一種雙活塞對稱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結(jié)構(gòu)，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：提供一種雙活塞對稱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)，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：一種雙活塞對稱阻尼式光纖差壓傳感器，包括傳感器探 頭、光電探測器和信號(hào)處理器，所述傳感器探頭包括殼體，殼體為筒形結(jié)構(gòu)，殼體的兩端分 別密封設(shè)置有端蓋，殼體內(nèi)部的中間位置設(shè)置有將殼體內(nèi)部密封分隔為左右兩個(gè)腔室的隔 板，隔板兩側(cè)的殼體上分別設(shè)置流體通孔，隔板兩側(cè)的腔室內(nèi)分別密封滑動(dòng)設(shè)置有一個(gè)活 塞，每個(gè)活塞與該活塞所在一側(cè)的端蓋之間還設(shè)置有彈簧，端蓋上均設(shè)置有貫通端蓋的探 頭安置孔，且探頭安置孔均與該探頭安置孔所對應(yīng)的活塞相垂直，每個(gè)探頭安置孔內(nèi)均設(shè) 置有光纖探頭，活塞上正對光纖探頭的位置處設(shè)置有反光片，光纖探頭上殼體兩端的出射 光纖分別與一個(gè)光電探測器相連，兩個(gè)光電探測器又分別與信號(hào)處理器相連。
[0005] 優(yōu)選地，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，上述光源、Y型耦合器和光纖的組合共有兩組，其中一組上述組合中的入射光 纖接入傳感器探頭一端的光纖探頭，并作為光纖探頭的入射光纖，另一組上述組合中的入 射光纖接入傳感器探頭另一端的光纖探頭，并作為傳感器探頭另一端光纖探頭的入射光 纖，兩組上述組合中的參考光纖分別單獨(dú)連接有一個(gè)光電探測器，且光電探測器均與信號(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 到光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過后期的信號(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 理器再對這兩路信號(hào)進(jìn)行比值運(yùn)算。與上述過程同理，另一組光源、Y型耦合器和光纖的組 合中，光源發(fā)出的光信號(hào)也經(jīng)過相同的路徑，進(jìn)入到信號(hào)處理器進(jìn)行比值運(yùn)算。再對這兩組 數(shù)據(jù)進(jìn)行減法運(yùn)算即得到最終的輸出值。
[0006] 優(yōu)選地，每個(gè)彈簧的兩端均固定于該彈簧兩端所對應(yīng)的活塞和端蓋上；
[0007] 優(yōu)選地，傳感器探頭中，隔板與殼體為一體式結(jié)構(gòu)或隔板密封固定于殼體內(nèi)；
[0008] 優(yōu)選地，殼體為圓筒形結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)位于隔板兩側(cè)的腔室相對于隔板對稱設(shè)置，兩 個(gè)活塞及兩個(gè)彈簧也分別相對于隔板對稱設(shè)置，隔板兩側(cè)的流體通孔也相對于隔板對稱， 流體通孔上均設(shè)置有過濾網(wǎng)；
[0009] 優(yōu)選地，所述兩個(gè)彈簧以及兩個(gè)活塞的形狀、規(guī)格和性能參數(shù)均相同，在殼體沿水 平放置，且流體通孔均與空氣相連通的狀態(tài)下，兩個(gè)彈簧均處于自然狀態(tài)，即兩個(gè)彈簧無拉 伸與壓縮形變；
[0010] 優(yōu)選地，探頭安置孔均開設(shè)在所在端蓋的正中心位置，探頭安置孔和活塞同軸，自 然狀態(tài)下，即兩個(gè)彈簧無拉伸與壓縮形變時(shí)，其中一個(gè)光纖探頭到該光纖探頭所對應(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；
[0011] 優(yōu)選地，光纖探頭與反光片之間還設(shè)置有透光片，透光片為玻璃片，透光片均設(shè)置 于兩個(gè)探頭安置孔位于兩個(gè)端蓋內(nèi)側(cè)的端口處；
[0012] 優(yōu)選地，探頭安置孔內(nèi)設(shè)置有內(nèi)螺紋，光纖探頭分別旋緊固定于探頭安置孔內(nèi)；
[0013] 優(yōu)選地，活塞的材質(zhì)為硬質(zhì)合金，活塞與殼體的內(nèi)壁之間設(shè)置有密封圈，兩端的端 蓋上還分開設(shè)有貫通端蓋的壓力補(bǔ)償孔。
[0014] 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電探測器連接，輸出光強(qiáng)度信號(hào)，當(dāng)活塞兩側(cè) 壓力不同使兩個(gè)活塞產(chǎn)生的位移不同，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，光電探測器把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過放大整流濾波等處 理環(huán)節(jié)后輸入到信號(hào)處理器中，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。
[0015] 傳感器探頭部分的工作原理為：①當(dāng)傳感器探頭未工作時(shí)，左右兩側(cè)檢測腔內(nèi)無 流體流入，兩活塞處于初始位置，此時(shí)兩側(cè)阻尼彈簧均處于自然狀態(tài)(無拉伸與壓縮形變)， 活塞不產(chǎn)生軸向位移。因此，傳感器兩側(cè)相同結(jié)構(gòu)的光纖探頭與活塞端面反光片之間的距 離為初始距離，從而兩光纖探頭接收光纖的輸出光信號(hào)強(qiáng)度相等，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理 計(jì)算后輸出值為〇 ;②當(dāng)傳感器探頭工作中，左右兩側(cè)檢測腔內(nèi)流體壓力相等時(shí)，此時(shí)兩側(cè) 阻尼彈簧被壓縮相同的長度，活塞產(chǎn)生相同的軸向位移。因此，傳感器兩側(cè)光纖探頭與反光 片之距離相等，從而兩光纖探頭接收光纖的輸出光信號(hào)強(qiáng)度相等，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理 計(jì)算后輸出值亦為〇 ;③當(dāng)活塞左右兩側(cè)檢測腔內(nèi)的流體存在壓力差時(shí)，此時(shí)兩側(cè)阻尼彈 簧被壓縮的長度不同，活塞產(chǎn)生的軸向位移也不同。因此，傳感器兩側(cè)光纖探頭與反光片之 距離就會(huì)不相等，從而兩光纖探頭接收光纖的輸出光信號(hào)強(qiáng)度不等，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)檢測腔內(nèi)流體的壓力差大小。
[0016] -、傳感器強(qiáng)度補(bǔ)償原理
[0017] 參照圖1，該方法中光源發(fā)出的光經(jīng)過Y型耦合器等分為兩路，一路進(jìn)入傳感器探 頭一端，經(jīng)反射后到達(dá)第一個(gè)光電探測器，另一路經(jīng)參考光纖傳輸?shù)降诙€(gè)光電探測器，那 么兩光電探測器的輸出信號(hào)分別為：
[0020] 式中：_為光源輸出的光功率為入射光纖的透過率為接收光纖的透過 率；4?參考光纖的透過率； ^為第一、第二個(gè)光探測器的靈敏度為耦合比；￥為 該側(cè)探頭調(diào)制函數(shù)。
[0021] 同理，另一光源發(fā)出的光經(jīng)過另一Y型耦合器等分為兩路，一路進(jìn)入傳感器探頭 的另一端，經(jīng)反射后對應(yīng)到達(dá)第三個(gè)光電探測器，另一路經(jīng)參考光纖傳輸?shù)降谒膫€(gè)光電探 測器，那么第三、第四兩光電探測器的輸出信號(hào)分別為：
[0024] 式中：?:為光源輸出的光功率丨、&為第三、第四個(gè)光電探測器的靈敏度；@為 耦合比；JSg為該側(cè)探頭調(diào)制函數(shù)。
[0025] 再對（1)、（ 2 )兩式做減法計(jì)算有：
[0029] 式中：:蘆為反射率，為兩探頭所受到的外界壓力，M為入射光纖與接收光 纖的數(shù)值孔徑，I為光纖之間的距離，F(xiàn)為光纖半徑，泉為接收光纖數(shù)量，為光纖束與反光 片的調(diào)定距離。
[0032] 因?yàn)樵O(shè)計(jì)中傳感器兩探頭的結(jié)構(gòu)相同，所以其結(jié)構(gòu)參數(shù)猶、l、r、輕:、:#可認(rèn)為相 等，那么輸出量尤::由兩探頭外界壓力:卷 :1:所決定。
[0033] 通過上式還可看出，通過對光的強(qiáng)度補(bǔ)償，能很好的消除光源功率波動(dòng)、及耦合器 帶來的誤差，同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用對稱設(shè)計(jì)，選用穩(wěn)定的光電檢測元件，從而避免其他因素引 入的誤差，使（5)中的#與％、%、_:、_忽略。使得（5)簡化為：
[0035] 二、傳感器數(shù)學(xué)模型
[0036] 2. 1強(qiáng)度調(diào)制數(shù)學(xué)模型
[0037] 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 下圖3所示，光纖束中的出射光纖TF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RF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d發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)反射定理，隨著d 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d進(jìn)一步的增大，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。下面對這一過程進(jìn)行定量分析：
[0038] 設(shè)傳感器的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)為M，是RF接收的光通量與TF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：
[0040] 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。
[0041] 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：
[0043] 式中錢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。
[0044] 則光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)靡3:
[0046] 因?yàn)楣夤β蕮p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/的比值確定。
[0047] (3)式中反射光錐端面半徑R可由下式計(jì)算：
[0049] 式中，為發(fā)射光纖半徑，M為光纖的數(shù)值孔徑，〇為光纖探頭與反光片之間的距 離。
[0050] (3)式中反射光錐端面和接收光纖端重合面積S可由下式計(jì)算：
[0053] 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)M的前坡曲線段的中間位置附近，此時(shí)對應(yīng)的反射光錐端面 和接收光纖端重合面積S為（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：
[0055] 2. 2傳感器數(shù)學(xué)模型
[0056] 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# 、_，則傳感器活塞兩側(cè)所受流體壓力分別為：
[0058] 式中：傳感器活塞兩側(cè)的截面積相等，多；
[0059] 又對活塞兩測進(jìn)行受力分析有：<