一種對(duì)稱式光纖束差壓傳感器結(jié)構(gòu)及性能

胡 浩 鐘麗瓊,2

1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽，550025 2.貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴陽，550003

一種對(duì)稱式光纖束差壓傳感器結(jié)構(gòu)及性能

胡 浩1鐘麗瓊1,2

1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽，550025 2.貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴陽，550003

對(duì)一種對(duì)稱式光纖束差壓傳感器的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究。提出了一種兩相同結(jié)構(gòu)檢測探頭與橋式光路組成的對(duì)稱式光纖束差壓傳感器，傳感器探頭采用機(jī)械式封裝；對(duì)傳感器進(jìn)行理論研究，建立了強(qiáng)度調(diào)制數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算與分析；最后試制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：探頭與膜片在不同設(shè)計(jì)尺寸下，傳感器具有不同的量程、輸出靈敏度、檢測分辨率、線性度與重復(fù)性精度。研究結(jié)果表明，光纖束差壓傳感器具有較好的檢測性能，能滿足不同檢測場合的需要。

光纖光學(xué);差壓傳感器;幾何光學(xué);性能檢測

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，差壓傳感器在許多高精度檢測場合得到了越來越多的應(yīng)用。從微流量測量、泄漏測試、潔凈間監(jiān)測、環(huán)境密封性檢測到壓力場分布的測量、風(fēng)量的測量、人工呼吸器呼吸量的測量、房間之間的超微壓差測量等領(lǐng)域，無一不需要穩(wěn)定可靠的差壓傳感器。并且，隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，差壓傳感器的應(yīng)用空間會(huì)進(jìn)一步拓展，對(duì)差壓傳感器的技術(shù)要求也會(huì)越來越高，正因如此，現(xiàn)今許多學(xué)者都致力于對(duì)差壓傳感結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與性能的提高，以期能使其更好地服務(wù)于現(xiàn)代工業(yè)檢測領(lǐng)域[1-5]。現(xiàn)今差壓傳感器主要為壓阻式與電容式兩種。壓阻式差壓傳感器的靈敏度與頻率響應(yīng)之間存在著比較突出的矛盾，且溫度對(duì)這種傳感器的性能影響較大；電容式差壓傳感器的缺點(diǎn)是寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測量精度有影響，以及與傳感器連接的電路比較復(fù)雜等。正是由于傳統(tǒng)差壓傳感器的諸多不足，國內(nèi)外學(xué)者開始對(duì)一些新型的差壓傳感器進(jìn)行研究。

光纖傳感器技術(shù)因具有諸多傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代傳感器研究中吸引了越來越多的關(guān)注[6-11]。近年來，不斷有學(xué)者致力于光纖差壓傳感器的研究，SHENG等[12]、ARIAS等[13]分別提出了一種基于布拉格光柵的光纖差壓傳感器結(jié)構(gòu)；KINUGASA[14]提出了一種反射式光纖差壓傳感器；佟成國等[15]設(shè)計(jì)了一種基于彈簧管結(jié)構(gòu)的光纖差壓傳感器。但目前人們對(duì)傳感器的實(shí)現(xiàn)、探頭結(jié)構(gòu)的合理性、反射面的工作狀態(tài)、誤差的補(bǔ)償?shù)仍S多關(guān)鍵因素未做深入研究。在此背景下，本文在對(duì)傳統(tǒng)差壓傳感器工作原理、性能及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合光纖傳感技術(shù)，提出了一種對(duì)稱式光纖束差壓傳感器，并對(duì)其結(jié)構(gòu)及工作性能進(jìn)行研究，以期使差壓傳感器的研發(fā)得到進(jìn)一步的拓展。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文中的傳感器采用壓力檢測探頭與橋式光路組成的對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，圖中D1、D2表示光電探測器，D1左側(cè)方框與D2右側(cè)方框表示信號(hào)處理模塊，傳感器系統(tǒng)兩光源S1、S2交替發(fā)光，每次發(fā)光時(shí)間相等，光源S1經(jīng)Y型耦合器分為兩路，一路傳送到D2，另一路傳送到檢測探頭1，經(jīng)反射后再傳送到D1；光源S2經(jīng)Y型耦合器分為兩路，一路傳送到D2，另一路傳送到檢測探頭2，經(jīng)反射后再傳送到D1，D1、D2把接收的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。該傳感器結(jié)構(gòu)能消除因光源功率不穩(wěn)定、入射光纖傳輸損耗等帶來的誤差，很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)光的強(qiáng)度補(bǔ)償。同時(shí)，該對(duì)稱式雙探頭結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可自由選擇需要檢測的位置進(jìn)行檢測；探頭可直接固定于檢測位置，而不用進(jìn)行引流；能根據(jù)檢測需要來使用幾何尺寸與檢測范圍不同的探頭，用以滿足一些特殊需求等。

圖1 傳感器系統(tǒng)Fig.1 Sensor system

對(duì)傳感器探頭采用機(jī)械式封裝方法進(jìn)行封裝。如圖2所示，該結(jié)構(gòu)在檢測腔內(nèi)安裝了具有杯狀空腔的玻璃體，以減少流體的擾動(dòng)。端蓋與殼體采用螺紋連接，通過端蓋與擋圈固定彈性膜片，光纖束固定在端蓋中孔的螺紋套內(nèi)，螺紋套與端蓋亦采用螺紋連接，螺紋套表面標(biāo)注尺寸刻度，通過螺紋套與端蓋的旋進(jìn)來調(diào)整光纖束與彈性膜片的距離。加工時(shí)保證傳感器殼體、端蓋、螺紋套等的圓度與同軸度。該機(jī)械式封裝結(jié)構(gòu)形成的暗腔還能避免背景光帶來的噪聲。

1.光纖束 2.殼體 3.墊圈 4.過濾網(wǎng) 5.擋圈 6.密封圈 7.彈性膜片 8.端蓋 9.螺紋套圖2 探頭的機(jī)械封裝結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical encapsulating structure of probe

2 傳感器理論模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文在傳感器光纖束探頭設(shè)計(jì)中，采用同軸式光纖束分布形式，這種分布形式緊湊、規(guī)則、易于加工實(shí)現(xiàn)。本文利用解析法原理，建立了傳感器探頭的強(qiáng)度調(diào)制模型，假設(shè)光纖出射光場強(qiáng)度為均勻分布。圖3為輸出光纖與反射面同軸分布的結(jié)構(gòu)簡圖，圖中l(wèi)AC、lBD為邊界出射光線長度，lCE、lDF分別為其發(fā)生曲面反射后的光線長度,而反射光光錐端面EF與接收光纖端面之間的位置關(guān)系如圖4所示，其中，TF表示輸出光纖，RF表示接收光纖。

圖3 同軸分布結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Coaxial distribution structure diagram

(a)兩圓相離

(b)兩圓相交

(c)兩圓相容圖4 反射光錐與接收光纖位置Fig.4 Position of the reflected light cone and RF

對(duì)上述分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析法建模，可得到以下數(shù)學(xué)模型(M為光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)，即接收光纖接收的光通量與入射光纖發(fā)送的光通量之比)：

(1)

θ=arcsinDNAk2=-4Am

n=-mcotθ+rcotθ+d

式中，r為光纖半徑(這里認(rèn)為兩光纖半徑相等，即rR=rT=r)；l為兩光纖端面中心距；DNA為光纖數(shù)值孔徑；d為光纖與膜片的初始距離；rB為膜片半徑；μ0為入射光的光功率損耗系數(shù)；μ1為接收光纖的損耗系數(shù)；x1、x2為圖4中標(biāo)示之距離；A為彈性膜片的形變系數(shù)；p為檢測壓力；E為彈性膜片彈性模量；t為彈性膜片厚度；μ為泊松比。

對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，即可得到輸出光纖與反射面同軸分布時(shí)的p-M曲線，分析出此時(shí)接收光強(qiáng)度隨外界壓力不同而發(fā)生變化的趨勢。

2.2 仿真分析

由式(1)可知，傳感器探頭接收光強(qiáng)大小受到d、l、r、DNA、rB、A等參數(shù)變化的影響，下面分別對(duì)各參數(shù)進(jìn)行分析，得出各參數(shù)變化時(shí)對(duì)應(yīng)的p-M曲線。

圖5所示為l=140μm，r=50μm，DNA=0.5，A=0.04×10-7，rB=5mm時(shí)的p-M曲線，d越大檢測范圍越大；圖6所示為d=250μm，r=50μm，DNA=0.5，A=0.04×10-7，rB=5mm時(shí)的p-M曲線，l越小峰值越大；圖7所示為d=250μm，l=140μm，DNA=0.5，A=0.04×10-7，rB=5mm時(shí)的p-M曲線，r越大峰值越大；圖8所示為d=250μm，l=140μm，r=50μm，A=0.04×10-7，rB=5mm時(shí)的p-M曲線，DNA越大檢測范圍越大；圖9所示為d=250μm，l=140μm，r=50μm，DNA=0.5，A=0.04×10-7時(shí)的p-M曲線，RB越大檢測范圍越小；圖10所示為d=250μm，l=140μm，r=50μm，DNA=0.5， rB=5mm時(shí)的p-M曲線，A越大檢測范圍越小。由仿真結(jié)果不難看出，各曲線變化趨勢相似，均為先上升后下降，d、l、r、DNA、rB、A等參數(shù)的變化會(huì)對(duì)傳感器的測量范圍與檢測靈敏度產(chǎn)生影響。為了使傳感器具有更好的線性度與靈敏度，設(shè)計(jì)時(shí)先以p-M特性曲線的后坡曲線作為傳感器的檢測區(qū)域，此時(shí)d、DNA、rB、A等參數(shù)主要影響傳感器的測量范圍，而l、r等參數(shù)主要影響傳感器的靈敏度；再根據(jù)不同檢測對(duì)象的需要，確定出各參數(shù)的具體數(shù)值，以指導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 p-M曲線(參數(shù)d變化)Fig.5 p-M curve(Parameter d changes)

圖6 p-M曲線(參數(shù)l變化)Fig.6 p-M curve(Parameterlchanges)

圖7 p-M曲線(參數(shù)r變化)Fig.7 p-M curve(Parameterrchanges)

圖8 p-M曲線(參數(shù)DNA變化)Fig.8 p-M curve(Parameter DNA changes)

圖9 p-M曲線(參數(shù)rB變化)Fig.9 p-M curve(ParameterrBchanges)

圖10 p-M曲線(參數(shù)A變化)Fig.10 p-M curve(ParameterAchanges)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)上述設(shè)計(jì)及理論分析，試制出光纖束差壓傳感器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由以下關(guān)鍵元件組成：穩(wěn)壓電源，可編程時(shí)間繼電器，峰值波長為650nm的紅光二極管光源， 1條入射光纖與26條接收光纖集合成同軸型光纖束，入射光纖與接收光纖均為多模光纖(數(shù)值孔徑DNA為0.2，芯徑為50μm)，機(jī)械式封裝傳感器探頭，光敏電阻等。光敏電阻接入光強(qiáng)度信號(hào)檢測模塊，先與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，進(jìn)行光電信號(hào)的前處理，再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的計(jì)算。傳感器探頭及彈性膜片的設(shè)計(jì)加工尺寸見表1。

表1 探頭及膜片尺寸

通過對(duì)測試探頭施加不同大小的壓力，使得兩探頭之間存在一定的壓力差值，來測試差壓傳感器在壓差檢測中的性能。分別對(duì)傳感器探頭A1、A2，B1、B2，C1、C2完成以下實(shí)驗(yàn)：

(1)傳感器探頭A2的作用壓力為0，改變傳感器探頭A1的作用壓力，使兩檢測位置實(shí)現(xiàn)0、0.2 kPa、0.4 kPa、0.6 kPa、0.8 kPa、1.0 kPa的正壓差；

(2)傳感器探頭A1的作用壓力為0，改變傳感器探頭A2的作用壓力，使兩檢測位置實(shí)現(xiàn)0、-0.2 kPa、-0.4 kPa、-0.6 kPa、-0.8 kPa、-1.0 kPa的負(fù)壓差；

(3)傳感器探頭B2的作用壓力為0，改變傳感器探頭B1的作用壓力，使兩檢測位置實(shí)現(xiàn)0、2 kPa、4 kPa、6 kPa、8 kPa、10 kPa的正壓差；

(4)傳感器探頭B1的作用壓力為0，改變傳感器探頭B2的作用壓力，使兩檢測位置實(shí)現(xiàn)0、-2 kPa、-4 kPa、-6 kPa、-8 kPa、-10 kPa的負(fù)壓差；

(5)傳感器探頭C2的作用壓力為0，改變傳感器探頭C1的作用壓力，使兩檢測位置實(shí)現(xiàn)0、20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa的正壓差；

(6)傳感器探頭C1的作用壓力為0，改變傳感器探頭C2的作用壓力，使兩檢測位置實(shí)現(xiàn)0、-20 kPa、-40 kPa、-60 kPa、-80 kPa、-100 kPa的負(fù)壓差。

圖11～圖13為傳感器在不同的壓差作用下最終的檢測輸出值曲線，其中，虛線為對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法的線性回歸直線；傳感器的最終輸出值R為光源1、2發(fā)光時(shí)光電探測器D1與D2輸出電壓之比的差值。三組實(shí)驗(yàn)的檢測量程分別為0～1 kPa、0～10 kPa、0～100 kPa。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：傳感器的輸出靈敏度K分別為0.011/(10-1kPa)、0.024/kPa、0.023/(10 kPa)；檢測分辨率分別為0.5 Pa、0.003 kPa、0.01 kPa左右；

圖11 A1、A2壓差檢測曲線Fig.11 A1、A2 differential pressure detection curve

圖12 B1、B2壓差檢測曲線Fig.12 B1、B2 differential pressure detection curve

圖13 C1、C2壓差檢測曲線Fig.13 C1、C2 differential pressure detection curve

線性度分別為3.56%、2.37%、2.8%；重復(fù)性精度分別為0.46%、0.37%、0.4%。后期再對(duì)其進(jìn)行壓力標(biāo)定，能很好地實(shí)現(xiàn)差壓檢測與讀取。

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱式的光纖束差壓傳感器，傳感器系統(tǒng)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的壓力檢測探頭與橋式光路組成，對(duì)傳感器探頭進(jìn)行機(jī)械式封裝。

(2)對(duì)傳感器的理論模型進(jìn)行了研究，建立了傳感器的強(qiáng)度調(diào)制數(shù)學(xué)模型，并采用仿真軟件對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算與分析，得到傳感器的特征p-M曲線，分析了d、l、r、DNA、rB、A等參數(shù)的變化對(duì)傳感器性能的影響。

(3)試制出光纖束差壓傳感器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過對(duì)兩個(gè)測試探頭施加不同大小的壓力，來測試差壓傳感器在壓差檢測中的性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)傳感器檢測性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖束差壓傳感器具有較好的檢測性能，較之傳統(tǒng)差壓傳感器，光纖束差壓傳感器的綜合性能得到了提高。

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(編輯 陳 勇)

Structures and Properties of a Symmetrical Optical Fiber Bundle Differential Pressure Sensor

HU Hao1ZHONG Liqiong1,2

1.College of Mechanical Engineering,Guizhou University, Guiyang，550025 2.College of Mechanical Engineering，Guiyang College, Guiyang，550003

The structures and properties of a symmetrical optical fiber bundle differential pressure sensor were studied herein. First, a kind of structures of symmetrical optical fiber bundle differential pressure sensor was put forward, which consisted of two identical structure detection probes and bridge optical paths, the detection probes adopted mechanical capsulation. Second, by theoretical studies on the sensor, a intensity modulation mathematical model was established, simulation calculations and analyses were carried out. Finally, an experimental prototype was pilot produced, and experimental researches were carried out.The experimental results of show that: under different design sizes of probes and the diaphragm, sensor has different measurement ranges, output sensitivities, detection resolutions, linearity and repeatability precisions.The results show that this symmetrical optical fiber bundle differential pressure sensor has a good detection performances,which may be able to meet needs of different detections.

fiber optics; differential pressure sensor; geometric optics; performances detection

2016-03-09

貴州省科技廳、貴陽市科技局、貴陽學(xué)院聯(lián)合基金資助項(xiàng)目 (LKG[2013]39)；貴州大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目([2014]43)；貴州省科學(xué)合作計(jì)劃資助項(xiàng)目(黔科合LH字[2015]7660)

O436DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2017.03.009

胡 浩，男，1980年生。貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師、博士。主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。E-mail:haohu0105@126.com。鐘麗瓊(通信作者)，女，1981年生。貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。