一种光纤F-P型高温压力传感器的测试装置的制作方法

一种光纤f-p型高温压力传感器的测试装置
技术领域
1.本发明属于光纤传感领域，涉及一种在高温高压条件下光纤f-p型传感器的测试装置。


背景技术：

2.随着我国经济实力不断进步，综合国力不断提高，高温环境下的压力测量在军事、航空航天、汽车行业、冶金化工等领域内的需求也在不断增加。比如在汽车引擎燃烧室内部，温度通常能够达到600℃以上；燃烧室内的高温所产生的高压是导致燃烧不稳定的重要原因，燃烧不稳定轻则会影响发动机性能，重则可能会导致严重的事故，因此对这些燃烧室内部压力的在线测量具有重要意义。此外在冶金化工领域，制氢转化炉的炉管最高设计温度为 900℃，压强达3.4mpa。诸如此类工业应用都需要能耐高温高压的传感测试仪器。
3.基于上述这种高温环境下的压力直接测量的需求，目前已研发了多种类型压力传感器，其中压阻/压电式、微波谐振式等压力传感器存在高温下电信号传输与提取的问题；而光纤传感器因其具备不受电磁干扰、测量精度高、抗高温、耐腐蚀等诸多优点成为研究热点，特别是光纤f-p型压力传感器，以其物理结构简单可靠、尺寸极小等优势，特别适合在高温高压、腐蚀、辐射等恶劣环境中工作。
4.然而，当前针对高温环境下的光纤f-p型压力传感器的测试装置和系数标定方法的研究工作较少，且都存在一些明显的缺陷。比如传感器与测试装置的接口，多是采用高温密封胶固定，存在不易拆卸，容易损坏传感器等问题；此外在高温压力系数标定方面，目前尚无相关规范，而且容易忽视光纤 f-p腔温度压力交叉敏感的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有高温条件下光纤f-p型压力传感器的测试和系数标定的问题，提出了一种光纤f-p型高温压力传感器的测试装置。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种光纤f-p型高温压力传感器的测试装置，其特征在于：所述测试装置包括信号处理装置、高温炉和气压泵，所述高温炉通过连接钢管与气压泵连接，连接钢管一端从高温炉的一侧伸入高温炉的加热炉膛内，另一端与气压泵的气压输出接口密封接通，并在连接钢管上设有第一压力表和直通球阀；待测光纤f-p型高温压力传感器的检测端从高温炉的另一侧伸入置于高温炉加热炉膛的连接钢管内，并通过连接接口与连接钢管的端口密封连接，待测光纤f-p型高温压力传感器的敏感点置于高温炉加热炉膛的加热区，尾纤端伸出高温炉并与信号处理装置的光信号输入端连接；所述连接钢管的第一压力表与信号处理装置的电信号连接。
7.本实用新型进一步的技术方案：所述信号处理装置包括光纤解调模块、工控机及压力采集模块；所述待测光纤f-p型高温压力传感器的尾纤通过光连接头与光纤解调模块的光信号输入端连接；光纤解调模块用于采集压力引起的传感器f-p腔长改变引起的光谱变化信号并将其输出至工控机，工控机进行上位机软件处理并将光纤压力结果显示；所述
压力采集模块用于读取第一压力表上的电压压力信号并输入至工控机，工控机进行信号处理和参考压力值显示。
8.本实用新型进一步的技术方案：所述测试装置还包括光纤温度传感器，所述光纤温度传感器用于测量高温炉内的温度；光纤温度传感器在对待测光纤f-p型高温压力传感器进行温度标定和高温高压同时标定时，与待测光纤 f-p型高温压力传感器捆扎在一起水平放置在高温炉的加热炉膛内，光纤温度传感器和待测光纤f-p型高温压力传感器的敏感点均置于高温炉的加热区；光纤温度传感器和待测光纤f-p型高温压力传感器均通过直通接口与连接钢管拧紧密封连接，两个传感器的尾纤均通过光纤接头与信号处理装置的信号输入端连接。
9.本实用新型较优的技术方案：所述高温炉用于提供热源，其最高温度达到1000℃；高温炉内设有水平布置的加热炉膛，在加热炉膛的内壁设有保温层，加热炉膛的进口端和出口端分别设有带通孔的炉塞，并在通孔部位设有石英管，所述石英管的内径与连接钢管的外径相匹配；所述连接钢管从加热炉膛的进口端伸入，其端部穿过加热炉膛伸出加热炉膛的出口端；所述连接接口为直通接头，待测光纤f-p型高温压力传感器插入直通接头内，并通过直通接头与连接钢管伸出加热炉膛出口端的端口密封连接，且连接后的待测光纤f-p型高温压力传感器的敏感点置于高温炉的加热区。
10.本实用新型较优的技术方案：所述第一压力表为数字压力表；第一压力表通过三通接口设置在临近高温炉的位置，用于测量及显示高温炉内的参考气压，在三通接口与高温炉直接的连接钢管上设有泄压阀，用于构建连接管内安全的压力边界；所述直通球阀设置在三通接口与气压泵的气压输出接口之间。
11.本实用新型较优的技术方案：所述连接钢管通过橡胶软管与气压泵的气压输出接口连接，位于高温炉与气压泵之间的连接钢管通过铁架台支撑，在气压泵上设有第二压力表。
12.本实用新型较优的技术方案：所述气压泵包括手压泵、二次加压泵、回检阀和两个压力输出接口组成，所述手压泵起预压作用，二次加压泵为调压阀，控制压力大小，回检阀为快速泄压阀；两个压力输出接口均为螺纹接口，分别用于与连接钢管和第二压力表连接，所述第二压力表为指针压力表。
13.本实用新型的测试装置包括压力信号处理模块、高温加热模块、连接装置模块和加压装置模块；压力信号处理模块包括解调仪、电脑、及压力采集仪。解调仪用于采集压力变化引起的f-p腔长改变进而引起的光谱变化，电脑用于光谱变化转化为压力值的运算及结果显示，压力采集仪用于采集参考压力计上的压力值并输入电脑显示。高温加热模块包括高温炉、炉膛及保温层、石英管和炉塞，高温炉最高温度可达1000℃；所述炉膛及保温层由陶瓷纤维材料压制而成，起到保温和隔热作用；所述石英管可根据炉膛的结构设计，更换不同规格尺寸；所述炉塞由保温陶瓷制成。所述连接装置模块包括钢管、泄压阀、三通接口、数字压力表、直通球阀、铁架台及橡胶软管，所述泄压阀为安全保障装置，防止压力过大引起的危险；所述三通接口用来接入数字压力表；所述数字压力表为标准参考压力变送器，用于测量及显示高温炉内气压；所述直通球阀用于将整个管道内气压分成两部分，一部分是高温炉内气压，另一部分是气压泵的气压；所述铁架台用于固定管道；所述橡胶软管用于调整整个管道与后端气压泵之间的连接。所述加压装置模块包括气压泵、指针压力表及气压
输出接口，所述气气压泵由手压泵、二次加压泵、回检阀和压力输出接口组成，手压泵起预压作用，二次加压泵为调压阀，回检阀为快速泄压阀，拧开此阀门压力可快速回零，加压时需拧紧；所述指针压力表用来测量气压泵部分的压力，为低精度压力表；所述气压输出接口由两个m20*1.5的内螺纹组成，分别连接橡胶软管和指针压力表。
14.本实用新型整体搭建方便，操作简单，有效的解决了在高温条件下压力传感器标定的难点。
附图说明
15.图1是本实用新型测试装置的结构示意图；
16.图2是本实用新型的传感器与高温炉连接部位放大示意图；
17.图3是本实用新型的高温炉结构示意图；
18.图4是本实用新型的连接接口结构示意图；
19.图5是实施例中压力灵敏度系数与温度关系图。
20.图中：1—压力信号处理模块，100—工控机，101—光纤解调模块，102 —压力采集模块，2—光纤温度传感器，3—待测光纤f-p型高温压力传感器， 4—连接钢管，5—高温炉，500—加热炉膛，501—保温层，502—炉塞，503 —石英管，6—三通接口，7—第一压力表，8—铁架台，9—直通球阀，10—橡胶软管，11—气压泵，12—指针压力表，13—气压输出接口，14—连接接口，15—泄压阀。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。附图1至图5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.实施例中提供的一种光纤f-p型高温压力传感器的测试装置，如图1所示，包括信号处理装置1、高温炉5和气压泵11，所述高温炉5通过连接钢管4与气压泵11连接，另一端通过橡胶软管10与气压泵11的气压输出接口 13密封接通，在连接钢管4上从高温炉5端朝向气压泵11端依次设有泄压阀 15、三通接口6和直通球阀9，三通接口6连接有第一压力表7，气压泵11 上设有第二压力表12，所述第一压力表7为数字压力表，第二压力表12为指针压力表7；第一压力表7用于测量及显示高温炉5内的参考气压，所述泄压阀15是为了在直通球阀关闭，由于误操作引起的高温炉内气压增大时，可以自动泄压，位于高温炉5与气压泵11之间的连接钢管4通过铁架台8支撑。本实用新型进行测量时，将单独的光纤f-p型高温压力
传感器或捆扎在一起的光纤温度传感器和光纤f-p型高温压力传感器水平放置在高温炉5中，敏感点置于高温炉5的加热区中，传感器尾端通过直通接口与连接钢管4连接拧紧密封，再将传感器跳线头接入解调仪101，并在电脑102上显示光谱。将连接钢管4另一端连接三通接口6，三通接口6上接数字压力表，另一接口接入直通球阀；三通接口6与直通球阀9之间用一个铁架台8固定支撑；最后三通球阀9通过橡胶软管10与气压泵11相连，完成测试装置的搭建。光纤温度传感器2用于测量高温炉5内的温度，在对光纤f-p型高温压力传感器进行温度标定和高温高压同时标定时，与光纤f-p型高温压力传感器捆扎在一起水平放置在高温炉5的加热炉膛500内。
24.实施例中的光纤f-p型高温压力传感器的测试装置，如图3所示，所述高温炉5用于提供热源，其最高温度达到1000℃；高温炉5内设有水平布置的加热炉膛500，在加热炉膛500的内壁设有陶瓷材料的保温层501，加热炉膛500的进口端和出口端分别设有带通孔的炉塞502，并在通孔部位设有石英管503，所述石英管503的内径与连接钢管4的外径相匹配；所述连接钢管4 从高温炉5的一侧的进口端水平伸入加热炉膛500内，其端部穿过加热炉膛 500伸出加热炉膛的出口端；待测光纤f-p型高温压力传感器3从加热炉膛 500的出口端伸入连接钢管4内，并通过直通式连接接口14与连接钢管4的端口密封连接，且连接后的待测光纤f-p型高温压力传感器3的敏感点置于高温炉5的加热区。待测光纤f-p型高温压力传感器3的尾纤端伸出高温炉5 并与信号处理装置1的信号输入端连接。
25.实施例中的光纤f-p型高温压力传感器的测试装置，如图1所示，所述信号处理装置1包括光纤解调模块101、工控机100及压力采集模块102；所述待测光纤f-p型高温压力传感器3的尾纤通过光连接头与光纤解调模块101 的光信号输入端连接；光纤解调模块101用于采集压力引起的传感器f-p腔长改变引起的光谱变化信号并将其输出至工控机100，工控机100进行上位机软件处理并将光纤压力结果显示；所述压力采集模块102用于读取第一压力表7上的电压压力信号并输入至工控机100，工控机100进行信号处理和参考压力值显示。
26.实施例中的光纤f-p型高温压力传感器的测试装置的气压泵11包括手压泵、二次加压泵、回检阀和两个压力输出接口组成，所述手压泵起预压作用，二次加压泵为调压阀，控制压力大小，回检阀为快速泄压阀，拧开此阀门压力可快速回零，加压时需拧紧，用于构建连接管内安全的压力边界；两个压力输出接口均为螺纹接口，分别用于与橡胶软管10和第二压力表12连接，第二压力表12用来测量气压泵部分的压力。
27.上述实施例中的光纤温度传感器2采用光纤光栅型温度传感器，待测光纤f-p型高温压力传感器3采用f-p原理制作而成，连接钢管4选用不锈钢 316材料，外径8mm的金属管；高温炉5选用管式加热炉，最高温度1000℃；炉膛及保护层501采用陶瓷纤维材料压制而成，其内径为150mm，外径200mm，长度为400mm；所述炉塞502采用保温陶瓷制成；其内径为20mm，外径50mm，长度为80mm；石英管503是石英材料，内径为10mm，外径为18mm，长度为40mm；第一用压力表7采用数字压力表，为标准参考压力变送器，其量程为0～25mpa，精度等级为0.1；直通球阀9为q91sa仿美直通面板式球阀；橡胶软管10为5035ft单管；气压泵11为zc-ybs-系列，zc-400气压泵，其量程为0～6mpa，精度等级为0.1，介质为空气；第二压力表12为型号为 y-100径向压力的低精度指针压力表，气压输出接口13由两个m20*1.5的内螺纹组成，连接接口14为ф3-ф8卡套式直通接口。
28.本实用新型在进行光纤f-p型高温压力传感器的系数标定方法如下：
29.(一)、将封装好的待测光纤f-p型高温压力传感器3在恒温50℃条件下使用气压泵11进行压力标定，标定过程如下：
30.1)将设备放置于水平位置，卸下压力输出接口13丝堵；
31.2)将指针压力表接在气压泵11的其中一个压力输出接口上，另一个压力输出接口13处连接橡胶软管10；
32.3)旋转气压泵11的调压阀直至压力降至最低，检定第二压力表7的零点，记录数据；
33.4)然后关闭气压泵11的回检阀，反复抬起和按下气压泵11的手压泵，将压力升至1.2mpa左右，停止加压；
34.5)然后将气压泵11的调压阀旋紧，达到0.5mpa；关闭直通球阀9，直到第二压力表7显示压力稳定，记录数据；
35.6)继续加压直到第一压力表12数据略大于第二压力表7，打开直通球阀 9，继续加压，达到1mpa；
36.7)重复操作步骤(5)、(6)每次升压0.5mpa，使压力达到5mpa，稳定标定后准备降压；
37.8)通过松气压泵11的调压阀(也可以使用气压泵11的回检阀)将压力值降到4.5mpa，关闭直通球阀9，待到第二压力表7压力值稳定后，即可记录数据；
38.9)重复操作步骤(8)，每次降压0.5mpa，直到压力值降为零；最后拧开气压泵11的回检阀，彻底释放掉压力，记录数据拆下被检表。
39.(二)压力标定数据处理：将标定的数据用matlab拟合成一条灵敏度曲线，曲线的横坐标为压强p，纵坐标为波长变化量δλ。并得出δλ与p的关系式，经计算δλ与p为一次线性关系，比例系数k为压力灵敏度。
40.(三)温度标定：将光纤温度传感器2与待测光纤f-p型高温压力传感器 3一起放入高温炉5中，在常压条件下进行标定，具体过程如下：
41.1)将待测光纤f-p型高温压力传感器3的感压点与光纤温度传感器2的感温点用金属丝绑在一起固定住，放在高温炉5的加热区中，并且两端用铁架台8固定；
42.2)设置高温炉5的程序，将温度升至在50℃，保温一个小时，待光谱稳定后记录光栅中心波长值；继续升温至100℃，保温一个小时，待稳定后记录光栅中心波长值；重复以上步骤直到温度升至350℃完成标定。
43.(四)温度标定数据处理：将标定的数据用matlab拟合成一条灵敏度曲线，曲线的横坐标为温度t，纵坐标为波长变化量δλ。并得出δλ与t的关系式，经计算δλ与t为一次线性关系，比例系数k为温度灵敏度。
44.(五)高温高压同时标定：将待测光纤f-p型高温压力传感器3放入高温炉5中，并且接入气压泵11，具体过程如下：
45.1)检查设备密封性，查看各个接口是否漏气；
46.2)先将步骤(二)和(四)得出的压力灵敏度和温度灵敏度公式导入labview 软件中；
47.3)将高温5炉升温至300℃，温度稳定后测得电脑显示压力值为零，使用气压泵11进行加压，加压步骤同步骤(二)，待气体温度稳定后标定。
48.(六)重复步骤(五)，在350℃的条件下加压测试。
49.(七)利用步骤(五)、(六)得出高温条件下的压力灵敏度曲线。
50.(八)测试得出压力灵敏度系数与温度关系如图5所示。
51.(九)利用压力灵敏度系数与温度关系，就可以得出在测试过程中温度引起的f-p光谱的波长变化量，从而得出压力引起的f-p光谱的波长变化量，继而在高温环境中测出压力值。
52.综上所述，本实用新型列举了一个实施例，但本实用新型不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本发明的技术效果，都应属于本实用新型保护的范围。