基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器

1.本发明涉及压力传感、以及光纤传感技术领域。


背景技术：

2.在化纤、纺丝、聚酯、塑料等高分子聚合物加工过程中，需要用到高温熔体压力监测技术。它是通过对高分子熔体在型腔内的压力进行实时监测并记录高温熔体压力曲线对生产过程中的熔体变化进行分析的先进测量技术。高温熔体压力监测技术不同于以往传统的、被动的结果监控，而是对实际过程参数的监控。借助高温熔体压力传感器，工程师可以方便地了解塑料熔体在填充阶段、保压阶段和冷却阶段的物理状态变化信息。通过监测所得的压力曲线以及熔体温度数据，判断工艺参数设置，对于减少次品率降低原料消耗、保证重复生产提高生产效率降低生产成本具有重大的经济效益。
3.现有的高温熔体压力传感器几乎都是电子式的，由于传统电子式高温熔体压力传感器易受电磁干扰，且传感器内部充液态水银用于传递压力，水银有毒性不环保，敏感单元为电子应变片耐久性差使用寿命短。而光纤由于其体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等特点适合于高温恶劣环境中物理量的测量；其中，光纤f-p压力传感技术由于具有精度高、结构简单、易于加工等优点引起广泛研究。2017年武汉理工大学申请的公开号为：cn107314841a，主题名称为：一种膜片式光纤法布里—珀罗压力传感器；该传感器弹性膜片与壳体螺纹通过螺纹胶密封，插芯与壳体以及紧固件之间的连接均通过胶粘方式实现，且没有温度补偿措施在高温环境中胶体及传感器金属材料膨胀，给f-p腔压力测量带来较大误差。2012年，天津大学申请的公开号为：cn 102721492a，主题名称为：具有光纤光栅温度补偿的光纤法珀压力传感器，通过双芯玻璃结构在f-p腔靠近高温区位置并联一根光纤光栅测量环境温度，消除温度变化对传感器压力测量的影响。但该传感器前端采用平膜片结构由于光源均为激光出射后以高斯光束的形式在腔内多次反射，造成光束展宽耦合回光纤的能量损耗大，条纹精度不高；且该传感器压力量程仅为70kpa，温度范围10-70℃不满足高温熔体压力的测量需求。因此，由以上可知目前光纤f-p压力传感器存在的压力量程小、温度范围小、灵敏度低及信号光能量损耗大的缺点，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有的光纤f-p压力传感器存在的压力量程小、温度范围小、灵敏度低及信号光能量损耗大的问题；本发明提供了一种基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器。其中，f-p压力传感器中f-p的英文全称为(fabry
–
perot)，中文翻译为(法布里-珀罗)。
5.基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，包括硬芯膜片、力学传递金属件、光纤、金属壳体、尾纤保护件、尾纤防护罩、弹性套筒和光学平凹腔；
6.光纤上的温补光纤光栅，用于进行温度补偿；
7.金属壳体内具有贯穿其首端和引出端的存放腔，光纤设置在金属壳体的存放腔
内，并从金属壳体的引出端引出；
8.力学传递金属件嵌入在金属壳体首端的存放腔，硬芯膜片罩在力学传递金属件上，并固定在金属壳体的首端外壁上；力学传递金属件首端面与硬芯膜片的硬芯接触；
9.尾纤保护件旋拧在金属壳体的引出端的存放腔内，尾纤防护罩罩在尾纤保护件上，且光纤的末端依次穿过尾纤保护件和尾纤防护罩引出，且光纤与尾纤保护件间固定连接；
10.光学平凹腔位于弹性套筒内，弹性套筒位于金属壳体的存放腔内；弹性套筒的一个端面与力学传递金属件的末端面接触；
11.硬芯膜片的形变产生的力通过力学传递金属件传递至弹性套筒和光学平凹腔，改变光学平凹腔在水平方向上的腔体长度，同时，通过光纤出射的激光对改变腔体长度后的光学平凹腔进行探测，经光学平凹腔反射后的激光通过光纤输出。
12.优选的是，光学平凹腔由凹面反射镜的凹状反射面和陶瓷插芯的竖直感光平面间的腔体构成，凹面反射镜和陶瓷插芯同轴、且相对设置；
13.弹性套筒套在凹面反射镜和陶瓷插芯外，凹面反射镜和陶瓷插芯依次沿金属壳体的首端至引出端方向上设置，其中，陶瓷插芯的固定端固定在存放腔内，光纤的首端设置在陶瓷插芯内，且温补光纤光栅靠近陶瓷插芯；
14.凹面反射镜的固定端固定在力学传递金属件上，弹性套筒分别与凹面反射镜和陶瓷插芯之间均存在间隙。
15.优选的是，基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，还包括尾纤紧固件；
16.尾纤紧固件设置在存放腔的腔体尾部；
17.尾纤紧固件用于对穿过其内的光纤进行紧固。
18.优选的是，基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，还包括准直套筒；
19.准直套筒与弹性套筒同轴，并位于弹性套筒内、且二者间存在间隙；
20.准直套筒套设在凹面反射镜和陶瓷插芯外，用于对凹面反射镜和陶瓷插芯进行准直。
21.优选的是，金属壳体的首端外壁上还设有外螺纹；
22.外螺纹用于与外设模具螺纹连接；
23.金属壳体的引出端外壁上还设有外六方结构；
24.外六方结构用于与扳手配套使用。
25.优选的是，力学传递金属件的末端面设有凹槽，凹面反射镜的固定端通过激光焊接技术嵌固在凹槽内。
26.优选的是，陶瓷插芯通过cu基焊料与金属壳体钎焊固定。
27.优选的是，光纤上的温补光纤光栅可由再生光纤光栅、镀金光纤光栅或飞秒激光刻写光纤光栅进行制作。
28.优选的是，凹面反射镜采用陶瓷或金属材料抛光制成；
29.硬芯膜片的硬芯和金属壳体采用钢p20材料制成。
30.优选的是，尾纤紧固件与金属壳体通过焊接方式进行固定。
31.原理分析：
32.本发明通过独立的凹面反射镜与陶瓷插芯构成光学平凹腔，并通过准直套筒进行
支撑及同轴对准，由于力学传递金属件首端面与硬芯膜片的硬芯接触，力学传递金属件的末端面与弹性套筒的一个端面接触，当外界压力作用硬芯膜片时，硬芯膜片会将压力进行传递进而压缩弹性套筒使光学平凹腔的腔长发生变化。将光纤的尾端连接至光纤光栅解调仪，对干涉光谱进行解调即可获得熔体的压力信息，同时，还可以查看温补光纤光栅中心波长的变化，进行温度测量，消除温度变化引起的压力串扰。
33.本发明带来的有益效果是：
34.本发明提出了一种基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，采用光学平凹腔结构减小激光光束传输过程中的衍射损耗，提高光谱的精细度提高测量精度，同时采取有效封装结构通过由形变产生的力传递对高温熔体进行宽压力范围测量，并结合光纤上的温补光纤光栅进行实时温度补偿，消除温度、压力串扰，进一步提高压力传感器的测量精度。
35.本发明基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，采用耐高温的光纤结构，不受电磁干扰，光纤耐高温，传感精度高，且内部集成温补光纤光栅进行温度补偿，本发明基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器可进行高温和大压力双参量测量，现有光纤传感技术并不能达到。
36.传统光纤f-p压力传感器比较常见，多为小压力几十mpa就是上限，压力基本达到材料的极限；而本发明可测量大压力，压力可达几百mpa，可测量压力上限不但高，而且可测量温度上限同样高，上限可达400℃，本发明设计的弹性套筒以及硬芯膜片力学传递金属件、及各部件间的配合关系，通过力的传递实现大压力范围的测量，都是传统的光纤f-p压力传感器所没有的，而且本发明可实现高精细度的干涉条纹，具有普通传统的光纤f-p压力传感器达不到的测量灵敏度，本发明适用于苛刻的大压力和高温度工况下进行压力和温度采集，压力测量量程为0-250mpa，测量精度为
±
0.5％fs，使用温度为0-300℃，该使用温度300℃是高温熔体压力测试的工况，本技术的测量能力400℃涵盖高温熔体压力的300℃的使用范围，有抗过载的空间；因此，对高温熔体压力测试是非常有意义。
37.本发明还有如下优点：
38.1、使用光学平凹腔代替传统导压液体进行全光测量具有绿色环保、健康安全的优点。
39.2、本传感器采用全光结构、无电磁干扰输出信号稳定。
40.3、光学平凹腔比传统法布里珀罗腔衍射损耗小、具有更高的品质因数，以及更窄线宽，可实现高精度实时动态测量。
41.4、凹面反射镜为凹面镜，使用可加工陶瓷材料及金属材料制作凹面镜，保证传感器可重复生产。
42.5、本传感器使用准直套筒对凹面反射镜和陶瓷插芯进行对准，大大简化了传统光纤法布里珀罗腔的装配难度，便于加工组装。
43.6、选用硬芯膜片结构，其硬芯在压力作用下平行运动，更有利于光学平凹腔的稳定。
44.7、使用温补光纤光栅测量模具腔内熔体温度，可消除传感器材料热膨胀引起的误差。
附图说明
45.图1为本发明所述基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器的结构示意图；
46.图2为本发明所述基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器的剖面结构示意图；
47.图3为解调系统的原理示意图；
48.图4为本发明基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器的工作原理流程图；
49.图5为硬芯膜片1的结构图；
50.图6为高斯光束在光学平凹腔内传输的示意图。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
53.实施例1：
54.参见图1和图2说明本实施例1，本实施例1所述的基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，包括硬芯膜片1、力学传递金属件2、光纤3、金属壳体4、尾纤保护件5、尾纤防护罩6、弹性套筒9和光学平凹腔；
55.光纤3上的温补光纤光栅3-1，用于进行温度补偿；
56.金属壳体4内具有贯穿其首端和引出端的存放腔，光纤3设置在金属壳体4的存放腔内，并从金属壳体4的引出端引出；
57.力学传递金属件2嵌入在金属壳体4首端的存放腔，硬芯膜片1罩在力学传递金属件2上，并固定在金属壳体4的首端外壁上；力学传递金属件2首端面与硬芯膜片1的硬芯接触；
58.尾纤保护件5旋拧在金属壳体4的引出端的存放腔内，尾纤防护罩6罩在尾纤保护件5上，且光纤3的末端依次穿过尾纤保护件5和尾纤防护罩6引出，且光纤3与尾纤保护件5间固定连接；
59.光学平凹腔位于弹性套筒9内，弹性套筒9位于金属壳体4的存放腔内；弹性套筒9的一个端面与力学传递金属件2的末端面接触；
60.硬芯膜片1的形变产生的力通过力学传递金属件2传递至弹性套筒9和光学平凹腔，改变光学平凹腔在水平方向上的腔体长度，同时，通过光纤3出射的激光对改变腔体长度后的光学平凹腔进行探测，经光学平凹腔反射后的激光通过光纤3输出。
61.进一步的，光学平凹腔由凹面反射镜7的凹状反射面和陶瓷插芯8的竖直感光平面间的腔体构成，凹面反射镜7和陶瓷插芯8同轴、且相对设置；
62.弹性套筒9套在凹面反射镜7和陶瓷插芯8外，凹面反射镜7和陶瓷插芯8依次沿金属壳体4的首端至引出端方向上设置，其中，陶瓷插芯8的固定端固定在存放腔内，光纤3的首端设置在陶瓷插芯8内，且温补光纤光栅3-1靠近陶瓷插芯8；
63.凹面反射镜7的固定端固定在力学传递金属件2上，弹性套筒9分别与凹面反射镜7
和陶瓷插芯8之间均存在间隙。
64.硬芯膜片1的形变使得力学传递金属件2及位于力学传递金属件2上的凹面反射镜7沿弹性套筒9的长度方向上移动。
65.应用时，基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器中的金属壳体4、以及前端带有硬芯结构的硬芯膜片1均使用硬质模具钢p20材料制作，硬芯膜片1与凹面反射镜7的力学传递金属件2接触，共同将熔体压力传导至弹性套筒9，在压力作用下发生形变。弹性套筒9在外界压力作用下被压缩时，凹面反射镜7和陶瓷插芯8构成的光学平凹腔的腔体长度减小，进而引起平凹腔干涉光谱的变化，通过使用解调仪器对干涉光谱进行解调即可获得作用在硬芯膜片1上的压力信息。同时在陶瓷插芯8的后端串联一段温补光纤光栅3-1实时测量模具腔内熔体的温度，消除温度变化对压力测量造成的串扰，具体参见图4。
66.设置弹性套筒9的目的主要用于产生恢复力，当弹性套筒9被压缩后，由于恢复力的存在推动力学传递金属件2向硬芯膜片1的方向运动，从而使硬芯膜片1和凹面反射镜7恢复到初始状态及位置。
67.金属壳体4以及力学传递金属件2均使用硬质模具钢材料制作、弹性套筒9可使用17-4ph材料或铍星铜材料制成，陶瓷插芯8采用氧化锆陶瓷制成。
68.根据具体测量精度的要求凹面反射镜7的凹状反射面以及陶瓷插芯8的垂直抛光平面可以不镀反射膜，利用端面4％的菲涅尔反射形成干涉。凹面反射镜7的凹状反射面以及陶瓷插芯8的垂直抛光平面也可以镀制反射率70％-99.6％的高反射膜，该高反膜系可为金属金(au)薄膜、以及介质膜系，例如二氧化硅(sio2)及氧化钛(ti2o3)薄膜。
69.如图5所示，为硬芯膜片1的结构图，硬芯膜片1的总半径为r，有效半径r0，膜片厚度为h，硬芯半径为r0。e为膜片材料的杨氏模量，ν为膜片材料的泊松比，在压力p作用下由小挠度理论，可得硬芯膜片1中心位置形变w的最大值w
max
为：
[0070][0071]
其中，d为膜片的弯曲刚度。
[0072]
如图6所示，采用光学平凹腔测量熔体压力。本发明使用激光作为光学凹腔内反射的高斯光束，反射系数可由如下公式2所示，其中，rf为光纤端面反射膜的反射系数，rm为凹面反射镜7的反射膜的反射系数，光学平凹腔的腔长l，n为从光纤端面出射的高斯光束在能量下降到时在腔内往返次数。
[0073][0074]
其中，e为自然常数，其值约为2.718281828459045；r
ffp-flat
为光学平凹腔的反射系数；z0为光纤模高斯光束的瑞丽距离；λ为激光波长；
[0075]
图6所示的光学平凹腔中假设凹面反射镜7的曲率半径为r
′
，腔模高斯光束波前曲率半径为r
gb
。考虑光纤模和腔模高斯光束之间的模式匹配问题，在z＝0位置，即光纤端面出
射的高斯光束在腔内在传输至凹面反射镜7位置处其波前曲率半径与凹面镜的曲率半径相等；即在z＝l时，r
gb
＝r
′
，根据高斯光束理论可有如下关系式：
[0076][0077]
将光纤模高斯光束的瑞丽距离zo，与腔模高斯光束的瑞丽距离z
oc
做比值可得到如下形式：
[0078][0079]
只有当zo/r
′
＝1/2时，zo/r
′
＝1有唯一解。对于smf-28e单模光纤其模场半径约为5.27μm对应的瑞丽距离为50μm，求出此时对应凹面反射镜7的曲率半径为100μm。
[0080]
与本发明所述的基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，配合使用的解调系统如图3所示，可调谐激光器13发出的激光经过隔离器14单向传输至波分复用器15后，分成若干通道分别测量注塑机不同位置处的高温熔体压力，其不同位置指的是靠近注塑机喷嘴位置或型腔位置；从本发明压力传感器反射回来的光波长信号经过耦合器16传输到pin光电探测器17，后经过放大器18传输至模数转换模块19，一同回到arm处理器20后，一边经过恒流源电路22返回可调谐激光器13，一边通过网口21进行传输显示。
[0081]
进一步的，基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，还包括尾纤紧固件10；
[0082]
尾纤紧固件10设置在存放腔的腔体尾部；
[0083]
尾纤紧固件10用于对穿过其内的光纤3进行紧固。
[0084]
应用时，为了避免光纤3在存放腔内振动，故通过尾纤紧固件10对光纤3进行固定，保证光纤3的稳定性，提高测量精度。
[0085]
进一步的，基于光学平凹腔的高温熔体压力传感器，还包括准直套筒11；
[0086]
准直套筒11与弹性套筒9同轴，并位于弹性套筒9内、且二者间存在间隙；
[0087]
准直套筒11套设在凹面反射镜7和陶瓷插芯8外，用于对凹面反射镜7和陶瓷插芯8进行准直。
[0088]
具体应用时，弹性套筒9内部嵌套的准直套筒11保证凹面反射镜7和陶瓷插芯8同轴对准。优选的是，光学平凹腔初始腔长为300μm，弹性套筒9长度为15cm，准直套筒11长10mm。
[0089]
更进一步的，金属壳体4的首端外壁上还设有外螺纹4-1；
[0090]
外螺纹4-1用于与外设模具螺纹连接。
[0091]
应用时，外螺纹4-1用于与外设模具螺纹连接，增加与外设模具配套使用的适用性。
[0092]
更进一步的，金属壳体4的引出端外壁上还设有外六方结构4-2；
[0093]
外六方结构4-2用于与扳手配套使用。
[0094]
本优选实施方式中，外六方结构4-2用于与扳手配套使用，可提高外螺纹4-1与外设模具螺纹连接时的转配效率。
[0095]
更进一步的，力学传递金属件2的末端面设有凹槽，凹面反射镜7的固定端通过激光焊接技术嵌固在凹槽内。
[0096]
更进一步的，陶瓷插芯8通过cu基焊料与金属壳体4钎焊固定。
[0097]
更进一步的，光纤3上的温补光纤光栅3-1可由再生光纤光栅、镀金光纤光栅或飞秒激光刻写光纤光栅进行制作。
[0098]
应用时，温补光纤光栅3-1可选用再生光纤光栅进行制作，也可以选用镀金光纤光栅、以及飞秒激光刻写光纤光栅进行制作。其中，再生光纤光栅可实现1100℃以内的温度测量、镀金光纤光栅可以耐受700℃以下的温度、飞秒刻写光纤光栅可测量800℃以下的温度均满足高温熔体的温度测量范围。
[0099]
更进一步的，凹面反射镜7采用陶瓷或金属材料抛光制成；
[0100]
硬芯膜片1的硬芯和金属壳体4采用钢p20材料制成。
[0101]
具体应用时，当使用硬质磨具钢制作时，是可直接将凹面反射镜7及其力学传递金属件2通过机械加工制作成一个整体无需焊接。
[0102]
更进一步的，尾纤紧固件10与金属壳体4通过焊接方式进行固定。
[0103]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。