一種單光纖束探頭差壓傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 差壓傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，主要用于測量設(shè)備、部件或流體在不同位置的壓 力差，其廣泛應(yīng)用于尾氣壓差、氣體流量、液位高低、潔凈間監(jiān)測等檢測領(lǐng)域。現(xiàn)今，已出現(xiàn) 采用不同原理的差壓傳感器，例如電阻式、電容式、電感式、節(jié)流器式、磁性液體式、MEMS式 等，其中電阻式、電容式較為常見，其余類型由于實用性不強、局限性較大或仍處于概念期， 并未得到推廣，但電阻式、電容式差壓傳感器也存在自身的缺點，在很多場合不能很好的勝 任。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于：提供一種單光纖束探頭差壓傳感器，以解決現(xiàn)有差壓傳感器 在很多場合并不適用，實用性不強，無法滿足實際壓差測量要求的問題。 本發(fā)明的方案如下：一種單光纖束探頭差壓傳感器，包括傳感器探頭、光電探測器和 信號處理器，傳感器探頭包括殼體，殼體為筒形結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)滑動設(shè)置有活塞，活塞的兩端 分別設(shè)置有一個彈簧，兩個彈簧的一端均固定于活塞上，殼體的兩端分別密封固定有端蓋， 兩個彈簧的另一端分別固定于所對應(yīng)的端蓋上，兩個端蓋上沿殼體的長度方向均開設(shè)有一 個通孔，活塞的兩端分別設(shè)置有一個活塞桿，兩個活塞桿的一端分別對應(yīng)固定于活塞的端 面上，兩個活塞桿的另一端分別伸在所對應(yīng)端蓋上的通孔內(nèi)，且活塞桿與通孔之間均設(shè)置 有密封圈，其中一個通孔內(nèi)的活塞桿的端面上設(shè)置有反光鏡，且該通孔內(nèi)，由該通孔的另一 端伸入有光纖探頭，光纖探頭與該活塞桿之間的通孔的側(cè)壁上還開設(shè)有與探頭結(jié)構(gòu)外部相 連通的通氣孔，活塞兩端的腔室內(nèi)分別開設(shè)有一個與探頭結(jié)構(gòu)外部相連通的流體通孔，所 述光纖探頭的出射光纖與光電探測器相連，光纖探測器與信號處理器相連。
[0004] 還包括有光源、Y型耦合器和光纖，光源設(shè)置于光纖的一端用于產(chǎn)生光纖信號，光 源發(fā)出的光信號耦合進(jìn)入到光纖內(nèi)，光纖的另一端經(jīng)Y型耦合器后分為入射光纖和參考光 纖，入射光纖接入到傳感器探頭中的光纖探頭，并作為光纖探頭的入射光纖，參考光纖則單 獨與一個光電探測器相連，且該光電探測器也與信號處理器相連，光源發(fā)出的光信號耦合 進(jìn)入到光纖內(nèi)，再通過Y型耦合器分為兩路，一路經(jīng)入射光纖到達(dá)光纖探頭，照射到反光片 上，經(jīng)反射后的反射光進(jìn)入接收光纖，由接收光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過 后期的信號處理輸入信號處理器；另一路經(jīng)參考光纖直接傳輸?shù)焦怆娞綔y器進(jìn)行光電轉(zhuǎn) 換，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)處理后輸入信號處理器，信號處理器再對這兩路信號進(jìn)行比值運算。
[0005] 為了避免彈簧對傳感器的影響，兩個彈簧的結(jié)構(gòu)及規(guī)格均相同，活塞位于兩端蓋 的正中央位置時，兩個彈簧均處于自然狀態(tài)，即彈簧無拉伸與壓縮形變； 為保證光纖探頭的傳感效果，保證兩端光纖探頭與反光片之間的距離平衡，兩個通孔 均開設(shè)在所在端蓋的正中心位置，兩個通孔、活塞及兩個活塞桿均同軸設(shè)置，反光鏡與光纖 探頭垂直設(shè)置； 作為優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，所述光纖探頭通過螺紋旋緊固定于通孔內(nèi)，以保證光纖探頭定位的 牢固和精確； 為保證彈簧的固定以及防止彈簧使用時發(fā)生偏移長度方向的伸縮變形，端蓋的中部設(shè) 置有伸入殼體內(nèi)的凸起部，凸起部是與通孔同軸的圓柱形結(jié)構(gòu)，兩個彈簧的一端分別套設(shè) 固定于所對應(yīng)端蓋的凸起部上； 為保證活塞的密封效果，防止流體經(jīng)活塞邊緣流入彈簧所在腔室，活塞與殼體的內(nèi)壁 之間設(shè)置有活塞密封圈； 為保證傳感器的使用壽命和使用效果，活塞的材質(zhì)優(yōu)選硬質(zhì)合金； 為防止流體內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)入傳感器探頭，所述流體通孔上均設(shè)置有濾網(wǎng)。
[0006] 光纖探頭的光纖束由入射光纖和接收光纖集合鎧裝而成，入射光纖另一端與光源 對接，用以耦合入射光，接收光纖出射端與光敏元件連接，輸出光強度信號。
[0007] 傳感器探頭部分的工作原理為：通過兩個流體通孔分別通入兩種待測流體，當(dāng)左 右兩側(cè)檢測腔內(nèi)的流體壓力相等時，活塞處于中部平衡位置，活塞上的軸向合力為零，活塞 不產(chǎn)生軸向位移；當(dāng)活塞左右兩側(cè)檢測腔內(nèi)的流體存在壓力差時，活塞失去平衡，向壓力較 低的一側(cè)滑動，從而壓縮該側(cè)阻尼彈簧，另一側(cè)阻尼彈簧被拉伸，活塞運動到一個新的軸向 合力為零的平衡位置。活塞處于中部平衡位置時，傳感器一側(cè)的光纖探頭與活塞桿端面反 光鏡之間的距離為初始距離，這個初始距離同型號的視為相同并將其數(shù)據(jù)保存在計算機， 同時測試出反射光初始光強，此時經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號處理計算后輸出值為〇;當(dāng)活塞左右 兩側(cè)檢測腔內(nèi)的流體存在壓力差時，此時兩側(cè)阻尼彈簧被壓縮的長度不同，活塞產(chǎn)生軸向 位移。因此，傳感器光纖探頭與反光鏡之距離產(chǎn)生變化，從而光纖探頭接收光纖的輸出光信 號強度與初始光強不同，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號處理計算后的輸出值大小即可反映兩側(cè)檢測腔 內(nèi)流體的壓力差大小。
[0008] 一、傳感器強度補償原理 參照圖1，該方法中光源發(fā)出的光經(jīng)過?耦合器等分為兩路，一路進(jìn)入傳感器探頭， 經(jīng)反射后到達(dá)光電探測器，另一路經(jīng)參考光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器，那么兩光電探測器的輸 出信號分別為：
對上述兩式進(jìn)行比值運算為：
（1) 式中：A為光源輸出的光功率；尋為入射光纖的透過率；￥丨為接收光纖的透過率；4 為參考光纖的透過率；從、巧為光探測器的靈敏度為耦合比；為該側(cè)探頭調(diào)制函 數(shù)。
[0009] 又差壓傳感器的兩探頭結(jié)構(gòu)相同，其調(diào)制函數(shù)為： 芎.麗:已:紀(jì)旅 (2) 式中：#為反射率，為探頭所受到的外界壓力差.為入射光纖與接 曜光節(jié)的穀_孔投八為発濰_閘_遞離:i,?筘_樂徑，"為接收光截蠱、遽： 為光纖束與反光片的調(diào)定距離> 巴||制函致^帶人上式！ ^：.：
因為傳感器光纖東與探頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段既能確定，所以其結(jié)構(gòu)參數(shù)D、 ：?,： ：?：. ip；；iji；ia：ii：§；iM：t}^：^ 通過上式還可看出，通過對光的強度補償，能很好的消除光源功率波動、及耦合器帶來 的誤差，再選用穩(wěn)定的光電檢測元件，從而避免光電檢測器引入的誤差，實現(xiàn)較好的強度補 償。
[0010] 二、傳感器數(shù)學(xué)模型 2. 1強度調(diào)制數(shù)學(xué)模型 本發(fā)明的每一側(cè)檢測腔的檢測原理均與反射式強度調(diào)制光纖傳感器相同，如圖3所 示，光纖束中的出射光纖77發(fā)出的光照射到反射片上，經(jīng)過反射片反射后，再傳送到光纖 束中的接收光纖你端面。只有當(dāng)反射光錐端面與接收光纖端面存在重合面積時，反射光才 能被接收光纖接收。在光纖束與反光片的距離成:生變化時，根據(jù)反射定理，隨著#斷變 大，光錐底端從小變大，從沒有進(jìn)入接收光纖端面，到逐漸進(jìn)入接收光纖端面，再到完全覆 蓋，隨著碰一步的增大，反射光和其覆蓋面積不再變化，但強度仍因遠(yuǎn)離而不斷變小。下 面對這一過程進(jìn)行定量分析： 設(shè)傳感器的光強調(diào)制函數(shù)為來是你接收的光通量與77發(fā)送的光通量之比，它反映出 反射式強度調(diào)制光纖傳感器的強度調(diào)制特性。在這里為了數(shù)學(xué)模型的簡化，以及計算的方 便，在不影響強度調(diào)制特性曲線分布規(guī)律的情況下，對光纖出射光場強度分布與反射后的 光場強度分布進(jìn)行忽略，不妨假設(shè)出射光強沿徑向呈均勻分布，那么在反射光錐端面上的 光照度即為：
(1) 式中_為入射光的光功率損耗系數(shù)；為光源耦合到發(fā)射光纖中的光通量；A為反射 光錐端面的半徑。
[0011] 又認(rèn)為反射光錐端面的光照度均勻分布，那么接收光纖的輸入光通量即為：
(2) 式中為接收光纖的損耗系數(shù)，5為反射光錐端面和接收光纖端重合面積。
[0012] 則光強調(diào)制函數(shù)勸：
(3) 因為光功率損耗系數(shù)對于已經(jīng)確定的傳感器系統(tǒng)而言為定值，那么4直的大小主要由 ^與f的比值確定。
[0013] (3)式中反射光錐端面半徑胃由下式計算：
(4) 式中：曳為發(fā)射光纖半徑，M為光纖的數(shù)值孔徑。
[0014] (3)式中反射光錐端面和接收光纖端重合面積5可由下式計算：
式中：Z為發(fā)射光纖與接收光纖的中心距，為接收光纖半徑，轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)為光錐底端與接收 光纖端面相交后形成的圓心角，
[0015] 為了使本發(fā)明設(shè)計的傳感器具有良好的線性度與靈敏度，設(shè)計中使傳感器初始狀 態(tài)工作于上述強調(diào)制函數(shù)剎的前坡曲線段的中間位置附近，此時對應(yīng)的反射光錐端面和接 收光纖端重合面積戲J(5)式中的第二式，那么本發(fā)明傳感器單側(cè)強度調(diào)制模型為：
2. 2傳感器數(shù)學(xué)模型 下面分析傳感器強度調(diào)制模型與壓差之間的關(guān)系，已知兩端流體的壓強分別為賽、賽， 設(shè)右方向為正，則傳感器活塞兩側(cè)所受流體壓力分別為：
(7) 式中：傳感器活塞兩側(cè)的截面積相等，即備漢； 若壓差使活塞向右移動么^，活塞兩側(cè)阻尼彈簧產(chǎn)生的力分別為：
式中：為彈簧初始形變量(設(shè)計為〇)，:&為活塞位移量，|、|為兩側(cè)彈簧剛度系數(shù)， 又兩側(cè)彈簧相同，所以知-歎。
[0016]根據(jù)受力平衡，也：巧+.巧+&+.1^二:(i，