專利名稱：一種光纖f-p壓力傳感器及其壓力液位傳感裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種壓力傳感器，尤其涉及一種光纖F-P壓力傳感器及其壓力液 位傳感裝置。
背景技術：
關于F-P腔的設計有許多種，應用于液位測量的F-P腔壓力液位傳感器的設計主 要集中于敏感位移及其對應壓力的彈性元件的設計。已有的方案包括早期的硅片、殷鋼片 和波登管，以及近期出現(xiàn)的大線性范圍的波紋管。
硅片、殷鋼片的缺點是線性彈性范圍小，結構復雜，量程受限；而波紋管雖然較好
地解決了大量程的問題，但是在測量精度上又顯不足。
而采用壓力儀表常用的壓力膜盒/片的設計尚未見過報道。
發(fā)明內容本實用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點和不足，提供一種光纖F-P壓
力傳感器及其壓力液位傳感裝置。 本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的 1、設計原理 (1)利用壓力膜盒/片將液體壓強轉換為線性位移 假定在密度均勻的條件下(對于大多數(shù)成品油儲運罐/車是合理的)，液體內部的 壓強與其深度成正比，如果能測量出液體底部的壓強，那么可以反推液體底部與液面的距 離，從而測量出液位。液體的內部壓強與深度的關系為 p= Pgh錯誤!未找到引用源。 式中p為液體的密度，g為重力加速度，p為液體內深為h處的壓強。 當液體密度p—定時，將壓力傳感器置于容器底部，通過檢測壓強就可以獲得容
器內液體高度的信息。
(2)通過光纖F-P腔測出該微位移從而獲得液位的高度 光纖F-P腔是基于波動光學中的雙光束干涉原理。為方便說明問題，我們假設兩 表面反射光的光強度相等，兩反射面的反射率較小，則可把F-P腔看作低精細度裝置，近似 為雙光束干涉，則雙光束反射疊加后的光強輸出為 /"。COS(7 + 。錯誤！未找到引用源。
乂 式中，A為光源的波長，S為F-P腔兩反射面相應反射光束的初始光程差。 彈性片會因該處的壓強變化產(chǎn)生微位移，由此產(chǎn)生相應的光程差，測量出該光程 差，即可得到壓強的變化量，進而計算得到液位值。 2、工藝結構方面 本實用新型采用常規(guī)壓力儀表中通用的壓力膜盒/片做敏感元件，工藝成熟，不
3僅克服了現(xiàn)有硅晶片、波登管(Bourdon tube)等敏感元件彈性范圍和工藝的限制，更提高 產(chǎn)品的穩(wěn)定性，降低了成本。 具體地說， 一種光纖F-P壓力傳感器的結構是 本傳感器包括壓力注入孔、壓力膜盒/片、支撐件、光纖固定孔、傳導光纖和氣壓 平衡孔； 中心設置有壓力注入孔的壓力膜盒/片與支撐件開口的周邊密封連接；在支撐件
底面的中心設置有光纖固定孔和氣壓平衡孔，光纖固定孔連接有傳導光纖； 在傳導光纖的端面和壓力膜盒/片的中心平面間構成一個非本征F-P腔。
其工作原理是 將傳感器的壓力注入孔和被測液體連通，壓力膜盒/片在液體壓力的作用下發(fā)生 形變(下凹)，從而改變F-P腔上下兩個反射端面的間距，即F-P腔的腔長發(fā)生改變。從傳 導光纖輸入激光，使從F-P腔兩個端面反射回來的同頻激光發(fā)生干涉，再測量輸出光強的 相位變化量，經(jīng)過換算得到相對應的液位高度。 本實用新型具有下列優(yōu)點和積極效果 ①傳感器結構簡單，體積小，方便安裝，壓力分辨率高，非常適合量程較小而精度 高的測量需求； ②根據(jù)量程非常方便地調換敏感元件以適用于不同的測量需求； ③成本低廉，對光源波長沒有特殊要求。 本實用新型適用于中小型化學儲液、油罐，化學品/油儲運罐車以及各種類型的 液態(tài)儲運設備的儲運量計量。
圖1是光纖F-P壓力傳感器結構示意圖； 圖2是基于光纖F-P壓力傳感器的壓力液位傳感裝置結構方框圖； 圖3是功率控制單元結構方框圖。 其中 10-光纖F-P壓力傳感器(簡稱傳感器)，11-壓力注入孔， 12-壓力膜盒/片，13-支撐件， 14-光纖固定孔， 15-光纖， 16-壓力平衡孔； 20-窄線寬光源； 30-功率控制單元， 31-模數(shù)轉換器(A/D) ， 32-單片機， 33-數(shù)模轉換器(D/A); 40-3dB耦合器； 50-光電探測器； 60-信號處理與顯示單元。 英譯漢 F-P :Fabry-Perot，法布里-珀羅，光干涉； DFB -distributed feedback Bragg，分布反饋布拉格式； PIN :positive-intrinsic-negative， p型_本征型_n型；具體實施方式
以下結合附圖和實施例詳細說明 —、光纖F-P壓力傳感器(簡稱傳感器)10 1、總體 如圖l，本傳感器10包括壓力注入孔11、壓力膜盒/片12、支撐件13、光纖固定孔 14、傳導光纖15和氣壓平衡孔16 ; 中心設置有壓力注入孔ll的壓力膜盒/片12與支撐件13開口的周邊密封連接； 在支撐件13底面的中心設置有光纖固定孔14和氣壓平衡孔16，光纖固定孔14連接有傳導 光纖15 ; 在傳導光纖15的端面和壓力膜盒/片12的中心平面間構成一個非本征F-P腔。 2、功能塊 1、壓力注入孔11 壓力注入孔11是一種設置在壓力膜盒/片12上面的短管，通過橡膠管和被測液 體連通。 2、壓力膜盒/片12 壓力膜盒/片12是一種常規(guī)壓力儀表用彈性元件，特殊的波紋結構設計，保證中 心點處的位移與壓力成線性關系，即保證壓力(液位)與F-P腔上下兩個反射端面間距光 干涉相位變化為線性關系。 3、支撐件13 支撐件13是一種與壓力膜盒/片12同材質的金屬圓蓋，設置有光纖固定孔14和 氣壓平衡孔16，具有固定光纖15、形成F-P腔和平衡氣壓的作用。 4、光纖固定孔14 光纖固定孔14是一種圓柱形突出于支撐件13底面的開孔；其功能是調節(jié)光纖15 的端面位置以獲得最佳干涉效果，并固緊傳導光纖15防止由于機械作用導致干涉光功率 的變化。 4、傳導光纖15 傳導光纖15是一種在普通通信光纖頂端進行了特殊處理(鍍膜或者增加準直器) 的光纖；其功能是與壓力膜盒/片12反射面中心一起形成F-P腔和光傳導。 16、氣壓平衡孔16 氣壓平衡孔16是支撐件13底部設置的小孔，和大氣連通，起平衡氣壓的作用。 二、基于光纖F-P壓力傳感器的壓力液位傳感裝置(簡稱傳感裝置) 1、總體 如圖2，本傳感裝置包括傳感器10、窄線寬光源20、功率控制單元30、3dB耦合器 40、光電探測器50和信號處理與顯示單元60 ; 功率控制單元30和窄線寬光源20連接； 窄線寬光源20的輸出端和3dB耦合器40的輸入端連接；3dB耦合器40的輸出端
分別與傳感器10和光電探測器50連接； 光電探測器50和信號處理與顯示單元60連接。[0073] 其工作原理是 窄線寬光源20發(fā)出光功率為I。的光，經(jīng)3dB耦合器40后，分別到達傳感器10中 的光纖15的端面和壓力膜盒/片12的中心面并被反射，兩束反射光經(jīng)3dB耦合器40合光
后發(fā)生干涉，干涉光經(jīng)下光路到達光電探測器50的光功率/ = /。0)3(了/ + 。，其中，A為
乂
光源的波長，S為F-P腔兩反射面相應反射光束的初始光程差。經(jīng)信號處理與顯示單元60
計算得到壓力值，再通過液體內部壓強-液位的關系即可求出液位值。 2、功能塊 1、傳感器10 傳感器10即光纖F-P壓力傳感器，結構如圖1，已述。 2、窄線寬光源20 窄線寬光源20是一種窄線寬激光光源；保證F-P腔長滿足相干長度的要求； 選用中心波長為1550nm的半導體DFB激光器。 窄線寬光源20中有內置光電探測器，內置光電探測器是一種通用光電二極管，完
成光信號到電信號的轉換，提供電輸出引腳。 3、功率控制單元30 功率控制單元30是一種光功率反饋控制電路，根據(jù)窄線寬光源20監(jiān)測光功率的
變化，實時控制注入電流的大小，以確保窄線寬光源20輸出功率的穩(wěn)定。 功率控制單元30為自制設備，放置在窄線寬光源20控制板上。 如圖3，功率控制單元30包括模數(shù)轉換器(A/D)31、單片機32和數(shù)模轉換器(D/
A) 33，和窄線寬光源20組成反饋控制； 窄線寬光源20、模數(shù)轉換器(A/D)31、單片機32、數(shù)模轉換器(D/A) 33和窄線寬光 源20前后依次閉環(huán)連接。 其工作原理是當窄線寬光源20由于溫度等因素導致輸出光功率變動時，首先經(jīng) 由窄線寬光源20中的內置光電探測器光電轉換，再經(jīng)由模數(shù)轉換器(A/D)31模數(shù)轉換，后 被單片機32識別，并通過數(shù)模轉換器(D/A)33數(shù)模轉換，控制窄線寬光源20的供給電流來
保持輸出光功率的穩(wěn)定。 (1)模數(shù)轉換器(A/D)31 模數(shù)轉換器(A/D)31是一種將模擬信號轉換為數(shù)字信號的通用器件；用于將光電 轉換來的電信號轉換為單片機32需要的數(shù)字信號，供單片機32處理； 選用美國ADI公司的AD7708芯片。 (2)單片機32 單片機32是一種通用可編程中央處理器；實現(xiàn)對窄線寬激光器功率變動的判斷 和控制； 選用ARM7系列440DX芯片。 (3)數(shù)模轉換器(D/A)33 數(shù)模轉換器(D/A) 33是一種將數(shù)字信號轉換為模擬信號的通用器件；用于將單片 機33的輸出控制命令轉換為控制激光器20的電流信號； 選用美國ADI公司的AD5663芯片。
6[0097] 4、3dB耦合器40 3dB耦合器40是一種常用光功率分配器，將窄線寬光源20的光分為兩路一路和 傳感器10連接；一路和光電探測器50連接； 本實用新型選用1X2型、分光比為50 : 50的光纖耦合器。 5、光電探測器50 光電探測器50是一種低噪聲高靈敏度光電轉換器； 本實用新型選用同軸尾纖型PIN光電探測器。 6、信號處理與顯示單元60 信號處理與顯示單元60是一種常用的包括微處理器、放大、濾波、模數(shù)轉換和顯 示電路；微處理器選用FPGA系列。
權利要求一種光纖F-P壓力傳感器，其特征在于本傳感器(10)包括壓力注入孔(11)、壓力膜盒/片(12)、支撐件(13)、光纖固定孔(14)、傳導光纖(15)和氣壓平衡孔(16)；中心設置有壓力注入孔(11)的壓力膜盒/片(12)與支撐件(13)開口的周邊密封連接；在支撐件(13)底面的中心設置有光纖固定孔(14)和氣壓平衡孔(16)，光纖固定孔(14)連接有傳導光纖(15)；在傳導光纖(15)的端面和壓力膜盒/片(12)的中心平面間構成一個非本征(F-P)腔；所述的F-P為光干涉。
2. 按權利要求1所述的一種光纖F-P壓力傳感器，其特征在于 壓力膜盒/片(12)是一種中心點處的位移與壓力成線性關系的彈性元件。
3. 按權利要求1所述的一種光纖F-P壓力傳感器，其特征在于支撐件(13)是一種與壓力膜盒/片(12)同材質的金屬圓蓋，設置有光纖固定孔(14) 和氣壓平衡孔(16)。
4. 按權利要求1所述的一種光纖F-P壓力傳感器，其特征在于光纖固定孔(14)是一種便于調節(jié)光纖的位置、夾角與固定的圓柱形突出于支撐件 (12)底面的開孔。
5. 按權利要求1所述的一種光纖F-P壓力傳感器，其特征在于 傳導光纖(15)是一種在普通通信光纖頂端進行鍍膜或者增加準直器的光纖。
6. 基于權利要求1所述的一種光纖F-P壓力傳感器的壓力液位傳感裝置，其特征在于本傳感裝置包括傳感器(10)、窄線寬光源(20)、功率控制單元(30)、3dB耦合器(40)、 光電探測器(50)和信號處理與顯示單元(60); 功率控制單元(30)和窄線寬光源(20)連接；窄線寬光源(20)的輸出端和3dB耦合器(40)的輸入端連接；3dB耦合器(40)的輸出 端分別與傳感器(10)和光電探測器(50)連接；光電探測器(50)和信號處理與顯示單元 (60)連接。
7. 按權利要求6所述的壓力液位傳感裝置，其特征在于窄線寬光源(20)是一種窄線寬激光光源，選用中心波長為1550nm的半導體DFB激光 器；窄線寬光源(20)中有內置光電探測器。
8. 按權利要求6所述的壓力液位傳感裝置，其特征在于功率控制單元(30)的結構是 窄線寬光源(20)、模數(shù)轉換器(31)、單片機(32)、數(shù)模轉換器(33)和窄線寬光源(20)前后依次閉環(huán)連接組成反饋控制電路。
9. 按權利要求6所述的壓力液位傳感裝置，其特征在于 3dB耦合器(40)選用1X2型、分光比為50 : 50的光纖耦合器。
10. 按權利要求6所述的壓力液位傳感裝置，其特征在于信號處理與顯示單元(60)是一種常用的包括微處理器、放大、濾波、模數(shù)轉換和顯示 的電路，微處理器選用FPGA系列。
專利摘要本實用新型公開了一種光纖F-P壓力傳感器及其壓力/液位傳感裝置，涉及一種壓力傳感器。本傳感器的結構是中心設置有壓力注入孔的壓力膜盒/片與支撐件開口的周邊密封連接；在支撐件底面的中心設置有光纖固定孔和氣壓平衡孔，光纖固定孔連接有傳導光纖；在傳導光纖的端面和壓力膜盒/片的中心平面間構成一個非本征F-P腔。本傳感器結構簡單，體積小，方便安裝，壓力分辨率高，非常適合量程較小而精度高的測量需求；根據(jù)量程非常方便地調換敏感元件以適用于不同的測量需求；成本更低廉，對光源波長沒有特殊要求；適用于中小型化學儲液、油罐，化學品/油儲運罐車以及各種類型的液氣態(tài)儲運設備的儲運量計量。
文檔編號G01F23/24GK201508266SQ20092008774
公開日2010年6月16日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權日2009年7月31日
發(fā)明者李玉林, 童斌, 黎敏 申請人:武漢光子科技有限公司