CN104949792B - 一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，传感器探头包括壳体，壳体为筒形结构，壳体的两端分别密封设置有端盖，壳体内部的中间位置设置有将壳体内部密封分隔为左右两个腔室的隔板，隔板两侧的壳体上分别设置流体通孔，隔板两侧的腔室内设置有活塞，活塞与端盖之间还设置有弹簧，端盖上设置有探头安置孔，且探头安置孔与活塞相垂直，每个探头安置孔内均设置有光纤探头，活塞上正对光纤探头的位置处设置有反光片，光纤探头上壳体两端的出射光纤分别与一个光电探测器相连，两个光电探测器又分别与信号处理器相连。以解决现有差压传感器在很多场合并不适用，实用性不强，无法满足实际压差测量要求的问题。本发明属于压差检测领域。

Description

一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器结构，属于光纤传感技术领域。

背景技术

差压传感器广泛应用于工业中，主要用于测量设备、部件或流体在不同位置的压力差，其广泛应用于尾气压差、气体流量、液位高低、洁净间监测等检测领域。现今，已出现采用不同原理的差压传感器，例如电阻式、电容式、电感式、节流器式、磁性液体式、MEMS式等，其中电阻式、电容式较为常见，其余类型由于实用性不强、局限性较大或仍处于概念期，并未得到推广，但电阻式、电容式差压传感器也存在自身的缺点，在很多场合不能很好的胜任。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，以解决现有差压传感器在很多场合并不适用，实用性不强，无法满足实际压差测量要求的问题。

本发明的方案如下：一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，包括传感器探头、光电探测器和信号处理器，所述传感器探头包括壳体，壳体为筒形结构，壳体的两端分别密封设置有端盖，壳体内部的中间位置设置有将壳体内部密封分隔为左右两个腔室的隔板，隔板两侧的壳体上分别设置流体通孔，隔板两侧的腔室内分别密封滑动设置有一个活塞，每个活塞与该活塞所在一侧的端盖之间还设置有弹簧，端盖上均设置有贯通端盖的探头安置孔，且探头安置孔均与该探头安置孔所对应的活塞相垂直，每个探头安置孔内均设置有光纤探头，活塞上正对光纤探头的位置处设置有反光片，光纤探头上壳体两端的出射光纤分别与一个光电探测器相连，两个光电探测器又分别与信号处理器相连。

还包括有光源、Y型耦合器和光纤，光源设置于光纤的一端用于产生光纤信号，光源发出的光信号耦合进入到光纤内，光纤的另一端经Y型耦合器后分为入射光纤和参考光纤，上述光源、Y型耦合器和光纤的组合共有两组，其中一组上述组合中的入射光纤接入传感器探头一端的光纤探头，并作为光纤探头的入射光纤，另一组上述组合中的入射光纤接入传感器探头另一端的光纤探头，并作为传感器探头另一端光纤探头的入射光纤，两组上述组合中的参考光纤分别单独连接有一个光电探测器，且光电探测器均与信号处理器相连；光源发出的光信号耦合进入到光纤内，再通过Y型耦合器分为两路，一路经入射光纤到达光纤探头，照射到反光片上，经反射后的反射光进入接收光纤，由接收光纤传输到光电探测器进行光电转换，再经过后期的信号处理输入信号处理器；另一路经参考光纤直接传输到光电探测器进行光电转换，转换后的电信号经处理后输入信号处理器，信号处理器再对这两路信号进行比值运算。与上述过程同理，另一组光源、Y型耦合器和光纤的组合中，光源发出的光信号也经过相同的路径，进入到信号处理器进行比值运算。再对这两组数据进行减法运算即得到最终的输出值。

为了避免弹簧对传感器的影响，每个弹簧的两端均固定于该弹簧两端所对应的活塞和端盖上，所述两个弹簧以及两个活塞的形状、规格和性能参数均相同，在壳体沿水平放置，且流体通孔均与空气相连通的状态下，两个弹簧均处于自然状态，即两个弹簧无拉伸与压缩形变；

为保证探头结构的稳定性，传感器探头中，隔板与壳体为一体式结构或隔板密封固定于壳体内；

为保证光纤探头的传感效果，壳体为圆筒形结构，壳体内位于隔板两侧的腔室相对于隔板对称设置，两个活塞及两个弹簧也分别相对于隔板对称设置，隔板两侧的流体通孔也相对于隔板对称，为防止流体内的杂质进入传感器探头，流体通孔上均设置有过滤网；

为保证两端光纤探头与反光片之间的距离平衡，探头安置孔均开设在所在端盖的正中心位置，探头安置孔和活塞同轴，自然状态下，即两个弹簧无拉伸与压缩形变时，其中一个光纤探头到该光纤探头所对应的反光片的距离与另一个光纤探头到另一个反光片的距离相同；

为保护光纤探头，同时不影响光纤探头的使用效果，光纤探头与反光片之间还设置有透光片，透光片为玻璃片，透光片均设置于两个探头安置孔位于两个端盖内侧的端口处；

作为优选的结构，探头安置孔内设置有内螺纹，光纤探头分别旋紧固定于探头安置孔内；

为保证传感器的使用寿命和使用效果，活塞的材质优选地硬质合金，为保证活塞的密封效果，防止流体经活塞边缘流入弹簧所在腔室，活塞与壳体的内壁之间设置有密封圈，为避免活塞移动时弹簧所在腔室内气压升高影响检测效果，两端的端盖上还分开设有贯通端盖的压力补偿孔。

光纤探头的光纤束由入射光纤和接收光纤集合铠装而成，入射光纤另一端与光源对接，用以耦合入射光，接收光纤出射端与光电探测器连接，输出光强度信号。

传感器探头部分的工作原理为：①当传感器探头未工作时，左右两侧检测腔内无流体流入，两活塞处于初始位置，此时两侧阻尼弹簧均处于自然状态（无拉伸与压缩形变），活塞不产生轴向位移。因此，传感器两侧相同结构的光纤探头与活塞端面反光片之间的距离为初始距离，从而两光纤探头接收光纤的输出光信号强度相等，经光电转换及信号处理计算后输出值为0；②当传感器探头工作中，左右两侧检测腔内流体压力相等时，此时两侧阻尼弹簧被压缩相同的长度，活塞产生相同的轴向位移。因此，传感器两侧光纤探头与反光片之距离相等，从而两光纤探头接收光纤的输出光信号强度相等，经光电转换及信号处理计算后输出值亦为0；③当活塞左右两侧检测腔内的流体存在压力差时，此时两侧阻尼弹簧被压缩的长度不同，活塞产生的轴向位移也不同。因此，传感器两侧光纤探头与反光片之距离就会不相等，从而两光纤探头接收光纤的输出光信号强度不等，经光电转换及信号处理计算后的输出值大小即可反映两侧检测腔内流体的压力差大小。

一、传感器强度补偿原理

参照图1，该方法中光源发出的光经过Y型耦合器等分为两路，一路进入传感器探头一端，经反射后到达第一个光电探测器，另一路经参考光纤传输到第二个光电探测器，那么两光电探测器的输出信号分别为：

对上述两式进行比值运算为： （1）

式中：为光源输出的光功率；为入射光纤的透过率；为接收光纤的透过率；L _C 为参考光纤的透过率；、为第一、第二个光探测器的灵敏度；为耦合比；为该侧探头调制函数。

同理，另一光源发出的光经过另一Y型耦合器等分为两路，一路进入传感器探头的另一端，经反射后对应到达第三个光电探测器，另一路经参考光纤传输到第四个光电探测器，那么第三、第四两光电探测器的输出信号分别为：

对上述两式进行比值运算为： （2）

式中：为光源输出的光功率；、D ₄ 为第三、第四个光电探测器的灵敏度；为耦合比；为该侧探头调制函数。

再对（1）、（2）两式做减法计算有：

（3）

又差压传感器的两探头结构相同，其调制函数分别为：

； （4）

式中：为反射率，为两探头所受到的外界压力，为入射光纤与接收光纤的数值孔径，为光纤之间的距离，为光纤半径，为接收光纤数量，为光纤束与反光片的调定距离。

令，再把调制函数，带入上式可得：

（5）

因为设计中传感器两探头的结构相同，所以其结构参数、、、、可认为相等，那么输出量由两探头外界压力所决定。

通过上式还可看出，通过对光的强度补偿，能很好的消除光源功率波动、及耦合器带来的误差，同时在设计中采用对称设计，选用稳定的光电检测元件，从而避免其他因素引入的误差，使（5）中的与、、、忽略。使得（5）简化为：

(6)

二、传感器数学模型

2.1强度调制数学模型

本发明的每一侧检测腔的检测原理均与反射式强度调制光纤传感器相同，如下图3所示，光纤束中的出射光纤TF发出的光照射到反射片上，经过反射片反射后，再传送到光纤束中的接收光纤RF端面。只有当反射光锥端面与接收光纤端面存在重合面积时，反射光才能被接收光纤接收。在光纤束与反光片的距离d发生变化时，根据反射定理，随着d不断变大，光锥底端从小变大，从没有进入接收光纤端面，到逐渐进入接收光纤端面，再到完全覆盖，随着d进一步的增大，反射光和其覆盖面积不再变化，但强度仍因远离而不断变小。下面对这一过程进行定量分析：

设传感器的光强调制函数为M,是RF接收的光通量与TF发送的光通量之比，它反映出反射式强度调制光纤传感器的强度调制特性。在这里为了数学模型的简化，以及计算的方便，在不影响强度调制特性曲线分布规律的情况下，对光纤出射光场强度分布与反射后的光场强度分布进行忽略，不妨假设出射光强沿径向呈均匀分布，那么在反射光锥端面上的光照度即为：

(1)

式中为入射光的光功率损耗系数；为光源耦合到发射光纤中的光通量；R为反射光锥端面的半径。

又认为反射光锥端面的光照度均匀分布，那么接收光纤的输入光通量即为：

（2）

式中为接收光纤的损耗系数，S为反射光锥端面和接收光纤端重合面积。

则光强调制函数M为：

(3)

因为光功率损耗系数对于已经确定的传感器系统而言为定值，那么M值的大小主要由S与R ² 的比值确定。

（3）式中反射光锥端面半径R可由下式计算：

（4）

式中：为发射光纤半径，NA为光纤的数值孔径，d为光纤探头与反光片之间的距离。

（3）式中反射光锥端面和接收光纤端重合面积S可由下式计算：

； （5）

式中：L为发射光纤与接收光纤的中心距，为接收光纤半径，、为光锥底端与接收光纤端面相交后形成的圆心角，、。

为了使本发明设计的传感器具有良好的线性度与灵敏度，设计中使传感器初始状态工作于上述强调制函数M的前坡曲线段的中间位置附近，此时对应的反射光锥端面和接收光纤端重合面积S为（5）式中的第二式，那么本发明传感器单侧强度调制模型为：

（） （6）

2.2传感器数学模型

下面分析传感器强度调制模型与压差之间的关系，已知两端流体的压强分别为、，则传感器活塞两侧所受流体压力分别为：

； （7）

式中：传感器活塞两侧的截面积相等，即；

又对活塞两测进行受力分析有：

； （8）

式中：为弹簧初始形变量（设计为0），、为两侧活塞位移量，、为两侧弹簧刚度系数，又两侧弹簧相同，所以。

联立（7）、（8）式有： ； （9）

由于传感器尺寸与阻尼弹簧已经在设计阶段确定，所以上式（9）中与为常数，那么活塞位移量与传感器两侧检测腔内压力成正比。

又设为传感器内两侧光纤探头与反光片之间的初始距离；、为传感器内弹簧发生变形后，两侧光纤探头与反光片之间的距离。则有：

； （10）

联立（9）、（10）式有： （11）

（12）

把（11）、（12）式分别代入（6）式可得到传感器在两侧检测腔出现压力差时，两侧检测腔的强度调制函数、。不难看出、为关于、的一元函数，因为、中的其它参数在传感器设计阶段就已确定，所以均为常数。因此，传感器数学模型可表示为：

（13）

通过上述数学模型即可得到传感器两侧压力差与输出光信号大小的关系。

三、实验结果与分析

根据以上理论基础和公式，选取初始值、、、、从0mm变化到0.3mm时，传感器的输出结果。经过仿真实验，光通量变化如图4所示。

根据图4不难看出，光通量随着活塞的靠近而呈递减趋势，且具有较好的线性度。这是因为传感器初始状态工作于强调制函数M的前坡曲线段中间位置附近，即反射光锥端面与接收光纤端面处于相交状态，此时随着距离d的减小，耦合进入到接收光纤的光强度减小，所以此时光通量呈递减趋势，同时保持较好的线性度。

本发明与现有技术相比，主要优点如下：经过结构设计、理论研究与实验分析可知，该传感器具有结构更小，精确度更高，可靠性、适应性及互换性都有了较大进步，实用性极强，输出信号经光电转换及信号处理计算后输出值将成倍变化，从而提高了检测灵敏度，该传感器能适用于多个压差检测场合。

同时，该差压传感器采用活塞式结构作为压力探测器件，在遇到流体压力时，活塞是平移运动，仅需根据活塞的平移量即可计算出流体压力差，对于光纤传感的要求更低，计算和测量更为简单，且活塞结构更加稳定，不易受外界干扰，不易损坏，使用寿命更为长久，使得传感器的可靠性、适应性及互换性都有了较大进步，适宜用作流体差压的测量；传感器的强度补偿原理更为简单，实用性更强。

附图说明

图1是所述传感器的系统原理图，A为流体入口；

图2是该传感器探头结构的剖视图；

图3是反射光锥与接收光纤位置关系图；

其中：103是指反射面，104是指出射光斑，105是指反射光锥端面，106是指接收光纤端面，107是指反射光锥端面与RF相切，108是指反射光锥端面与RF相容，109是指反射光锥端面与RF相交；

图4是光通量变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本发明作进一步地详细描述，

实施例：

参照图1和图2，本实施例提供一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，包括：

传感器探头1、光电探测器2、信号处理器3、光源4、Y型耦合器5和光纤6。

传感器探头1包括壳体11，壳体11为圆筒形结构，活塞14的材质为硬质合金，壳体11的两端分别密封设置有端盖12，壳体11内部的中间位置设置有将壳体11内部密封分隔为左右两个腔室的隔板13，且隔板13与壳体11为一体式结构，隔板13两侧的壳体11上分别设置流体通孔111，隔板13两侧的腔室内分别密封滑动设置有一个活塞14，活塞14与壳体11的内壁之间设置有密封圈19，每个活塞14与该活塞14所在一侧的端盖12之间还设置有弹簧15，且每个弹簧15的两端均固定于该弹簧15两端所对应的活塞14和端盖12上，两个弹簧15以及两个活塞14的形状、规格和性能参数均相同，在壳体11沿水平放置，且流体通孔111均与空气相连通的状态下，两个弹簧15均处于自然状态，壳体11内位于隔板13两侧的腔室相对于隔板13对称设置，两个活塞14及两个弹簧15也分别相对于隔板13对称设置，隔板13两侧的流体通孔111也相对于隔板13对称，流体通孔4上设置有过滤网110；

两个端盖12的正中心位置均设置有一个贯通端盖12的探头安置孔121，两端的端盖12上还分开设有一个贯通端盖12的压力补偿孔122，两个探头安置孔121及两个活塞14四者同轴，每个探头安置孔121内均设置有光纤探头16，探头安置孔121内设置有内螺纹，光纤探头16分别旋紧固定于探头安置孔121内，活塞14上正对光纤探头16的位置处设置有反光片17，自然状态下，即两个弹簧15无拉伸与压缩形变时，其中一个光纤探头16到该光纤探头16所对应的反光片17的距离与另一个光纤探头16到另一个反光片17的距离相同，光纤探头16与反光片17之间还设置有透光片18，透光片18为玻璃片，透光片18均设置于两个探头安置孔121位于两个端盖12内侧的端口处，光纤探头16上壳体11两端的出射光纤161分别与一个光电探测器2相连，两个光电探测器2又分别与信号处理器3相连。

光源4设置于光纤6的一端用于产生光纤信号，光源4发出的光信号耦合进入到光纤6内，光纤6的另一端经Y型耦合器5后分为入射光纤61和参考光纤62，上述光源4、Y型耦合器5和光纤6的组合共有两组，其中一组上述组合中的入射光纤61接入传感器探头1一端的光纤探头16，并作为光纤探头16的入射光纤，另一组上述组合中的入射光纤61接入传感器探头1另一端的光纤探头16，并作为传感器探头1另一端光纤探头16的入射光纤，两组上述组合中的参考光纤62分别单独连接有一个光电探测器2，且光电探测器2均与信号处理器3相连。

Claims (7)

1.一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，包括传感器探头（1）、光电探测器（2）和信号处理器（3），所述传感器探头（1）包括壳体（11），壳体（11）为筒形结构，壳体（11）的两端分别密封设置有端盖（12），壳体（11）内部的中间位置设置有将壳体（11）内部密封分隔为左右两个腔室的隔板（13），隔板（13）两侧的壳体（11）上分别设置流体通孔（111），隔板（13）两侧的腔室内分别密封滑动设置有一个活塞（14），每个活塞（14）与该活塞（14）所在一侧的端盖（12）之间还设置有弹簧（15），每个弹簧（15）的两端均固定于该弹簧（15）两端所对应的活塞（14）和端盖（12）上，所述两个弹簧（15）以及两个活塞（14）的形状、规格和性能参数均相同，在壳体（11）沿水平放置，且流体通孔（111）均与空气相连通的状态下，两个弹簧（15）均处于自然状态，端盖（12）上均设置有贯通端盖（12）的探头安置孔（121），且探头安置孔（121）均与该探头安置孔（121）所对应的活塞（15）相垂直，每个探头安置孔（121）内均设置有光纤探头（16），活塞（14）上正对光纤探头（16）的位置处设置有反光片（17），光纤探头（16）上壳体（11）两端的出射光纤（161）分别与一个光电探测器（2）相连，两个光电探测器（2）又分别与信号处理器（3）相连，传感器探头（1）中，隔板（13）与壳体（11）为一体式结构或隔板（13）密封固定于壳体（11）内。

2.根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，其特征在于：还包括有光源（4）、Y型耦合器（5）和光纤（6），光源（4）设置于光纤（6）的一端用于产生光纤信号，光纤（6）的另一端经Y型耦合器（5）后分为入射光纤（61）和参考光纤（62），上述光源（4）、Y型耦合器（5）和光纤（6）的组合共有两组，其中一组上述组合中的入射光纤（61）接入传感器探头（1）一端的光纤探头（16），并作为光纤探头（16）的入射光纤，另一组上述组合中的入射光纤（61）接入传感器探头（1）另一端的光纤探头（16），并作为传感器探头（1）另一端光纤探头（16）的入射光纤，两组上述组合中的参考光纤（62）分别单独连接有一个光电探测器（2），且光电探测器（2）均与信号处理器（3）相连。

3.根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，其特征在于：壳体（11）为圆筒形结构，壳体（11）内位于隔板（13）两侧的腔室相对于隔板（13）对称设置，两个活塞（14）及两个弹簧（15）也分别相对于隔板（13）对称设置，隔板（13）两侧的流体通孔（111）也相对于隔板（13）对称，流体通孔（4）上均设置有过滤网（110）。

4.根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，其特征在于：所述探头安置孔（121）均开设在所在端盖（12）的正中心位置，探头安置孔（121）和活塞（14）同轴，自然状态下，其中一个光纤探头（16）到该光纤探头（16）所对应的反光片（17）的距离与另一个光纤探头（16）到另一个反光片（17）的距离相同。

5.根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，其特征在于：光纤探头（16）与反光片（17）之间还设置有透光片（18），透光片（18）为玻璃片，透光片（18）均设置于两个探头安置孔（121）位于两个端盖（12）内侧的端口处。

6.根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，其特征在于：探头安置孔（121）内设置有内螺纹，光纤探头（16）分别旋紧固定于探头安置孔（121）内。

7.根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式光纤差压传感器，其特征在于：活塞（14）的材质为硬质合金，活塞（14）与壳体（11）的内壁之间设置有密封圈（19）。