一種單活塞阻尼式光纖差壓傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種傳感器，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?，F(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(shí)用性不強(qiáng)、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(diǎn)，在很多場合不能很好的勝 任。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本實(shí)用新型的目的在于：提供一種單活塞阻尼式光纖差壓傳感器，以解決現(xiàn)有差 壓傳感器在很多場合并不適用，實(shí)用性不強(qiáng)，測量精度不夠，無法滿足實(shí)際壓差測量要求的 問題。
[0004] 本實(shí)用新型的方案如下：一種單活塞阻尼式光纖差壓傳感器，包括探頭結(jié)構(gòu)、光敏 元件和信號(hào)處理模塊，所述探頭結(jié)構(gòu)包括包括殼體，殼體為筒形結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)滑動(dòng)設(shè)置有活 塞，活塞的兩端分別設(shè)置有一個(gè)彈簧，兩個(gè)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(gè)彈簧的另一端分別固定于所對(duì)應(yīng)的端蓋上，兩個(gè)端蓋上的相對(duì)位置上 分別開設(shè)有一個(gè)貫通所在端蓋的探頭插孔，兩個(gè)探頭插孔內(nèi)分別密封設(shè)置有透光片，兩個(gè) 探頭插孔內(nèi)位于透光片的外側(cè)分別設(shè)置有指向活塞的光纖探頭，光纖探頭均與活塞的端面 相垂直，活塞兩端與光纖探頭相對(duì)的位置處分別固定有反光片，殼體兩端的側(cè)壁上或兩個(gè) 端蓋上分別開設(shè)有一個(gè)與殼體內(nèi)腔連通的流體通孔，兩個(gè)光纖探頭中接收光纖的出射端分 別與一個(gè)光敏元件相連，每個(gè)光敏元件對(duì)應(yīng)連接有一個(gè)信號(hào)處理模塊。
[0005] 優(yōu)選地，光纖探頭中的光纖束包括入射光纖和出射光纖，入射光纖與接收光 纖在光纖探頭內(nèi)相互平行設(shè)置，入射光纖共一根，接收光纖是單根尺寸參數(shù)為50±3 _的多模光纖，接收光纖以入射光纖為中心依次緊密排布組成一圓形的光纖束結(jié)構(gòu)，且入 射光纖與接收光纖之間的邊界距離為130-140 ;
[0006] 優(yōu)選地，兩個(gè)彈簧的結(jié)構(gòu)及規(guī)格均相同，在流體通孔均與外部大氣相連通的狀態(tài) 下，活塞位于殼體的正中央位置，兩個(gè)彈簧均處于自然狀態(tài)，即彈簧無拉伸與壓縮形變；
[0007] 優(yōu)選地，兩個(gè)探頭插孔均開設(shè)在所在端蓋的正中心位置，兩個(gè)探頭插孔、活塞三者 同軸，自然狀態(tài)下，其中一個(gè)光纖探頭到該光纖探頭所對(duì)應(yīng)的反光片的距離與另一個(gè)光纖 探頭到另一個(gè)反光片的距離相同；
[0008] 優(yōu)選地，透光片為玻璃片，透光片均設(shè)置于探頭插孔位于端蓋內(nèi)側(cè)的端口處；
[0009] 優(yōu)選地，探頭插孔內(nèi)設(shè)置有內(nèi)螺紋，光纖探頭分別旋緊固定于探頭插孔內(nèi)；
[0010] 優(yōu)選地，端蓋的中部設(shè)置有伸入殼體內(nèi)的凸起部，凸起部與殼體內(nèi)壁之間設(shè)置有 密封圈，凸起部上沿殼體的長度方向開設(shè)有彈簧定位槽，彈簧定位槽為環(huán)形槽，且彈簧定位 槽的內(nèi)徑小于等于彈簧內(nèi)徑，彈簧定位槽外徑大于等于彈簧的外徑，彈簧的一端伸在并固 定于彈簧定位槽內(nèi)；
[0011] 優(yōu)選地，凸起部是與殼體內(nèi)徑相匹配的圓柱形結(jié)構(gòu)；
[0012] 優(yōu)選地，兩個(gè)流體通孔分別開設(shè)于殼體兩端的側(cè)壁上，每個(gè)流體通孔與位于該端 的端蓋上的凸起部相對(duì)應(yīng)，凸起部上對(duì)應(yīng)流體通孔的位置處開設(shè)有與彈簧定位槽相連通的 通孔，流體依次通過流體通孔和通孔流入到殼體內(nèi)部的腔室內(nèi)；
[0013] 優(yōu)選地，活塞與殼體的內(nèi)壁之間設(shè)置有密封圈，端蓋與殼體的內(nèi)壁之間也設(shè)置有 密封圈；
[0014] 優(yōu)選地，活塞的材質(zhì)為硬質(zhì)合金；
[0015] 傳感器的工作原理為：入射光纖另一端與光源對(duì)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(qiáng)度信號(hào)，通過兩個(gè)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(shí)，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(shí)，活塞失去平衡，向壓力較低 的一側(cè)滑動(dòng)，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(yùn)動(dòng)到一個(gè)新的軸向合 力為零的平衡位置?；钊幱谥胁科胶馕恢脮r(shí)，傳感器兩側(cè)相同結(jié)構(gòu)的光纖束與活塞端面 反光片之距離相等，從而兩光纖束接收光纖的輸出光信號(hào)強(qiáng)度相等，光敏元件把光信號(hào)轉(zhuǎn) 化為電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理模塊放大、整流、濾波等處理環(huán)節(jié)，并配合相應(yīng)的算法計(jì) 算，可以得出兩檢測位置的流體壓力差，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理計(jì)算后輸出值為1 ;活塞向 低壓一側(cè)滑動(dòng)后，低壓側(cè)光纖束與活塞端面反光片距離減小，接收光纖的輸出光信號(hào)強(qiáng)度 減弱，而高壓側(cè)光纖束與活塞端面反光片距離增大，接收光纖的輸出光信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)，經(jīng)光 電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理計(jì)算后輸出值將成倍變化，從而提高了檢測靈敏度。通過最終輸出值大 小的變化，即可判斷出傳感器兩檢測腔內(nèi)流體之間的壓力差大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置壓力差 的檢測。
[0016] -、該傳感器強(qiáng)度補(bǔ)償原理
[0017] 參照?qǐng)D3,該方法中光源放發(fā)出的光經(jīng)過?耦合器等分為兩路，一路進(jìn)入探頭 鵯側(cè)，經(jīng)反射后到達(dá)光電探測器_:，另一路進(jìn)入探頭_側(cè)，經(jīng)反射后到達(dá)光電探測器_: 。那么兩光電探測器的輸出信號(hào)分別為：
[0019] 式中：免為光源輸出的光功率為入射光纖的透過率；心為接收光纖的透過 率；1?為光探測器的靈敏度；jr為耦合比。
[0021] 根據(jù)上式可以得出，經(jīng)過計(jì)算處理的輸出信號(hào)消除了光源的功率波動(dòng)與耦合器的 誤差。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，亦可消除光纖損耗帶來的誤差。選用穩(wěn)定的光電檢測 元件，從而避免光電檢測元件引入的誤差。
[0022] 二、傳感器數(shù)學(xué)模型
[0023] 2· 1強(qiáng)度調(diào)制數(shù)學(xué)模型
[0024] 本實(shí)用新型的每一側(cè)檢測腔的檢測原理均與反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器相同，如 圖4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(shí)，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(shí)，根據(jù)反射定理，隨著 〇不斷變大，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-步的增大，反射光和其覆蓋面積不再變化，但強(qiáng)度仍因遠(yuǎn)離而不斷變 小。下面對(duì)這一過程進(jìn)行定量分析：
[0025] 設(shè)傳感器的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)為凇是你接收的光通量與r/發(fā)送的光通量之比，它反 映出反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的強(qiáng)度調(diào)制特性。在這里為了數(shù)學(xué)模型的簡化，以及計(jì)算 的方便，在不影響強(qiáng)度調(diào)制特性曲線分布規(guī)律的情況下，對(duì)光纖出射光場強(qiáng)度分布與反射 后的光場強(qiáng)度分布進(jìn)行忽略，不妨假設(shè)出射光強(qiáng)沿徑向呈均勻分布，那么在反射光錐端面 上的光照度即為：
[0026]
[0027] 式中為入射光的光功率損耗系數(shù);為光源親合到發(fā)射光纖中的光通量；為 反射光錐端面的半徑。
[0028] 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：
[0029]
[0030] 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。
[0031] 則光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)靡3 :
[0032]
[0033] 因?yàn)楣夤β蕮p耗系數(shù)對(duì)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^與夕的比值確定。
[0034] (3)式中反射光錐端面半徑師T由下式計(jì)算：
(4)
[0036] 式中：?丨為發(fā)射光纖半徑，M為光纖的數(shù)值孔徑，功光纖探頭與反光片之間的距 離。
[0037] (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(jì)算：
[0038]
[0039] 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，疼、每為光錐底端與 接收光纖端面相交后形成的圓心角，
[0040] 為了使本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的傳感器具有良好的線性度與靈敏度，設(shè)計(jì)中使傳感器初 始狀態(tài)工作于上述強(qiáng)調(diào)制函數(shù)剎的前坡曲線段的中間位置附近，此時(shí)對(duì)應(yīng)的反射光錐端面 和接收光纖端重合面積戲/(5)式中的第二式，那么本實(shí)用新型傳感器單側(cè)強(qiáng)度調(diào)制模型 為：
[0042] 2. 2傳感器數(shù)學(xué)模型
[0043] 下面分析傳感器強(qiáng)度調(diào)制模型與壓差之間的關(guān)系，已知兩端流體的壓強(qiáng)分別為# 芎，則傳感器活塞兩側(cè)所受流體壓力分別為：
[0045] 式中：傳感器活塞兩側(cè)的截面積相等，即多；
[0046] 又對(duì)活塞兩測進(jìn)行受力分析有：
[0048] 式中：?為彈簧初始形變量，:&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I。
[0049] 則（8)式可簡化為
[0050] 聯(lián)立（7)、（9)式有 ）
[0051] 由于傳感器尺寸與阻尼彈簧已經(jīng)在設(shè)計(jì)階段確定，所以上式（10)中:t與犮為常 數(shù)，那么活塞位移量與傳感器兩側(cè)壓力差成正比。
[0052] 又設(shè)今為傳感器內(nèi)兩側(cè)光纖束與反光片之間的初始距離；今、礓為傳感器內(nèi)彈 簧發(fā)生變形后，兩側(cè)光纖束與反光片之間的距離，其中崦為高壓側(cè)、《為低壓側(cè)。則有：
[0056] 把（12)、（13)式分別代入（6)式可得到傳感器在兩側(cè)檢測腔出現(xiàn)壓力差時(shí)，兩側(cè) 檢測腔的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)i|、i。不難看出典、《I為關(guān)于AP的一元函數(shù)，因?yàn)閒t、病中的其它參數(shù) 在傳感器設(shè)計(jì)階段就已確定，所以均為常數(shù)。為了消除光源的強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)傳感器帶來的誤 差，傳感器輸出值為魏、的比值，從而對(duì)傳感器進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償。因此，傳感器數(shù)學(xué)模型可表 示為：
[0058] 通過上述數(shù)學(xué)模型即可得到傳感器兩側(cè)壓力差Μ:與輸出光信號(hào)大小的關(guān)系。 [0059] 三、結(jié)果與分析
[0060] 根據(jù)以上理論基礎(chǔ)和公式，選取初始值
從 Omm變化到 0. 3mm，即是兩端傳輸距離^[從 0. 866mm到 I. 166mm，(|從 0. 866mm 到0. 566mm時(shí)，傳感器的輸出結(jié)果。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)位移增加一側(cè)（高壓側(cè))光通量變化 如圖5所示：對(duì)應(yīng)位移減小一側(cè)(低壓側(cè)）光通量變化如圖6所示；
[0061] 根據(jù)圖5不難看出，高壓側(cè)的光通量隨著活塞的遠(yuǎn)離而呈遞增趨勢，且具有較好 的線性度。這是因?yàn)閭鞲衅鞒跏紶顟B(tài)工作于強(qiáng)調(diào)制函數(shù)剎的前坡曲線段中間位置附近，即 反射光錐端面與接收光纖端面處于