CN103454034B - 光纤微位移气压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量气体管道气压的光纤微位移传感装置，该装置通过使用两个透镜式的光纤自准直器和两个角锥膜片（一个参考膜片，一个待测膜片）得到两束相干光在2×2光纤耦合器中发生干涉，再经由一个3×3耦合器得到位相差为 的三束光，通过相应的计数电路和判相电路，便可以通过实时处理待测膜片的位移量实现对管道压强的测量。本发明设计原理科学，结构清晰，各部件加工方便，主要作为气体运输管道中压强的测量装置来使用。可精确测量管道的瞬态气压，为管道气压的实时变化建立一个实时的准确的数据系统，对实现管道的自动化监控和管理有重要意义。

Description

光纤微位移气压测量装置

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，特别是一种基于光纤透镜式自准直器和角锥反射膜片的微位移气压测量装置。

背景技术

随着人们生活水平的提高，天然气等气体能源逐渐成为人们需求的主流能源，而气体能源的分布不均衡就要求一个完善的气体管道系统来实现其运输。对于气体管道气压的实时监控可以随时掌握气体的运输情况，出现问题也能做到及时排查，避免了一些诸如气体泄漏会造成的不良影响。但是，至今绝大部分管道气压的测量采用的还是机械式的气压表来测量，只能通过人工的判读，没有实现自动化的测量，精度低，效率也低。而管道气压的实时监控，随着管道体系的日渐扩大和完善，对于管道维护和安全保障的重要性日益突出。另外，管道体系的扩大势必要求越来越全面的实时气压监控，倘若不能实现其自动化，这将会是一个极其庞大的、费时费力的工作量。

对于气压的自动化测量，在自动气象站中有一些应用（祝宇宏，桥式硅压阻器件在气压测量中的应用），如振动筒或电容膜盒传感器检测大气压力的变化。但振筒式气压传感器有时会停止工作，导致观测失败，此外，这种气压传感器还易受环境污染的影响，发生老化。电容式气压传感器是基于气压传感元件的形变产生电容变化来实现气压测量，但其膜盒的两个电极只有一个电极接地，存在电容干扰，虽采用电极屏蔽法可以避免导线内在电容的影响，但却引入了新的附加并联电容，当气压缓慢变化时，电容膜盒极板间电容的变化与附加的并联电容相比非常小，气压检测分辨率较低。电容膜盒气压传感器存在导线焊接引起的附加应力，导致焊接工艺产生参数离散性，当大气压变化较大时，膜盒有效电容的极板不是理想平面，且边缘效应不可忽略。将硅扩散电桥或电阻应变片用于检测气压传感器膜盒形变，气压传感器的性能得到一定改善，但仍然存在附加应力引起的测量误差。后来发展出了一种利用光纤位移传感器检测膜盒形变的方法（肖韶荣，光纤气压传感器特性分析），无电气连接产生的电容影响，无电磁干扰，无边缘效应，不存在由于接触带来的附加应力，也没有电气装配方面的影响，制作过程简单。但解调方式复杂，并且输出光场分布图像中央有一小的圆形暗区，使动态范围受到严格限制。

另外，对于压强的测量，通过测量液面与探测面之间压强来得到也为变化的液位传感器应用颇多。近年来采用光纤耦合器和光线自准直器来组成液位传感器的方法（骆宇锋，新型光纤液位传感器及其系统研究）较为常见，光线通过光线耦合器进入折射率渐变的光纤自准直器，在端面上分成一束反射光和一束透射光，透射光经探测膜面反射回来和原反射光发生干涉。这里选用的渐变折射率的光纤自准直器，使光路较为简单。但是也是因为选用的这个自准直器，它的口径较小，常见到产生的准直光束直径约在1mm左右，而经探测膜片反射回来的光要进入端口并产生干涉，就需要膜片与断面严格平行，否则将难以产生干涉。若用口径较大的自准直器，则会大大提高其造价。

发明内容

本发明设计了具有高分辨率的实用化的测试系统，根据待测膜片反射的光会与参考面的反射光发生干涉的原理，干涉条纹将可以反应待测膜片的微小位移信息。依靠高精度高响应频率的采集卡采集数据，通过更为简单的三步移相算法最终解算出应变大小，实现了对电磁发射轨道外臂应变的高精度，快响应的瞬态测量。

本发明的目的是提供一种造价相对低廉、操作简单、能够实现实时测量的高速微位移气压测量系统。位移量程在0-0.3mm之间，精度达到0.1μm，分辨率为0.01μm。它主要作为气体运输管道中压强的测量装置来使用，为管道气压的变化建立一个实时的准确的数据系统，方便实现管道的自动化监控和管理。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种光纤微位移气压测量装置，包括光源、光纤式干涉仪、×耦合器、光电探测器、外部处理电路和待测角锥膜片；光纤式干涉仪的光源输入端与光源连接，光纤式干涉仪的应变输入端制成接口与待测角锥膜片相对，光纤式干涉仪的输出端接入×耦合器的一个输入端，×耦合器的两个输出端分别经过光电探测器与外部处理电路连接；光纤式干涉仪包括×耦合器、两个透镜式光纤自准直器和参考角锥膜片；×耦合器的一个输入端作为光纤式干涉仪的光源输入端，另一个输入端作为光纤式干涉仪的输出端，×耦合器的两个输出端则各接一个透镜式的光纤自准直器，然后其中一个光纤自准直器与参考角锥膜片相对，另一个光纤自准直器为光纤式干涉仪的应变输入端。

一种光纤微位移气压测量装置，光源选用带宽±nm的带光隔离器的窄带宽LD激光光源；两个透镜式光纤自准直器的准直光束直径约为-mm；参考角锥膜片和待测角锥膜片采用阵列式的小角锥膜片。

一种光纤微位移气压测量装置，在气体管道阀门上安装一片待测角锥膜片。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明设计原理科学，结构清晰，各部件加工方便。由于设计过程中充分考虑了如何便于在干涉仪中进行安装和调试，因此整个构件具备小型化、轻量化的特点。只要将仪器嵌套在被测管道的阀门处，即可实时精确地测量管道的瞬态气压，监控其变化。

与传统气压测量装置相比，本发明测试系统采用光纤器件，反应灵敏，且不易受外界环境的干扰。做成样品后短小轻便，操作简单，且测量过程可以通过电路和计算机实现实时处理和监控，增加了安全性和可靠性，方便大规模使用。另外选用阵列式的角锥膜片作为参考面和待测面，大大加强了系统的干涉强度和灵敏度。

这一切都是由光电设备来完成的，节省了大量的人力物力。同时，鉴于光纤的高响应速率，结合计算机，可以实现管道气压的实时监控，还可以建立管道气压的变化曲线，分析其变化趋势和规律，使管道气压数据的管理和分析更为系统化、自动化和科学化。

附图说明

图1是根据本发明提出的光纤微位移气压测量装置结构示意图。

图2是传感器与管道阀门的接口示意图。

图3是传统测量方法和专利提出的测量方法的对比装置图。

图4是本发明计数电路部分的施密特触发器数字模拟图。

图5是本发明判向电路部分的双光纤光路判向原理图。

图6是根据本发明搭建的光纤微位移气压测量装置验证样品图。

图7是样品工作后得到的波形结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

测量系统的框图如图1所示。

本发明一种光纤微位移气压测量装置，包括光源1、光纤式干涉仪2、3×3耦合器3、光电探测器4、外部处理电路5和待测角锥膜片9；光纤式干涉仪2的光源输入端与光源1连接，光纤式干涉仪2的应变输入端制成接口与待测角锥膜片9相对，光纤式干涉仪2的输出端接入3×3耦合器3的一个输入端，3×3耦合器3的两个输出端分别经过光电探测器4与外部处理电路5连接；光纤式干涉仪2包括2×2耦合器6、两个透镜式光纤自准直器7和参考角锥膜片8；2×2耦合器6的一个输入端作为光纤式干涉仪2的光源输入端，另一个输入端作为光纤式干涉仪2的输出端，2×2耦合器6的两个输出端则各接一个透镜式的光纤自准直器7，然后其中一个光纤自准直器与参考角锥膜片8相对，另一个光纤自准直器为光纤式干涉仪2的应变输入端。

光源1选用带宽±3nm的带光隔离器的窄带宽LD激光光源；两个透镜式光纤自准直器7的准直光束直径约为2-4mm；参考角锥膜片8和待测角锥膜片9采用阵列式的小角锥膜片。

在气体管道阀门10上安装一片待测角锥膜片9。在管道密封盖11上开两个小孔，一个作为装置的嵌套孔12，另一个作为出气孔13，在阀门10和膜片9之间的管壁上开一个孔作为出气孔14，此孔外接废气收集或处理装置15。出气孔13、14在测量期间关闭。

本发明光纤微位移气压测量装置，选择相位差固定为2π/3的两条光路，一个作为计数光路，经过半波长检测计数处理系统采集处理，最终解算出膜片具体的微小位移量；一个作为判向光路，结合计数光路的阈值跳变，根据其对应的信号符号确定膜片移动方向。

系统的工作过程如下：1550nm窄带光源1发出的光经过2×2耦合器件6后入射到光纤微位移传感器中，这部分光分别经过光纤微位移传感器中的两个透镜式自准直器7的出射端面射出，一部分经由一个参考的角锥膜片8反射回到原光纤内，成为参考光；另一部分经由待测角锥膜片9反射回到原光纤内，即为待测光。这两个光束因臂长的差异产生光程差，在光纤耦合器6中发生干涉，这样，待测角锥膜片9微量移动将直接反映在干涉光强的明暗变化上。所得的干涉信号经过一个3×3耦合器3后，输出的三路光信号的相位彼此相差120o，选择其中两路即可得到相位差固定的两束光波。通过光电转换器4接入外部处理电路5，结合这两束计数光路和判向光路得到的计数值就是干涉条纹的变化数量△NΔN，从而得出精确的膜片微位移值。再根据膜片位移与气压之间的相对关系即可得出管道的气压值。

设参考反射镜和目标反射镜之间构成的干涉腔长L，激光光源波长为λ，对应的光谱宽度为Δλ，干涉条纹的变化数量为ΔN，空气的折射率为n，假设测试环境无温度变化的情况下，其中四者之间存在以下的物理关系：

$\mathrm{\ΔN}=2\mathrm{n\ΔL}/\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

在实际应用中，空气折射率近似有n=1。如果干涉条纹的变化数量为ΔN，则根据式子（1）可求出位移变化量ΔL。

在条纹计数中，为了避免外界环境的干扰带来误差，给计数信号设定上阈值和下阈值，在图4中，给输出的近似正弦光强信号同时设定一个上阈值（上虚横线）和一个下阈值（下虚横线），从而得到方波信号，进而得到边缘检测的脉冲信号，只有在计数光强信号从小到大超过上阈值（脉冲信号+1）或者从大到小低于下阈值（脉冲信号-1）的时候，由施密特触发电路构成的可逆计数器才会连续记录下+1和-1脉冲的个数。这种计数方法可充分利用整个干涉输出光强的变化特征。

在判向过程（图5）中，假设判向光路（点划线正弦波）相位超前计数光路（实线正弦波）2π/3，在计数光路达到触发点（A、B、A’、B’）开始条纹计数的同时识别判向光路信号，条纹每移动半个周期判定一次，实现如下判向规律：

如果判向光路的相位滞后计数光路2π/3，那么判向规律则相反。在对微位移的移动方向（右移和左移）进行标定之后，结合计数光路到达阈值点时对应的判向光路的符号，就可以使用这两路信号实现条纹的判向：当判定位移方向为正时，计数器+1，为负时，计数器-1。它们信号变化的组合与条纹移动方向有唯一确定的逻辑对应关系，于是就可把判向光路的输出信息作为判断膜片应变方向的根本依据。

对于后期还要进行的工作，其中，传感器与膜盒的接口设计如图2所示。在气体管道阀门10上安装一片待测角锥膜片9，在管道密封盖11上开两个小孔，一个作为装置的嵌套孔12，另一个作为上出气孔13，在阀门10和膜片9之间的管壁上开一个孔作为下出气孔14，此孔外接废气收集或处理装置15。上出气孔13和下出气孔14在测量期间关闭。传感器的对比测试装置示意图见图3所示。传统的测量装置16组要人工判读，而光纤微位移气压测量装置17则可以将数据导出，实现实时的自动化测量。

实施例

依图1的结构图进行初步的实验验证装置的搭建，如图6所示。1550nm（±3nm，功率为2—5mw）窄带光源1发出的光经过2×2耦合器件6后入射到光纤微位移传感器中，这部分光分别经过光纤微位移传感器中的两个透镜式自准直器7的出射端面射出，一部分经由一个参考的角锥膜片8反射回到原光纤内，成为参考光，另一部分经由待测角锥膜片9反射回到原光纤内，即为待测光；这两个光束因臂长的差异产生光程差，在光纤耦合器6中发生干涉，干涉信号经过一个3×3耦合器3后，选择其中两路相位差固定的两束光波通过光电转换器4接入示波器，即可得到如图7所示的较为灵敏的波形。两个透镜式光纤自准直器7的准直光束直径约为3mm，参考角锥膜片8和待测角锥膜片9采用自行车尾灯灯罩即可得到很好的效果。

在具体实施中，记录条纹正确的变化数量要求条纹计数和条纹判向同时进行，图4中脉冲信号为+1时，表示计数光路达到上阈值，此时判向光路得出条纹正向移动，则条纹计数+1；如果判向光路得出条纹反向移动，则条纹计数-1，反之亦然。一个方波代表一个干涉条纹的变化量（λ/2），而将一个方波变换为两个脉冲信号后，每个脉冲信号代表半个条纹的变化量（λ/4），所以最后的计算公式变成：

$\mathrm{\ΔN}=4\mathrm{n\ΔL}/\mathrm{\λ}$

这种半波长检测计数法已经具有相当的精度，但是对于测量更小的位移变化量，如变化量小于λ/2时，该方法精度不够。所以，应对采集到的连续变化的干涉光强信号进行条纹细分，以提高精度。

3×3耦合器件输出的三路光波信号的分光比不绝对均匀以及各个光纤器件之间的偏振损耗，所输出的三路光信号之间的相位差并不是理想的2π/3，与理想值之间的偏差量约为π/180(1°)，但这样的精度对于判向已经足够。

Claims (3)

1.一种光纤微位移气压测量装置，其特征在于：包括光源（1）、光纤式干涉仪（2）、3×3耦合器（3）、光电探测器（4）、外部处理电路（5）和待测角锥膜片（9）；光纤式干涉仪（2）的光源输入端与光源（1）连接，光纤式干涉仪（2）的应变输入端制成接口与待测角锥膜片（9）相对，光纤式干涉仪（2）的输出端接入3×3耦合器（3）的一个输入端，3×3耦合器（3）的两个输出端分别经过光电探测器（4）与外部处理电路（5）连接，3×3耦合器（3）输出的三路光信号的相位彼此相差120o，选择其中两路即可得到相位差固定的两束光波，通过光电转换器（4）接入外部处理电路（5），结合这两束进行计算和判向；光纤式干涉仪（2）包括2×2耦合器（6）、两个透镜式光纤自准直器（7）和参考角锥膜片（8）；2×2耦合器（6）的一个输入端作为光纤式干涉仪（2）的光源输入端，另一个输入端作为光纤式干涉仪（2）的输出端，2×2耦合器（6）的两个输出端则各接一个透镜式的光纤自准直器（7），然后其中一个光纤自准直器与参考角锥膜片（8）相对，另一个光纤自准直器为光纤式干涉仪（2）的应变输入端。

2.根据权利要求1所述的光纤微位移气压测量装置，其特征在于：光源（1）选用带宽±3nm的带光隔离器的窄带宽LD激光光源；两个透镜式光纤自准直器（7）的准直光束直径约为2-4mm；参考角锥膜片（8）和待测角锥膜片（9）采用阵列式的小角锥膜片。

3.根据权利要求1所述的光纤微位移气压测量装置，其特征在于：在气体管道阀门（10）上安装一片待测角锥膜片（9）。