参数应变和物理测量光纤光栅(的对象11,12]。光纤光栅传感器直接测量力也被发表在文献[13,14]。许多研究人员关注领域的光纤布拉格光栅传感技术的压力。2013年,黄等。15报道一个膜片式光纤光栅压力传感器温度补偿。与两个光纤光栅传感器采用圆形膜片粘在表面沿径向方向的压力敏感组件。实验结果表明,这种新型传感器的压力灵敏度高达1.57点/ kPa。2014年,Pachava et al。16)设计了一个高度敏感的光纤光栅压力传感器使用了一种细金属隔膜。实验压力传感器的灵敏度为2.05×10⁻²MPa⁻¹。2015年,Allwood et al。17)设计了一个光纤光栅薄膜压力传感器高度敏感。结果表明,传感器的灵敏度为0.116 nm / kPa。然而,大多数这些光纤光栅压力传感器的测量范围的限制和操作温度。上述传感器的测量范围内25 MPa,和所需的温度是15°50°C (15- - - - - -18]。显然不能满足需求的压力监测抛射体在加热(工作温度:300°C,压力范围:50 MPa)。此外,这些传感器的高灵敏度是通过材料与橡胶和铝等低弹性模量(3,4,9,15- - - - - -17]。这些传感器将不可避免地受到损害,如果应用于弹药系统的安全和环境适应性。由于这些原因,有必要研究和高温压力传感器和压力。

在这里,我们设计和现在的光纤光栅压力传感器具有高的温度和压力。在我们之前的工作中,该研究小组进行的研究高压固体压力传感器的光纤布喇格光栅(19]。在这个设计中,提高传感器的灵敏度完全通过的设计结构。当压力传感器模型的垂直于这个平面加载,结构可以将压力转换成两个X方向变形的两个固定的列。在Y和Z方向,两个固定列有相同的变形和相对变化。当光栅粘贴两个固定列,压力的变化只产生轴向应变没有径向应变。可以看出图1 (a) 3 (a)的支持信息(可用)。为了满足正常的工作需求在300°C下,我们已经意识到理想的测量效果,我们使用了光栅(极限温度400°C)是刻在SMF-28e光纤涂有聚酰亚胺。传感器结构,适用于高温、高压环境,提出了光纤光栅温度高和耐压传感器。在高温环境中,外部金属包装将扩大变形,导致光栅信号波动和严重的压力测量误差;因此,温度补偿是必要的。 In this paper, the deformation data of the sensor outer package under different pressure at ambient temperature, the load-free at different temperatures, and the load of 50 MPa pressure are simulated, respectively; 100~300°C of the transducer housing under the above conditions are obtained, and a reasonable temperature compensation method is obtained. By using the method of temperature compensation, the measurement of the sensor’s relative error is below 0.836%, and the range 50 MPa is realized under the environment of 300°C, all of which satisfy the requirement of the security research of the ammunition system.

2。工作原理及传感器结构设计

光纤光栅是一种光学波长调制组件。当一束宽带光波入射光纤光栅,波长的光学波满足布拉格方程调制后由布拉格光栅布拉格光栅耦合到逆传输模式(20.布拉格方程的布拉格反射波)和形式:

在(1),光栅的音高和吗光纤光栅的有效折射率。这两个和改变由于外部世界的影响(温度、应变、压力等),导致光纤光栅反射波长的移动。光纤光栅的中心反射波长是受温度和压力的影响。波长之间的关系变化,轴向应变变化和温度变化的响应(21,22)是:

在(2),是初始波长的光纤光栅,热膨胀系数,是thermo-optical系数,是有效的光弹性系数。室内温度的有效光弹性系数是0.22。

露出光栅的压力灵敏度低,很容易折断,非承压的。因此,它不适合传统的测量。我们必须封装,以达到压力敏感性和耐压力的目的23- - - - - -25]。根据固体力学和当前研究的结果匹配错误的固体传感器(14),如果传感器被设计成蛋糕的形状,它可以获得理想的测试值。设计、光纤光栅压力传感器与耐高温设计采用光纤光栅与耐高温的表面涂有耐热材料的基础上,传统的光纤光栅传感器的封装结构。传感器的封装结构图如图1。

固体的光纤光栅压力传感器是由承压膜,传感器外壳,不锈钢上盖。所有这三个组件是由相同的衬底材料。的承压膜是由圆形弹性膜和固定列。固定列和弹性膜以及传感器外壳是由整体的处理,以减少应力集中或应力不均匀性问题。传感器外壳和SS盖采用螺纹连接。的承压部分采用弹性膜的弹性分量传感器和两个对称固定列用于固定两端感应光纤布喇格光栅1 (FBG1)。圆形弹性膜的弹性形变固体压力转换成可测量的光纤光栅应变。FBG2温度补偿光栅。只有受温度影响但不受到外壳的形状变化的影响。用于实现温度补偿。 Diameter传感器是选为120毫米的墙的厚度是15毫米,间距两个固定的中心观点是40毫米,直径固定列是10毫米,高度固定列是10毫米。当外力作用于承压膜,膜表现小挠度变形,两个固定柱之间的距离拉大。我们把光栅,测量反射信号的变化,进一步获得外加负载信息。因此,研究温度和压力的影响传感器外壳的重点是研究固定列之间的距离的变化由于这些因素。有两个影响因素变化的距离这两个固定列:(1)的水平位移的膜固定列(x设在位移)和(2)固定列的水平投影(定向比例z设在变形)。这两个因素决定的距离变化的叠加两个固定的列。根据传感器外壳结构,众所周知:(3)

3所示。压力测试和温度补偿

3.1。在正常温度下抗压结构分析

获取传感器外壳的变形分布在不同的压力下,本文使用有限元方法模拟加载(ANSYS15)。一个弹性材料制成的304 #不锈钢用于参数模拟如下:杨氏模量 ,泊松比 ,加载50 MPa的压力。仿真结果如图2- - - - - -5,图2总变形图50 MPa压力传感器模型的数据吗3,4,5分别的方向变形是X, Y, Z方向的分布在50 MPa压力传感器模型。

根据上面的图中,可以看出,施加压力后,膜产生向下的小挠度变形。两个对称固定列相对于原点的壁膜的内部直径y = 0。两个固定列对称相对于原点,所以位移z设在是相同的,位移方向y设在相反,位移方向x设在是相反的。通过这种方式,两端的光纤光栅被固定的列,光纤光栅的径向形变消除,只有轴向的形状变化x设在方向)。

添加两个固定列之后,如果模拟参数和添加负载不变,内部传感器模型的变形图如图6和7。图6传感器内部的整体变形图。图7显示内部X方向的变形分布的传感器。

根据图7可以看到,两个固定列的变形x设在最引人注目的,方向是相反的。固定两端的光纤光栅两个固定列上可以使传感器获得最大灵敏度。

通过两个固定直径列在图8选择的路径。每个点的变形分布在这条路的压力下50 MPa如图8。在两个固定变形数据列在不同载荷如表1所示。

从上面的表可以看出,中央点之间的外部负载是线性的两个固定列,和光栅的两端可以连着固定列检测外部负载。外部压力两个固定列之间的距离成正比,和的关系是:

在公式(4),外部压力和吗是两个固定列之间的距离的变化。代入公式(3)到公式(4),我们得到:

代入数据表1,我们得到 。

3.2。温度变化对压力测试的影响和温度补偿方法

3.2.1之上。结构在不同的温度和变形的影响

外部的传感器模型模拟在不同温度下没有任何负载应用。参数模拟如下:导热 °C,线性膨胀系数 °C,杨氏模量 和泊松比 。传感器模型的变形在300°C环境下没有压力如图9。

压膜通过两个固定列的直径和路径选择。在不同的温度下没有压力,变形数据x设在两个固定列和z膜的中心设在表所示2。

从表2在高温下,我们可以看到,传感器外壳加热和扩大,这将导致光栅反射波长变化和导致压力测量的误差。必须采用有效的温度补偿来抵消温度的影响。

3.2.2。温度补偿方法

将上述模型50 MPa的压力下在300°C, 304 #钢材料。以下参数被用来模拟:导热系数16.2和线性膨胀系数17.3,杨氏模量 和泊松比 。仿真的结果如图10。

两个固定列的直径压膜和路径选择。每个点的变形数据应用之前和之后这条道路在300°C 50 MPa负载比较数据11和12。图11显示了x设在变形数据,和图12的变形数据吗z设在方向。

在数据11和12,红色,黑色,蓝色,粉色曲线上每一点的变形分布路径在不同环境。红色的是没有压力在300°C环境下。黑色是在300°C环境和50 MPa的压力。蓝色显示之间的差异在300°C环境下有50 MPa的压力,没有压力。粉色曲线是在室温下与50 MPa的压力。从数据可以看出11和12,蓝色的曲线和粉色曲线几乎重合;因此,它表明,相同的压力在不同温度下的变形是一致的,和变形是由于温度和压力的线性叠加。我们可以采用信号变化引起的热变形后在任何负载使用被测信号减去相应的温度。即信号变化引起的压力和高温时的变形引起的压力几乎是完全相同的变形引起的相同的压力在正常温度和错误率低于0.1%。因此,正常体温接近形成高温变形。

两个固定列的直径作为路径。变形数据在两个固定列在不同的温度下,变形数据在相应的温度下应用50 MPa负载后,应用后,在正常温度下50 MPa比较表3。

根据表3,结果表明,变形差异在不同温度后应用50 MPa压力和应用空载和变形是一致的在正常温度后应用50 MPa的压力。在实际的测试中,光纤光栅波长变化在高温下染色包括波长变化引发的温度对光纤光栅的影响,热变形,和压力:(a)一个传感器放在恒温器来测试波长变化(b)在不同温度下没有负载。温度补偿光学光栅FBG2,由于温度的影响,波长变化 。通过温度补偿光纤光栅的波长变化,看到过的温度传感器 。根据 ,我们得到一个相应的 ,压力在当前温度:

在公式(6),传感器的压力加载,是测量光栅波长变化的压力敏感,是pressure-wavelength系数在正常温度,是温度补偿光纤光栅的波长变化,温度补偿光栅的温度系数,是压敏光栅的温度系数。这些参数可以通过实验测量。通过这种方式,压力在高温测量。

3.3。实验校准

3.3.1。温度实验

传感器是放入试验箱的温度。制备实验的一部分:传感器加热20°C到300°C,然后从300°C自然气温下降到20°C。实验进行了三次。然后,光纤光栅传感器的输出的压力敏感,温度补偿光纤光栅被记录,当温度从100°C到300°C,相同时间间隔20°C。在这个过程中,每个温度点为2小时应该保持不变。同样,压力敏感的输出光纤光栅温度补偿光纤光栅记录和1 h温度保持在每个温度点。把输出的平均值由温度变化引起的积极和逆范围作为验证值进行数据分析和处理。光栅传感器的压力敏感的敏感性FBG1和温度补偿光栅FBG2温度响应。温度响应曲线如图3。使用+ 20°C作为参考,中心波长的漂移特性曲线关系的压力敏感的光栅(FBG1)温度补偿零压力负载和温度可以达到通过公式的过程(6),如图13。

3.3.2。温度和压力交叉实验

高温压力传感器被放置在一个炉和测试在100°C, 150°C, 200°C, 250°C,分别和300°C。的pressure-wavelength数据传感器在不同温度点记录,和曲线(图所示14)。

4所示。结论

满足安全的要求和适应性检测筒系统,提出了一种传感器结构适用于高温高压的环境。在ANSYS仿真模式,揭示传感器在高温下的变形特点,提出了相应的温度补偿方法,验证了仿真结果的正确性,原型的开发。在本文中,提出了相应的温度补偿方法,验证了仿真结果的正确性由原型的开发。使用这种方法,在50 MPa压力范围和300°C的环境,相对的f.s.最大误差仅为4.6%。,可以大大提高测试数据的准确性。因此,该方法是非常值得推广。它提高了测试数据的准确性很大程度上和具有较高的推广价值。发达传感器可以更广泛地应用在各种高温、高压等面积测量场合易燃和可燃,电磁干扰,和强大的武器和炸药等辐射压力的监控。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国自然科学基金会(没有。11604304),山西省科技项目(201603 d121006-1),山西大学科技创新项目(没有。201657),研究资助项目返回来自山西的学生(2016 - 084),和忻州师范大学科学研究基金项目(201719)。这项研究是在科学和技术进行电子测试与测量实验室在北中国大学重点实验室仪器科学与动态测量,在北中国的大学,教育部和山西省的计量学院。

补充材料

辅料包含加压和加热的模拟传感器的模型。50 MPa_normal温度仿真模型是加压时50 MPa在室温环境中。300 t_no负载模型的仿真分析没有压力在300°C, t - 50 300 MPa的仿真分析模型应用50 MPa的压力在300°C。(补充材料)