胡　浩　鐘麗瓊,2　張大斌

1.貴州大學(xué)，貴陽(yáng)，550025　　2.貴陽(yáng)學(xué)院，貴陽(yáng)，550003

一種基于強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)淖杂墒焦饫w束差壓傳感器

胡浩1鐘麗瓊1,2張大斌1

1.貴州大學(xué)，貴陽(yáng)，5500252.貴陽(yáng)學(xué)院，貴陽(yáng)，550003

對(duì)一種基于強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)淖杂墒焦饫w束差壓傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。傳感器探頭部分采用同結(jié)構(gòu)、雙探頭的設(shè)計(jì)，傳感器探頭采用機(jī)械式封裝；對(duì)傳感器的光纖部分進(jìn)行了強(qiáng)度補(bǔ)償設(shè)計(jì)與分析，并利用調(diào)制函數(shù)M，理論分析了補(bǔ)償后的輸出值R；在對(duì)兩傳感探頭施加相等的壓力p=20kPa情況下，改變光源的輸出功率，測(cè)出光電探測(cè)器的輸出電壓值，并在兩探頭存在不同的壓差Δp時(shí)，測(cè)出其輸出值R。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)強(qiáng)度補(bǔ)償后，輸出值R≈1，同時(shí)在不同的壓差作用下，輸出值R與壓差Δp在一段區(qū)域內(nèi)有較好的線性關(guān)系。研究結(jié)果表明：傳感器的強(qiáng)度補(bǔ)償效果明顯，可實(shí)現(xiàn)壓力差值的檢測(cè)。

強(qiáng)度補(bǔ)償；自由式；光纖束；差壓傳感器

0　引言

差壓傳感器廣泛應(yīng)用于微流量測(cè)量、泄漏測(cè)試、潔凈間監(jiān)測(cè)、環(huán)境密封性檢測(cè)、氣體流量測(cè)量、液位高低測(cè)量等高精度測(cè)量場(chǎng)合的壓差檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)差壓傳感器的研究主要集中于傳統(tǒng)的壓阻式差壓傳感器與電容式差壓傳感器[1-4]。由于傳統(tǒng)差壓傳感器存在不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)一些新型的差壓傳感器進(jìn)行研究。

光纖傳感技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，得到了很多學(xué)者的關(guān)注[5-6]，已出現(xiàn)了一些基于光纖傳感技術(shù)的差壓傳感器。Sheng等[7]、Jose等[8]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)，該傳感器靈敏度較高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本很高，不利于推廣。強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器技術(shù)中使用最廣泛的一種調(diào)制方法，學(xué)者們對(duì)該方法進(jìn)行了研究[9-13]，但對(duì)基于強(qiáng)度調(diào)制的光纖差壓傳感器的研究很少。Kinugasa[14]提出了一種反射式光纖差壓傳感器的構(gòu)思，利用反射面與光纖距離的變化來(lái)檢測(cè)外部壓力差的情況。佟成國(guó)等[15]設(shè)計(jì)了一種雙C形彈簧管的光纖差壓傳感器，依據(jù)強(qiáng)度調(diào)制原理在兩個(gè)雙C形彈簧管內(nèi)對(duì)壓差進(jìn)行檢測(cè)。但現(xiàn)有文獻(xiàn)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)汝P(guān)鍵因素未做深入研究。本文提出了一種基于反射面形變的光纖束強(qiáng)度調(diào)制差壓傳感器，并對(duì)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與研究。

1　傳感器的結(jié)構(gòu)及原理

1.1傳感器探頭結(jié)構(gòu)原理

圖1為光纖差壓傳感器探頭部分的結(jié)構(gòu)原理圖。光纖差壓傳感器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的壓力檢測(cè)探頭組成，被測(cè)流體首先進(jìn)入檢測(cè)腔A中，A腔內(nèi)的壓力增大，使彈性膜片發(fā)生形變，彈性膜片緊固在傳感器探頭殼體上，則接收光纖的輸出光強(qiáng)度就會(huì)隨之發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)出接收光纖輸出光強(qiáng)的變化量來(lái)判斷檢測(cè)腔內(nèi)的壓力變化量。這種雙探頭的設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：探頭部分能夠自由活動(dòng)，可以自由選擇需要檢測(cè)的位置進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)過(guò)程中，探頭可直接固定于檢測(cè)位置，而不用進(jìn)行引流，從而避免了引流管引流過(guò)程發(fā)生的凍結(jié)、堵塞和遲滯現(xiàn)象；同時(shí)還能根據(jù)檢測(cè)需要，設(shè)計(jì)出幾何尺寸與檢測(cè)范圍不同的探頭，用以滿足一些特殊需求等。

圖1　光纖差壓傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2傳感器的封裝

傳感器探頭在工作中要穩(wěn)定可靠，不應(yīng)受到外界碰撞、振動(dòng)等因素的干擾，同時(shí)為了保護(hù)探頭內(nèi)的敏感元件和解決光纖與反射彈片中心對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，避免由兩個(gè)探頭本身結(jié)構(gòu)的差異帶來(lái)的誤差，就必須對(duì)其進(jìn)行封裝。為了使探頭穩(wěn)固，便于加工實(shí)現(xiàn)、裝配及維修更換，本文采用圖2所示的機(jī)械式封裝方法。

1.光纖束　2.殼體　3.墊圈　4.過(guò)濾網(wǎng)　5.擋圈　6.密封圈　7.彈性膜片　8.端蓋　9.螺紋套圖2　探頭封裝結(jié)構(gòu)

圖2中，流體從引入口流入，經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)4后進(jìn)入檢測(cè)腔，為了減少流體的擾動(dòng)，檢測(cè)腔內(nèi)安裝了具有杯狀空腔的玻璃體，玻璃體通過(guò)殼體2與擋圈5進(jìn)行固定。為了防止泄漏，彈性膜片7與擋圈5之間加裝了密封圈6。彈性膜片通過(guò)端蓋8進(jìn)行壓緊固定，端蓋8與殼體采用緊配合，光纖束1固定在螺紋套9內(nèi)，加工時(shí)能較好地保證傳感器殼體、端蓋、螺紋套的圓度與同軸度，從而能保證光纖束與彈性膜片的中心對(duì)準(zhǔn)，避免檢測(cè)中某個(gè)探頭因光纖束與彈性膜片的位置偏差而產(chǎn)生誤差。螺紋套與端蓋采用螺紋連接，并在螺紋套表面刻有刻度，從而可以通過(guò)螺紋配合的旋進(jìn)來(lái)調(diào)整光纖束與彈性膜片的距離。通過(guò)機(jī)械封裝還能在光纖束與彈性膜片之間形成暗腔，從而避免背景光帶來(lái)的噪聲。

1.3傳感器的強(qiáng)度補(bǔ)償

對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制原理的反射式光纖差壓傳感器，不同探頭的輸出光強(qiáng)度勢(shì)必會(huì)受到光源波動(dòng)、光纖長(zhǎng)度、光纖彎曲度、耦合器件等因素的影響，從而使檢測(cè)結(jié)果存在較大誤差，因此，應(yīng)對(duì)光纖差壓傳感器進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償。如圖3所示，利用光橋平衡方法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償；圖4為其光路的結(jié)構(gòu)圖。

圖3　強(qiáng)度補(bǔ)償原理圖

圖4　光路結(jié)構(gòu)圖

圖3、圖4中，兩光源S1、S2輪流等時(shí)發(fā)光，t1表示S1的發(fā)光時(shí)間，t2表示S2的發(fā)光時(shí)間，t1時(shí)間內(nèi)，光源S1發(fā)出的光經(jīng)Y形耦合器分為兩路，一路進(jìn)入探頭M1，經(jīng)反射后到達(dá)光電探測(cè)器D1，另一路直接到達(dá)光電探測(cè)器D2；t2時(shí)間內(nèi)，光源S2發(fā)出的光經(jīng)Y形耦合器分為兩路，一路進(jìn)入探頭M2，經(jīng)反射后到達(dá)光電探測(cè)器D1，另一路直接到達(dá)光電探測(cè)器D2。差壓傳感器的兩探頭結(jié)構(gòu)相同，其調(diào)制函數(shù)分別為

(1)

式中，μ為反射率；p1、p2分別為兩探頭所受到的外界壓力；N為入射光纖與接收光纖的數(shù)值孔徑；l為光纖之間的距離；r為光纖半徑；n為接收光纖數(shù)量；RB為彈性膜片半徑；A為彈性形變系數(shù)；h為光纖與膜片調(diào)定距離。

探測(cè)器D1、D2的輸出值大小主要由光源輸出光功率、光纖透過(guò)率、光探測(cè)器靈敏度、耦合器耦合比與檢測(cè)探頭調(diào)制特性等參數(shù)決定。經(jīng)過(guò)圖3的強(qiáng)度補(bǔ)償之后，在t1時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器D1、D2的輸出值可表示為

(2)

其中,S1、S2分別為兩光源的輸出光功率；L1、L2、L3、L4分別為各輸入、輸出光纖的透過(guò)率；D1、D2分別為兩光電探測(cè)器的靈敏度；C12、C22為耦合比。在實(shí)際測(cè)試中，探測(cè)器D1、D2均以電壓信號(hào)輸出，單位為V。

在t2時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器D1、D2的輸出值可表示為

(3)

分別將D1、D2的輸出值相除可得

(4)

(5)

以式(4)、式(5)的比值作為最后的測(cè)量值：

(6)

再把調(diào)制函數(shù)M1、M2代入式(6)可得

(7)

因?yàn)樵O(shè)計(jì)中傳感器兩探頭的結(jié)構(gòu)相同，所以可認(rèn)為其結(jié)構(gòu)參數(shù)N、l、r、n、RB、A、h相等，則輸出值R的大小由兩探頭外界壓力p1、p2所決定。

由式(7)還可看出，光源功率的波動(dòng)、光纖傳輸損耗的變化以及光探測(cè)器靈敏度的漂移都已經(jīng)得到了消除，而耦合比對(duì)系統(tǒng)誤差的影響已經(jīng)很小，可通過(guò)后期的計(jì)算對(duì)其進(jìn)行修正。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

應(yīng)用上文設(shè)計(jì)的光纖束差壓傳感器進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償效果實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)分別檢測(cè)兩傳感器探頭輸出的電信號(hào)，其檢測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5　光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中光源選用半導(dǎo)體激光器LD，該激光器具有很窄的輸出光譜線寬和出色的邊模抑制比，其輸出峰值波長(zhǎng)為1310 nm。光電探測(cè)器選用PIN光電二極管，該光電二極管工作波長(zhǎng)范圍為1100～1650 nm，暗電流最大為1 nA，光響應(yīng)度最小為0.85 A/W，響應(yīng)時(shí)間為0.1 ns。調(diào)定傳感器探頭中光纖束與膜片的初始距離為0.5 mm，膜片材料為不銹鋼表面鍍鋁鏡，光纖束為多股入射光纖與單股出射光纖加工成束。通過(guò)控制電路使光源輪流發(fā)光，其發(fā)光間隔時(shí)間設(shè)置為15 s，在外界壓力作用下，測(cè)試結(jié)果(兩測(cè)試探頭的作用壓力均為20 kPa)如圖6、圖7所示。

圖6　D1、D2輸出值

圖7　強(qiáng)度補(bǔ)償R值

圖6、圖7所示分別為對(duì)傳感器兩探頭施加相同壓力且壓差為0時(shí)，光源產(chǎn)生功率波動(dòng)，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)到的兩探頭電壓值。第一次記錄時(shí)間為10 s，以后每隔15 s記錄一次。當(dāng)光源為同功率輸出時(shí)，輸出電壓值變化很小，在圖6中近似為一條直線；當(dāng)光源為變功率輸出時(shí)，輸出電壓值變化較明顯，在圖6中呈鋸齒形的波狀。如果不對(duì)這類波動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償，得到的測(cè)量值與真實(shí)值之間就存在較大誤差。因此，本文應(yīng)用圖3所示強(qiáng)度補(bǔ)償方法對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償。圖7中的R值即為應(yīng)用補(bǔ)償算法得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可以看出，即使光源發(fā)生了較大功率變化，R值也在1附近變化，不難算出同功率時(shí)R=0.9982，單變功率時(shí)R=1.008，雙變功率時(shí)R=0.9968，這就說(shuō)明通過(guò)強(qiáng)度補(bǔ)償后的輸出值不會(huì)隨光源的波動(dòng)而變化，其輸出值主要由兩探頭之間的差壓大小所決定，從而通過(guò)本設(shè)計(jì)能較好地實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。

圖8所示為兩傳感探頭在不同的壓力作用下，形成不同的壓差Δp時(shí)，輸出的R值變化情況。從圖8中可看出負(fù)壓(即探頭2壓力大于探頭1壓力)與正壓(即探頭1壓力大于探頭2壓力)的前端曲線線性度較好，可把線性度很好的-40～40 kPa壓力區(qū)域作為差壓傳感器的工作區(qū)域，再對(duì)強(qiáng)度補(bǔ)償后的R值進(jìn)行平移及線性化標(biāo)定，即可使輸出值與各壓差值較好地對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界壓差的檢測(cè)。

圖8　Δp-R曲線

3　結(jié)論

(1)本文提出了一種雙探頭結(jié)構(gòu)的自由式光纖束差壓傳感器，這種雙探頭的設(shè)計(jì)使得探頭能夠自由活動(dòng)，可以自由選擇需要檢測(cè)的位置進(jìn)行檢測(cè)。探頭還能直接固定于檢測(cè)位置，而不用進(jìn)行引流，從而避免了引流管引流過(guò)程發(fā)生的凍結(jié)、堵塞和遲滯現(xiàn)象。根據(jù)檢測(cè)需要，還可設(shè)計(jì)出幾何尺寸與檢測(cè)范圍不同的探頭，從而滿足一些特殊需求。

(2)對(duì)傳感器探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用機(jī)械式封裝方法對(duì)其進(jìn)行了封裝，使探頭具有穩(wěn)固、便于加工實(shí)現(xiàn)、便于裝配、便于維修更換等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能使兩探頭結(jié)構(gòu)相同，從而避免了由兩個(gè)探頭本身結(jié)構(gòu)的差異帶來(lái)的誤差。對(duì)傳感器進(jìn)行了強(qiáng)度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，應(yīng)用光橋平衡補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)了傳感器的強(qiáng)度補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)該方法的強(qiáng)度補(bǔ)償后其輸出值為式(6)，可見(jiàn)這一輸出量R僅由兩探頭外界壓力值的變化所決定。

(3)應(yīng)用該傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的強(qiáng)度補(bǔ)償效果明顯，經(jīng)過(guò)強(qiáng)度補(bǔ)償后的信號(hào)，通過(guò)后期的計(jì)算處理即可對(duì)兩傳感探頭之間的壓差值進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)差壓傳感器的檢測(cè)過(guò)程。

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(編輯陳勇)

A Kind of Freestyle Optical Fiber Bundle Differential Pressure Sensor Based on Intensity Compensation

Hu Hao1Zhong Liqiong1,2Zhang Dabin1

1.Guizhou University,Guiyang,5500252.Guiyang College,Guiyang,550003

A kind of freestyle optical fiber bundle differential pressure sensor based on intensity compensation was designed and researched. Firstly, the sensor probe part was designed with double probe and the same structure, and was packaged by mechanical style. Then, the sensor fiber part was designed and analyzed on the intensity compensation, after the compensation, the output value ofRwas analyzed theoretically with the modulation functionM. Finally,Rwas tested out under different conditions, changing the output power of the light source when there is same pressurep=20 kPa in two probes, or inputting different pressures in two probes.Experimental results show that: through strength after compensation, the output valueR≈1, at the same time under the influence of different pressure differentials, the output valueRand pressure difference Δpwithin a certain area is of a good linear relationship. Through the above research it is proved that the effects of intensity compensation are obvious and can detect pressure difference.

intensity compensation;freestyle;optical fiber bundle;differential pressure sensor

2013-08-28

貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(20112190)；貴州省科技廳、貴陽(yáng)市科技局、貴陽(yáng)學(xué)院聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(LKG201339)

TH74；TH823DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.010

胡浩，男，1980年生。貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)、機(jī)械制造等。發(fā)表論文9篇。鐘麗瓊(通信作者)，女，1981年生。貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。張大斌，男，1976年生。貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。