一種雙活塞光纖流體差壓傳感器及其強度補償性能

胡 浩，羅 毅，鐘麗瓊

（貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽550003）

1 引言

光纖傳感技術是隨著光導纖維和光纖通信技術的發展而形成的嶄新技術，興起于上世紀的七十年代末，因為光纖傳感器具有一些非常優越的性能，所以越來越受到人們的青睞。隨著光纖傳感技術的發展，該技術越來越多的應用于不同傳感器的開發［1-7］，如光纖微彎傳感器、光纖受抑全內反射傳感器、光纖輻射傳感器、光纖M-Z干涉儀、光纖F-P干涉儀、光纖電流傳感器、光纖布拉格光柵傳感器、分布式光纖傳感器、BOS晶體光纖電場傳感器等，而按工作原理區分，這些傳感器分別為強度調制型光纖傳感器、相位調制型光纖傳感器、偏振態調制光纖傳感器與頻率調制型光纖傳感器。近年，也有學者把光纖傳感技術融入到差壓傳感器的開發，文獻［8-9］提出了一種反射式光纖差壓傳感器，文獻［10］提出了一種雙C型彈簧管光纖差壓傳感器，文獻［11］提出了一種布拉格光柵光纖差壓傳感器，但相關文獻報告不多，主要集中在光纖強度調制差壓傳感器與光纖光柵差壓傳感器兩方面。其中，強度調制型較之光纖光柵型而言，雖然精度略低，但輸出信號易于處理，結構簡單，易于實現，且能滿足大多場合的檢測需求，因此得到了較多的研究。但現有研究通常為基于敏感元件形變的光強檢測，其線性度較差，且對其強度補償未做深入研究，而輸入光強的波動對檢測結果帶來的誤差又不容忽視。在此背景下，本文提出了一種雙活塞對稱式的光纖差壓傳感器結構，把基于敏感元件形變的檢測轉換為對微小位移的檢測，并對該結構傳感器進行強度補償研究，為這種新型差壓傳感器的實現提供一定的研究基礎。

2 傳感器系統

2.1 傳感器探頭

雙活塞光纖差壓傳感器探頭結構，如圖1所示。該傳感器探頭為左右對稱式結構，每一側均包括活塞、阻尼彈簧、端蓋、檢測腔、引流口、過濾網、高透玻璃、反光片、光纖探頭、通氣孔等部分，左右兩側共用外殼體與隔板。當左右兩側檢測腔內流體存在壓力差時，在活塞作用下，阻尼彈簧受壓縮程度會不同，從而使左右兩光纖探頭輸出的接收光強度大小不同，通過對接收光強度的比較既能判斷出左右兩檢測腔內的流體壓力差。

圖1 傳感器探頭Fig.1 Sensor Probe

2.2 系統設計

光纖差壓傳感器檢測系統，如圖2所示。該系統由光源、Y型耦合器、入射光纖、接收光纖、傳感器探頭、光電探測器、信號處理電路、計算機等部分組成。圖示系統分為上下兩部分，兩部分的光路及信號處理模塊均相同，上側光源發出的光耦合進入到入射光纖，再由Y型耦合器等分為兩路，一路為參考光，直接由光纖出射到光電探測器，進行光電轉換。另一路為檢測光，由入射光纖進入到傳感器探頭，照射在探頭內活塞上的反光片上，經反光片反射后再進入到接收光纖內，再經接收光纖出射到光電探測器，進行光電轉換。出射的參考光與檢測光經光電轉換后，由信號處理電路進行放大、濾波，再進行比值運算，從而得到上側光路的檢測輸出值；同理，下側光路通過上述過程，亦能輸出對應的檢測值，對上下側光路的檢測值再進行差值運算，既能得出傳感器差壓檢測的輸出值，最后在計算機內進行顯示。

圖2 傳感器系統Fig.2 Sensor System

3 強度補償原理

傳感器為強度調制型光纖傳感器，其調制原理是根據測出的光強變化來獲取被傳感參量變化的信息，那么光源、光纖、光纖耦合器、光電探測器等引起的光強變化是該傳感器的主要誤差來源，需要對其進行強度補償，以盡可能的消除誤差對檢測結果的影響。傳感器的強度補償原理，如圖3所示。圖中光源S1與S2發出的光耦合進入到光纖內，經過耦合器Y1與Y2后，分別分為兩路，一路由入射光纖L1、L3進入到傳感器探頭M1、M2，經強度調制后到達光電探測器C1、C3，另一路由參考光纖L2、L4進入到光電探測器C2、C4，則探測器C1、C2所得光信號分別為：

圖3 傳感器強度補償原理圖Fig.3 Sensor Strength Compensation Schematic Diagram

其比值為：

探測器C3、C4所得光信號分別為：

其比值為：

那么傳感器最終輸出信號為：

從上述（2）式與（4）式不難看出，通過比值計算可以消除光源功率波動及耦合器所引起的誤差，這部分誤差是本傳感器檢測的主要誤差來源。但不能消除光纖損耗與光電探測器靈敏度變化引起的誤差，設計中應該盡量使入射光纖與參考光纖保持相同結構與狀態，并使光電探測器靈敏度穩定，從而就能使傳感器檢測結果穩定可靠。

如果假設光纖損耗與光電探測器靈敏度變化引起的誤差可以忽略不計，則上述（6）式即為：

（7）式說明，此時傳感器的輸出信號R僅與傳感器兩側光纖探頭的強度調制函數相關，所以當傳感器結構參數確定以后，輸出信號R僅與傳感器兩側檢測腔壓力差有關。

4 強度補償實驗

利用上述傳感器系統進行強度補償實驗，實驗系統兩光源選用波長相同的紅光二極管，其波長為650nm，光電探測器選用光敏電阻，接入到光強度信號處理電路，進行光電信號的轉換與處理，再用計算機進行數據的最終計算與顯示。強度補償實驗傳感器樣機，如圖4所示。為了試制方便，在不影響實驗結果的前提下，把傳感器探頭左右檢測腔進行了分開加工。

圖4 傳感器樣機Fig.4 Sensor Prototype

實驗初始狀態，為了使左右兩接收光纖輸出光強度相等，傳感器兩檢測腔內均不引入壓力流體，兩檢測腔內壓力均為零，不存在壓力差。實驗中，通過調節光源S1與S2的輸出功率，紀錄下不同光源功率時未進行強度補償的輸出電壓，左右兩光源輸出功率分別按照100%輸出、80%輸出、60%輸出依次循環進行，每一次循環讀取一組數據，共記錄3組9次數據，測試出實驗結果，如表1、表2所示。表1、表2數據的曲線形式，如圖5～圖6所示。

表1 光源功率變化時輸出電壓Tab.1 Output Voltage of Light Source with Power Change

表2 強度補償后輸出值Tab.2 Output after Strength Compensation

圖5 光電探測器輸出電壓Fig.5 Output Voltage of Photodetector

圖6 強度補償輸出值Fig.6 Intensity Compensation Output Value

從上表1不難看出，當光源S1功率發生變化時，左側光電探測器C1與光電探測器C2的輸出電壓會隨之發生較大的變化；當光源S2功率發生變化時，右側光電探測器C3與光電探測器C4的輸出電壓也會隨之發生較大的變化，這一點從圖5中所示的曲線也能清楚的看出，圖中的曲線在光源功率波動時均呈現規律性的鋸齒狀變化，最大輸出值比最小輸出值增大67%左右。這說明，光源的輸出功率波動對光電探測器的檢測信號影響較大，如果按照此輸出值作為最終的檢測值是不可靠的。而表2所示即為強度補償后的輸出值，從表中不難看出，經過強度補償后，左側輸出值I12均在1附近波動，最大輸出值僅比最小輸出值大2.5%左右；右側輸出值I34也在1附近波動，最大輸出值比最小輸出值大3.1%左右。這說明經過強度補償后，傳感器左右兩檢測腔的輸出值在檢測壓力不變的情況下也能維持在一個定值，不會因為光源功率的波動而發生變化，達到了強度補償的效果。上圖6（a）的輸出值I曲線也能直觀的反映出輸出值在1附近變化，且上下偏差在±0.03范圍內，即誤差小于±3%；上圖6（b）的最終輸出值在0值附近變化，上下偏差也在±0.03范圍內，波動很小，這說明了傳感器在左右兩檢測腔的壓差為0時，其最終輸出值R也為0，該輸出值可以很好的反映此時的檢測壓力差情況。

5 結論

本文首先設計了一種基于雙活塞的光纖差壓傳感器系統，該系統包括光源、Y型耦合器、入射光纖、接收光纖、傳感器探頭、光電探測器、信號處理電路、計算機等部分；同時對傳感器探頭進行了設計，探頭為一種雙活塞左右對稱式結構，當左右兩側檢測腔內流體存在壓力差時，左右兩光纖探頭接收光纖出射光強度大小會不一樣，以此判斷出被測流體的壓力差；再進行了傳感器的強度補償分析，通過分析可知，本文傳感器可以消除光源功率波動及耦合器所引起的誤差，但不能消除光纖損耗與光電探測器靈敏度變化引起的誤差，設計中應該盡量使入射光纖與參考光纖保持相同結構與狀態，并使用靈敏度穩定的光電探測器，從而進一步消除后兩種情況帶來的誤差；最后進行了傳感器系統的強度補償實驗，當光源功率發生變化時，光電探測器的輸出電壓會隨之發生較大的變化，最大輸出值比最小輸出值增大67%左右。經過強度補償后，傳感器左右兩檢測腔的輸出值在檢測壓力不變的情況下也能維持在一個定值，不會因為光源功率的波動而發生變化，達到了強度補償的效果。