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(cè)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(cè)等檢測(cè)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(jiàn)，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(chǎng)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(chǎng)合并不適用，實(shí)用性不強(qiáng)，無(wú)法滿足實(shí)際壓差測(cè)量要求的問(wèn)題。
[0004] 本實(shí)用新型的方案如下：一種單光纖束探頭差壓傳感器，包括傳感器探頭、光電 探測(cè)器和信號(hào)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(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)端蓋上沿殼體的長(zhǎng)度方向 均開(kāi)設(shè)有一個(gè)通孔，活塞的兩端分別設(shè)置有一個(gè)活塞桿，兩個(gè)活塞桿的一端分別對(duì)應(yīng)固定 于活塞的端面上，兩個(gè)活塞桿的另一端分別伸在所對(duì)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(gè)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(kāi)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(kāi)設(shè)有一個(gè)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(cè)器相連，光纖探測(cè)器與信號(hào)處理器相連。
[0005] 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(hào)，光 源發(fā)出的光信號(hào)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(dú)與一個(gè)光電探測(cè)器相連，且該光電探測(cè)器也與信號(hào)處理器相連，光源發(fā)出的光信號(hào)耦合 進(jìn)入到光纖內(nèi)，再通過(guò)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(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò) 后期的信號(hào)處理輸入信號(hào)處理器；另一路經(jīng)參考光纖直接傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn) 換，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)處理后輸入信號(hào)處理器，信號(hào)處理器再對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行比值運(yùn)算。
[0006] 優(yōu)選地，兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)彈 簧均處于自然狀態(tài)，即彈簧無(wú)拉伸與壓縮形變；
[0007] 優(yōu)選地，兩個(gè)通孔均開(kāi)設(shè)在所在端蓋的正中心位置，兩個(gè)通孔、活塞及兩個(gè)活塞桿 均同軸設(shè)置，反光鏡與光纖探頭垂直設(shè)置；
[0008] 優(yōu)選地，所述光纖探頭通過(guò)螺紋旋緊固定于通孔內(nèi)；
[0009] 優(yōu)選地，端蓋的中部設(shè)置有伸入殼體內(nèi)的凸起部，凸起部是與通孔同軸的圓柱形 結(jié)構(gòu)，兩個(gè)彈簧的一端分別套設(shè)固定于所對(duì)應(yīng)端蓋的凸起部上；
[0010] 優(yōu)選地，活塞與殼體的內(nèi)壁之間設(shè)置有活塞密封圈；
[0011] 優(yōu)選地，活塞的材質(zhì)為硬質(zhì)合金；
[0012] 優(yōu)選地，所述流體通孔上均設(shè)置有濾網(wǎng)。
[0013] 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(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)，當(dāng)活塞兩側(cè)壓 力不同使活塞產(chǎn)生位移進(jìn)而使光纖束與反光片距離發(fā)生變化，造成兩個(gè)輸出光信號(hào)的強(qiáng)度 不同，光敏元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整流濾波等處理環(huán)節(jié)后輸入到計(jì) 算機(jī)中，配合相應(yīng)的算法計(jì)算，可以得出兩檢測(cè)位置的流體壓力差。
[0014] 傳感器探頭部分的工作原理為：通過(guò)兩個(gè)流體通孔分別通入兩種待測(cè)流體，當(dāng)左 右兩側(cè)檢測(cè)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(cè)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(gè)初始距離同型號(hào)的視為相同并將其數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)， 同時(shí)測(cè)試出反射光初始光強(qiáng)，此時(shí)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理計(jì)算后輸出值為0;當(dāng)活塞左右 兩側(cè)檢測(cè)腔內(nèi)的流體存在壓力差時(shí)，此時(shí)兩側(cè)阻尼彈簧被壓縮的長(zhǎng)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(hào)強(qiáng)度與初始光強(qiáng)不同，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理計(jì)算后的輸出值大小即可反映兩側(cè)檢測(cè)腔 內(nèi)流體的壓力差大小。
[0015] 一、傳感器強(qiáng)度補(bǔ)償原理
[0016] 參照?qǐng)D1，該方法中光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)?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(cè)器，另一路經(jīng)參考光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器，那么兩光電探測(cè)器的 輸出信號(hào)分別為：
[0018] 對(duì)上述兩式進(jìn)行比值運(yùn)算為：
[0019] 式中：趣為光源輸出的光功率為入射光纖的透過(guò)率為接收光纖的透過(guò) 率；4?參考光纖的透過(guò)率；為、4為光探測(cè)器的靈敏度為耦合比；^為該側(cè)探頭調(diào) 制函數(shù)。
[0020] 又差壓傳感器的兩探頭結(jié)構(gòu)相同，其調(diào)制函數(shù)為：
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[0025] 通過(guò)上式還可看出，通過(guò)對(duì)光的強(qiáng)度補(bǔ)償，能很好的消除光源功率波動(dòng)、及耦合器 帶來(lái)的誤差，再選用穩(wěn)定的光電檢測(cè)元件，從而避免光電檢測(cè)器引入的誤差，實(shí)現(xiàn)較好的強(qiáng) 度補(bǔ)償。
[0026] 二、傳感器數(shù)學(xué)模型
[0027] 2. 1強(qiáng)度調(diào)制數(shù)學(xué)模型
[0028] 本實(shí)用新型的每一側(cè)檢測(cè)腔的檢測(cè)原理均與反射式強(qiáng)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(guò)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(méi)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(guò)程進(jìn)行定量分析：
[0029] 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77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(jiǎn)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(chǎng)強(qiáng)度分布與反射 后的光場(chǎng)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：
[0031] 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。
[0032] 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： CN 204903074 U 1兄明 4/6 頁(yè)
[0034] 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。
[0035] 則光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)靡3 :
[0037] 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/的比值確定。
[0038] (3)式中反射光錐端面半徑胃由下式計(jì)算：
[0040] 式中為發(fā)射光纖半徑，M為光纖的數(shù)值孔徑。
[0041] (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：
[0043] 式中：Z為發(fā)射光纖與接收光纖的中心距，6為接收光纖半徑，肖、肖為光錐底端與 接收光纖端面相交后形成的圓心角，
[0044] 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：
[0046] 2. 2傳感器數(shù)學(xué)模型
[0047] 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)分別為轉(zhuǎn) 、轉(zhuǎn)，設(shè)右方向?yàn)檎?，則傳感器活塞兩側(cè)所受流體壓力分別為：
[0049] 式中：傳感器活塞兩側(cè)的截面積相等，即爲(wèi):氣動(dòng)=奪；
[0050] 若壓差使活塞向右移動(dòng)：1，活塞兩側(cè)阻尼彈簧產(chǎn)生的力分別為：
[0052] 式中：?為彈簧初始形變量(設(shè)計(jì)為0)，:&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<