CN105910752B - 叶片阻尼式光纤差压传感器探头及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头及其检测方法，壳体内设置有转动部，转动部的相对两侧均设置有隔板，壳体的内腔由转动部和隔板分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口，一隔板的一侧设置有阻尼弹簧，阻尼弹簧的一端固定，另一端固定于该隔板上，沿转动部的转动中心开设有通孔，通孔内固定设置有遮光片，遮光片的一侧设置有入射光纤，另一侧设置有接收光纤，且接收光纤的接收端面分为光纤接收部和非光纤接收部。以解决现有差压传感器实用性不强、局限性较大或仍处于概念期，无法得到推广使用，而较为常见的电阻式、电容式差压传感器也存在自身的缺点，在很多场合并不适用，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

叶片阻尼式光纤差压传感器探头及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种传感器探头，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，主要用于设备测量、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。基于此，本发明提出了一种新型的光纤束差压传感器探头。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头及其检测方法，以解决现有差压传感器实用性不强、局限性较大或仍处于概念期，无法得到推广使用，而较为常见的电阻式、电容式差压传感器也存在自身的缺点，在很多场合并不适用，无法满足实际压差测量要求的问题。

本发明的方案如下：一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，包括壳体，壳体内设置有转动部，转动部的转动中心与壳体的中心线相平行，二者为非同轴结构，即相对偏心，转动部的相对两侧均设置有隔板，且隔板能随转动部在壳体内相对转动，壳体的内腔由转动部和隔板分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口，一隔板的一侧设置有阻尼弹簧，阻尼弹簧的一端固定，另一端固定于该隔板上，沿转动部的转动中心开设有通孔，通孔内固定设置有遮光片，遮光片的一侧设置有入射光纤，另一侧设置有接收光纤，且接收光纤的接收端面分为光纤接收部和非光纤接收部；

接收光纤的接收端面可以通过遮挡部件进行部分遮挡以形成非光纤接收部，未被遮挡的部分即为光纤接收部，或接收光纤的接收端面仅有部分存在光纤，则存在光纤的部分即为光纤接收部，没有光纤的部分即为非光纤接收部；

检测流体压差时，流体流入两检测腔后，转动部发生转动带动遮光片转动，从而遮光片遮挡部位发生变化，通过接收光纤中光纤接收部接收到信号的变化即可推算出转动部的转动角度，从而即可推算出阻尼弹簧对隔板的施力大小，进而推算出两个检测腔内流体的压强差；

转动部对应隔板的位置设置有滑槽，隔板的一端均滑动设置于所对应的滑槽内，隔板与其所在滑槽的底部之间压设有弹簧，隔板的另一端顶紧至壳体的内壁处，且隔板与壳体的内壁间滑动密封；

所述阻尼弹簧为刚度较强的阻尼弹簧，自由状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，阻尼弹簧的形变为零，且阻尼弹簧与所对应隔板相垂直，壳体的内壁处设置有凸点，所述阻尼弹簧的一端固定于该凸点上；

所述通孔、入射光纤和接收光纤同轴设置；

检测流体入口处还对应设置有滤网；

所述接收光纤的截面外径与通孔的内径相同，所述遮光片与接收光纤的端面相平行，遮光片为半圆形结构，且遮光片的直径与通孔的内径相同，光纤接收部和非光纤接收部均为半圆形结构，且二者轴对称设置，即接收光纤的接收端面一半能够接收光纤信号，另一半无法接收光纤信号，初始状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，遮光片的遮挡部分恰好与非光纤接收部相重合；

壳体具有圆筒形内腔，初始状态下，转动部的转动中心线和壳体内腔的中心线均与隔板处于同一平面；

为保证结构更为紧凑，空间利用率更高，壳体采用扁平的筒形结构；

利用上述光纤束差压传感器检测流体压差的方法

包括壳体，壳体的内腔由设置于壳体内的转动部和转动部相对两侧的隔板分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口，转动部的转动中心开设通孔，遮光片固定于通孔内并随转动部转动；

流体分别由检测流体入口流入两个检测腔，若两个检测腔内流体之间存在压强差，则转动部和转动部相对两侧的隔板相对转动部的转动中心发生转动，并在设置于一隔板一侧的阻尼弹簧的作用下达到平衡，转动的过程中遮光片也发生转动，并使遮光片两侧对应设置的入射光纤和出射光纤中接收光纤的光纤接收量发生变化，从而推算得出遮光片的转动角度，即转动部的转动角度，从而即可推算出阻尼弹簧对隔板的施力情况，进而推算出两个检测腔内流体的压差。

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，该传感器具有较小的结构、较高的精确度与可靠性、较好的适应性与互换性等优点，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，该传感器能适用于众多压差检测场合。

同时，该差压传感器采用转动式结构作为压力探测器件，在遇到流体压力时，转动部及隔板偏移运动，仅需根据转动部的偏移角度即可计算出压力差，对于光纤传感的要求更低，计算和测量更为简单，且检测不易受外界干扰，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是该传感器探头的剖面图；

图2是该图1中A-A向的剖视图；

图3是光纤设计结构图,其中，a为入射光纤入射端面的结构示意图，b为遮光板的结构示意图，c是接收光纤接收端面的结构示意图；

图4压强差与光通量的函数图像。

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至图3，本实施例提供一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，包括壳体1，壳体1采用扁平的筒形结构，且壳体1具有圆筒形内腔，初始状态下，转动部2的转动中心线和壳体1内腔的中心线均与隔板3处于同一平面，，壳体1内设置有转动部2，转动部2的转动中心与壳体1的中心线相平行，二者为非同轴结构(相对偏心)，转动部2的相对两侧均设置有隔板3，且隔板3能随转动部2在壳体1内相对转动，具体为：转动部2对应隔板3的位置设置有滑槽21，隔板3的一端均滑动设置于所对应的滑槽21内(隔板3与滑槽21之间滑动密封)，隔板3与其所在滑槽21的底部之间压设有弹簧9，隔板3的另一端顶紧至壳体1的内壁处，且隔板3与壳体1的内壁间滑动密封，壳体1的内腔由转动部2和隔板3分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口4，检测流体入口4处还对应设置有滤网41；

其中一个隔板3的一侧设置有阻尼弹簧5，壳体1的内壁处设置有凸点11，阻尼弹簧5的一端固定于该凸点11上，另一端固定于隔板3上，阻尼弹簧5为刚度较强的阻尼弹簧，自由状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，阻尼弹簧5的形变为零，且阻尼弹簧5与所对应隔板3相垂直；

沿转动部2的转动中心开设有通孔22，通孔22内固定设置有遮光片6，遮光片6的一侧设置有入射光纤7，另一侧设置有接收光纤8，且接收光纤8的接收端面分为光纤接收部81和非光纤接收部82，通孔22、入射光纤7和接收光纤8同轴设置，接收光纤8的截面外径与通孔22的内径相同，所述遮光片6与接收光纤8的端面相平行，遮光片6为半圆形结构，且遮光片6的直径与通孔22的内径相同，光纤接收部81和非光纤接收部82均为半圆形结构，且二者轴对称设置，即接收光纤8的接收端面一半能够接收光纤信号，另一半无法接收光纤信号，初始状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，遮光片6的遮挡部分恰好与非光纤接收部82相重合；

接收光纤8的接收端面可以通过遮挡部件进行部分遮挡以形成非光纤接收部82，未被遮挡的部分即为光纤接收部81，或接收光纤8的接收端面仅有部分存在光纤，则存在光纤的部分即为光纤接收部81，没有光纤的部分即为非光纤接收部82，检测流体压差时，流体分别由检测流体入口4流入两个检测腔，若两个检测腔内流体之间存在压强差，则转动部2和转动部2相对两侧的隔板3相对转动部2的转动中心发生转动，并在设置于一隔板3一侧的阻尼弹簧5的作用下达到平衡，转动的过程中遮光片6也发生转动，并使遮光片6两侧对应设置的入射光纤7和出射光纤8中接收光纤8的光纤接收量发生变化，从而推算得出遮光片6的转动角度，即转动部2的转动角度，从而即可推算出阻尼弹簧5对隔板3的施力情况，进而推算出两个检测腔内流体的压差。

该传感器探头数学模型的计算

在计算过程中我们设出壳体1内腔的高度取值为50mm，半径为R，隔板3两侧腔室具有压力差，且重新达到平衡位置后，接收光纤8接收到的光纤强度的变化量为ΔP，隔板3距离壳体1的中心的偏心距为e，阻尼弹簧劲度系数为k，阻尼弹簧与转动部2轴心的距离为d，上叶片侧面面积(转动部2一侧隔板3的端面面积)为S₁，下叶片侧面面积(转动部2另一侧隔板3的端面面积)为S₂，上叶片长度(图1所示其中一个隔板3的长度)为L₁，下叶片长度(图1所示另一个隔板3的长度)为L₂，叶片偏转角(隔板3的偏转角度)θ，小轮半径(转动部2的半径)r₂，小轮孔半径(通孔22的半径)r₁。

流体进入时，由于压力差，隔板产生不同的扭矩，其中T₁为流体产生的扭矩，T₂为阻碍扭矩得式(1)

T₁-T₂＝d·F_弹＝kdx (1)

可以求出X,又因为T＝ΔP*T*L，变换得出(2)

从而可以求出变化量

已知

则

所以可以计算出通光量的表达式为：

又

S₁＝50(L₁-R₂)

S₂＝50(L₂-R₂) (8)

则可求出光强度变化量的表达式为：

为便于计算，我们取其中R＝50mm,ε＝1,e＝10mm,k＝100d＝40mm，θ取值为0～1度，θ＝(0：0.1：1)，由于θ角很小，L₁、L₂、S₁、S₂可以近似认为不变，则令S₁＝2000mm，S₂＝1000mm,L₁＝60mm,L₂＝40mm,并画出曲线如图4。当两侧压强差为0时，接收的光通量为0，此时叶片(隔板3)处于起始位置。而随着两侧压强差的增加时，叶片平衡被打破实现偏转，光通量随之改变，并具有良好的线性关系。

Claims (8)

1.一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，特征在于：包括壳体(1)，壳体(1)内设置有转动部(2)，转动部(2)的转动中心与壳体(1)的中心线相平行，转动部(2)的相对两侧均设置有隔板(3)，且隔板(3)能随转动部(2)在壳体()1内相对转动，壳体(1)的内腔由转动部(2)和隔板(3)分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口(4)，一隔板(3)的一侧设置有阻尼弹簧(5)，阻尼弹簧5的一端固定，另一端固定于该隔板(3)上，沿转动部(2)的转动中心开设有通孔(22)，通孔(22)内固定设置有遮光片(6)，遮光片(6)的一侧设置有入射光纤(7)，另一侧设置有接收光纤(8)，且接收光纤(8)的接收端面分为光纤接收部(81)和非光纤接收部(82)。

2.根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，其特征在于：转动部(2)对应隔板(3)的位置设置有滑槽(21)，隔板(3)的一端均滑动设置于所对应的滑槽(21)内，隔板(3)与其所在滑槽(21)的底部之间压设有弹簧(4)，隔板(3)的另一端顶紧至壳体(1)的内壁处，且隔板(3)与壳体(1)的内壁间滑动密封。

3.根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，其特征在于：自由状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，阻尼弹簧(5)的形变为零，且阻尼弹簧(5)与所对应隔板(3)相垂直，壳体(1)的内壁处设置有凸点(11)，所述阻尼弹簧(5)的一端固定于该凸点(11)上。

4.根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，其特征在于：所述通孔22、入射光纤7和接收光纤8同轴设置。

5.根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，其特征在于：所述接收光纤(8)的截面外径与通孔(22)的内径相同，所述遮光片(6)与接收光纤(8)的端面相平行，遮光片(6)为半圆形结构，且遮光片(6)的直径与通孔(22)的内径相同，光纤接收部(81)和非光纤接收部(82)均为半圆形结构，且二者轴对称设置，初始状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，遮光片(6)的遮挡部分恰好与非光纤接收部(82)相重合。

6.根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，其特征在于：壳体(1)具有圆筒形内腔，初始状态下，转动部(2)的转动中心线和壳体(1)内腔的中心线均与隔板(3)处于同一平面。

7.根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感器探头，其特征在于：壳体(1)采用扁平的筒形结构。

8.一种利用叶片阻尼式光纤差压传感器探头检测流体压差的方法，其特征在于，包括：

壳体(1)，壳体(1)的内腔由设置于壳体(1)内的转动部(2)和转动部(2)相对两侧的隔板(3)分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口(4)，转动部(2)的转动中心开设通孔(22)，遮光片(6)固定于通孔(22)内并随转动部(2)转动；

流体分别由检测流体入口(4)流入两个检测腔，若两个检测腔内流体之间存在压强差，则转动部(2)和转动部(2)相对两侧的隔板(3)相对转动部(2)的转动中心发生转动，并在设置于一隔板(3)一侧的阻尼弹簧(5)的作用下达到平衡，转动的过程中遮光片(6)也发生转动，并使遮光片(6)两侧对应设置的入射光纤(7)和出射光纤(8)中接收光纤(8)的光纤接收量发生变化，从而推算得出遮光片(6)的转动角度，即转动部(2)的转动角度，从而即可推算出阻尼弹簧(5)对隔板(3)的施力情况，进而推算出两个检测腔内流体的压差。