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] 本發(fā)明設(shè)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(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] 本發(fā)明的目的在于；提供一種單活塞阻巧式光纖差壓傳感器，W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。 本發(fā)明的方案如下；一種單活塞阻巧式光纖差壓傳感器，包括探頭結(jié)構(gòu)、光敏元件和 信號處理模塊，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)滑動設(shè)置有活塞，活 塞的兩端分別設(shè)置有一個彈黃，兩個彈黃的一端均固定于活塞上，殼體的兩端分別密封固 定有端蓋，兩個彈黃的另一端分別固定于所對應(yīng)的端蓋上，兩個端蓋上的相對位置上分別 開設(shè)有一個貫通所在端蓋的探頭插孔，兩個探頭插孔內(nèi)分別密封設(shè)置有透光片，兩個探頭 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的位置處分別固定有反光片，殼體兩端的側(cè)壁上或兩個端蓋 上分別開設(shè)有一個與殼體內(nèi)腔連通的流體通孔，兩個光纖探頭中接收光纖的出射端分別與 一個光敏元件相連，每個光敏元件對應(yīng)連接有一個信號處理模塊。
[0004] 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 媒1卽勺多模光纖，接收光纖W入射光纖為中屯、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 ; 優(yōu)選地，兩個彈黃的結(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，兩個彈黃均處于自然狀態(tài)，即彈黃無拉伸與壓縮形變； 優(yōu)選地，兩個探頭插孔均開設(shè)在所在端蓋的正中屯、位置，兩個探頭插孔、活塞=者同 軸，自然狀態(tài)下，其中一個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光纖探 頭到另一個反光片的距離相同； 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； 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)； 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)有彈黃定位槽，彈黃定位槽為環(huán)形槽，且彈黃定位槽的 內(nèi)徑小于等于彈黃內(nèi)徑，彈黃定位槽外徑大于等于彈黃的外徑，彈黃的一端伸在并固定于 彈黃定位槽內(nèi)； 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)； 優(yōu)選地，兩個流體通孔分別開設(shè)于殼體兩端的側(cè)壁上，每個流體通孔與位于該端的端 蓋上的凸起部相對應(yīng)，凸起部上對應(yīng)流體通孔的位置處開設(shè)有與彈黃定位槽相連通的通 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)； 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； 優(yōu)選地，活塞的材質(zhì)為硬質(zhì)合金； 傳感器的工作原理為；入射光纖另一端與光源對接，用W禪合入射光，接收光纖出射端 與光敏元件連接，輸出光強(qiáng)度信號，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)阻巧彈黃，另一側(cè)阻巧彈黃被拉伸，活塞運(yùn)動到一個新的軸向合力為 零的平衡位置?；钊幱谥胁科胶馕恢脮r，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強(qiáng)度相等，光敏元件把光信號轉(zhuǎn)化為 電信號，該信號經(jīng)過信號處理模塊放大、整流、濾波等處理環(huán)節(jié)，并配合相應(yīng)的算法計(jì)算，可 W得出兩檢測位置的流體壓力差，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號處理計(jì)算后輸出值為1;活塞向低壓 一側(cè)滑動后，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強(qiáng)度增強(qiáng)，經(jīng)光電轉(zhuǎn) 換及信號處理計(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)對不同位置壓力差的檢 測。
[0005] -、該傳感器強(qiáng)度補(bǔ)償原理 參照圖3,該方法中光源S發(fā)出的光經(jīng)過?禪合器等分為兩路，一路進(jìn)入探頭Ml側(cè)， 經(jīng)反射后到達(dá)光電探測器A，另一路進(jìn)入探頭側(cè)，經(jīng)反射后到達(dá)光電探測器巧2。那么 兩光電探測器的輸出信號分別為：
式中；S為光源輸出的光功率；ir為入射光纖的透過率；為為接收光纖的透過率；巧I、^?3為光探測器的靈敏度為禪合比。
[0006] 對為、/2相除可得：
根據(jù)上式可W得出，經(jīng)過計(jì)算處理的輸出信號消除了光源的功率波動與禪合器的誤 差。同時在設(shè)計(jì)中采用對稱設(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。
[0007] 二、傳感器數(shù)學(xué)模型 2. 1強(qiáng)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(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 束中的接收光纖思端面。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誠:生變化時，根據(jù)反射定理，隨著巧^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 面對該一過程進(jìn)行定量分析： 設(shè)傳感器的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)為％是思接收的光通量與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。在該里為了數(shù)學(xué)模型的簡化，W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：
(1) 式中巧為入射光的光功率損耗系數(shù)；&^為光源禪合到發(fā)射光纖中的光通量；貨％反射 光錐端面的半徑。
[0008] 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A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。
[000引則光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)物J:
(3) 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，那么廚直的大小主要由 5^與7?"的比值確定。
[0010] (3)式中反射光錐端面半徑佈T由下式計(jì)算：
(4) 式中；5為發(fā)射光纖半徑，倘為光纖的數(shù)值孔徑，巧/光纖探頭與反光片之間的距離。
[0011] (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：
(5) 式中；Z為發(fā)射光纖與接收光纖的中屯、距，5為接收光纖半徑，為光錐底端與接收 光纖端面相交后形成的圓屯、角
[0012]為了使本發(fā)明設(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)礎(chǔ)勺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 收光纖端重合面積公與（5)式中的第二式，那么本發(fā)明傳感器單側(cè)強(qiáng)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(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)分別為巧、巧， 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5k=S3 =S; 又對活塞兩測進(jìn)行受力分析有：
(8) 式中；&為彈黃初始形變量，為活塞位移量，為兩側(cè)彈黃剛度系數(shù)，又兩側(cè)彈黃 相問，所= ^ =t。
[001引貝lj(8)式可簡化為； 巧-巧(9) 聯(lián)立（7)、（9)式有；
（10) 由于傳感器尺寸與阻巧彈黃已經(jīng)在設(shè)計(jì)階段確定，所W上式（10)中&與S為常數(shù)，那 么活塞位移量A*：與傳感器兩側(cè)壓力差成正比。
[0014] 又設(shè)兩為傳感器內(nèi)兩側(cè)光纖束與反光片之間的初始距離；馬、車為傳感器內(nèi)彈 黃發(fā)生變形后，兩側(cè)光纖束與反光片之間的距離，其中馬為高壓側(cè)、馬為低壓側(cè)。則有：
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，兩側(cè)檢測 腔的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)?、如不難看出4、運(yùn)為關(guān)于AP的一元函數(shù)，因?yàn)?、#中的其它參數(shù)在傳 感器設(shè)計(jì)階段就已確定，所W均為常數(shù)。為了消除光源的強(qiáng)度波動對傳感器帶來的誤差，傳 感器輸出值為4、姿的比值，從而對傳感器進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償。因此，傳感器數(shù)學(xué)模型可表示為：
(14) 通過上述數(shù)學(xué)模型即可得到傳感器兩側(cè)壓力差A(yù)F與輸出光信號大小的關(guān)系。
[0015] 立、結(jié)果與分析 根據(jù)^上理論基礎(chǔ)和公式，選取初始值n=。-Imw、腳=〇l5、=〇獅《?、￡ = 2mm、山[:認(rèn)0mm變化到0. 3mm，即是兩端傳輸距離|||從0. 866mm到1. 166mm，ii|從0. 866mm至Ij 0. 566mm時，傳感器的輸出結(jié)果。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)位移增加一側(cè)(高壓側(cè))光通量變化如 圖5所示；對應(yīng)位移減小一側(cè)(低壓側(cè)）光通量變化如圖6所示； 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。該是因?yàn)閭鞲衅鞒跏紶顟B(tài)工作于強(qiáng)調(diào)制函數(shù)礎(chǔ)勺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相交狀態(tài)，此時隨著距離端]遞增，禪合進(jìn)入到接收光纖的 光強(qiáng)度增大，所W高壓側(cè)光通量呈遞增趨勢，同時保持較好的線性度。
[0016] 根據(jù)圖6不難看出，低壓側(cè)的光通量隨著活塞的遠(yuǎn)離而呈遞減趨勢，同樣具有較 好的線性度。與高壓側(cè)同理，此時隨著距離端]減少，會使禪合進(jìn)入到接收光