CN108663157B - Michelson白光干涉光纤液压传感器及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不仅能够在强电磁干扰及易燃易爆环境下工作，还具有多点准分布测量，成本低廉，性能稳定的Michelson白光干涉光纤液压传感器及其测量系统。该光纤液压传感器的测量系统，包括宽光谱光源、光电探测器、光纤耦合器、第一光纤跳线、第二光纤跳线、扫描位移台、光纤自聚焦透镜、第一平面反射镜、Michelson白光干涉光纤液压传感器、防水导管；所述Michelson白光干涉光纤液压传感器包括弹性隔水膜、硅油、容腔、弹性金属波纹管、滑块、光杆滑轨、固定连接梁、底座密封腔、反射镜固定装置、光纤自聚焦固定装置、导管。采用该光纤液压传感器及其测量系统测量范围及灵敏度可调，成本低廉、性能稳定、易于更换及维修。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器。
背景技术
众所周知的：液压传感器可应用于海洋检测，工业安全检测，石油存储、科学研究等领域，目前所广泛使用的液压传感器基本可以分为以下几类：电阻式，压阻式，压电式等类型。电阻式压力传感器的典型原理为由弹性元件将被测压力变换成应变，进而由应变片转换为电阻的变化，从而实现流体压力的测试。压阻式的压力传感器是利用金属或半导体的压阻效应将压力变化转换为电阻的变化从而实现压力测量。压电式传感器利用压电效应将压力转换成电荷产生电位差，进而实现相关压力的测量。该类传感器基本属于电子传感器，受外界电磁干扰严重，在易燃易爆的环境下存在安全隐患。随着科学技术的发展，生产水平的提高，该类传感器的弊端显得愈加严重。
由于光纤传感技术具有防火、防爆、精度高、损耗低、体积小、质量轻、寿命长、性价比高、复用性好、响应速度快、抗电磁干扰、频带范围宽、动态范围大、易与光纤传输系统组成遥测网络等诸多优点，基于光纤传感技术的差压传感器也展开了相应的研究。FernandoC.Fávero等人设计出一种基于光子晶体光纤的液压传感器(Hydrostatic PressureSensing with High Birefringence Photonic Crystal Fibers.Fernando C.Fávero,Sully M.M.Quintero,Cicero Martelli,Arthur M.B.Braga,Vinícius V.Silva,IsabelC.S.Carvalho,Roberth W.A.Llerena,Luiz C.G.Valente.Sensors.2010),通过分析施加液压后光子晶体光纤横截面折射率的变化情况来获得压力信息。该类传感器具有较高的灵敏度，但由于光子晶体光纤制作工艺复杂，价格昂贵，使得该类传感器目前仍难以广泛生产使用。Sheng,Hao-Jan等人设计出一种基于光纤光栅的液压传感器(High-sensitivitytemperature-independent differential pressure sensor using fiber Bragggratings.Sheng,Hao-Jan；Liu,Wen-Fung；Lin,Kuei-Ru；Bor,Sheau-Shong；Fu,Ming-Yue,Optics Express,Vol.16Issue20,pp.16013-16018，2008)，将液压转换为光纤光栅的工作波长的变化，通过检测波长变化获知声压信息。这类传感器易于复用，但测量范围受限，且需要波长解调。
本发明公开了一种基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器，可用于多点准分布的液压实时监测与测量。它通过加压后金属波纹管的轴向形变使Michelson白光干涉仪光路光程发生相应变化来实现液压的测量。与在先技术相比，本发明具有测量范围可调、抗强电磁干扰、防燃防爆、多路复用、远程测量、成本低廉、性能稳定的优点。可广泛应用于科学研究、工业化工、石油气田等场所，为我国智能工厂和智能油田的发展建设提供有力的支持与帮助。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种不仅能够在强电磁干扰及易燃易爆环境下工作，还具有多点准分布测量，成本低廉，性能稳定的Michelson白光干涉光纤液压传感器及其测量系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：Michelson白光干涉光纤液压传感器，包括容腔以及底座密封腔；
所述容腔设置在底座密封腔上方；所述容腔上方的开口设置有弹性隔水膜；所述底座密封腔的腔内两侧均设置有光杆滑轨；所述光杆滑轨上设置有滑块；所述底座密封腔的腔内两侧的滑块之间设置有固定连接梁；
所述容腔底部设置有弹性金属波纹管；所述容腔和弹性金属波纹管内部均充满硅油；所述弹性金属波纹管的下端与固定连接梁连接；
所述固定连接梁下方设置有反射镜固定装置；所述底座密封腔的底部设置有光纤自聚焦固定装置；所述光纤自聚焦固定装置位于反射镜固定装置的正下方；所述底座密封腔上设置有光纤连接导管；所述光纤连接导管内设置有与光纤自聚焦固定装置的光纤跳线。
进一步的，所述反射镜固定装置包括螺柱、调角螺丝、第一橡胶圈、平面反射镜以及上安装板和下安装板；
所述螺柱设置在上安装板的顶部；所述第一橡胶圈设置在上安装板和下安装板之间；
所述上安装板上设置有横向槽；所述上安装板上设置有两颗调角螺丝，两个调角螺丝分别位于螺柱的两侧；其中一颗调角螺丝由上安装板插入延伸到下安装板内，且与下安装板螺纹配合；另一颗调角螺丝的一端通过横向槽插入到安装板内，且与下安装板螺纹配合；所述平面反射镜安装在下安装板的下底面。
进一步的，所述的光纤自聚焦固定装置包括光纤自聚焦透镜、第二调角螺丝、第二橡胶圈、固定座；所述固定座上设置有聚焦透镜安装座，所述第二橡胶圈位于固定座与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝的一端依次穿过法兰、第二橡胶圈插入到固定座内，且与固定座螺纹配合。
进一步的，所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝；所述光纤自聚焦透镜安装在安装凸台顶部。
本发明还提供了一种Michelson白光干涉光纤液压传感器的测量系统，该Michelson白光干涉光纤液压传感器的测量系统，包括宽光谱光源、光电探测器、光纤耦合器、第一光纤跳线、第二光纤跳线、扫描位移台、光纤自聚焦透镜、第一平面反射镜、基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器、防水导管；
所述光纤自聚焦透镜滑动安装在扫描位移台上，所述第一平面反射镜固定安装在扫描位移台上；
所述宽光谱光源发出的光通过光纤耦合器后被分成两束光，一束进入第一光纤跳线作为参考光，一束进入第二光纤跳线作为传感光；
所述参考光从由第一光纤跳线进入到光纤自聚焦透镜；然后由光纤自聚焦透镜中出射并被平面反射镜反射后原路返回；
所述传感光由第二光纤跳线进入储液罐后通过防水导管进基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器并由光纤自聚焦固定装置上的光纤自聚焦透镜出射到反射镜固定装置中的平面反射镜上并原路返回；
反射回来的传感光和参考光通过光纤耦合器合成一束光并被光电探测器接收。
本发明的有益效果是：本发明所述的基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器及其测量系统，具有以下优点：
(1)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器，传感器所使用的金属波纹管可根据实际需求进行更换，实现测量范围及灵敏度可调。
(2)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器，成本低廉、性能稳定、易于更换及维修。
(3)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器的测量系统，将有源与无源器件相互分离设计使其能够在强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境下工作。
(4)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器测量系统，多个传感器可共同使用一套宽光谱光源、光电探测器，实现多点准分布测量。
(5)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器测量系统，能够与光纤传输系统组成遥测网络，实现远程实时监测与测量。
附图说明
图1是本发明实施例中Michelson白光干涉光纤液压传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中推反射镜固定装置的主视图；
图3是本发明实施例中推反射镜固定装置的俯视图；
图4是本发明实施例中为光纤自聚焦固定装置的立体图；
图5是本发明实施例中Michelson白光干涉光纤液压传感器的测量系统图；
图6是本发明实施例中实验数据图；
图中标示：1-宽光谱光源、2-光电探测器、3-光纤耦合器、4-第一光纤跳线、5-第二光纤跳线、6-扫描位移台、7-光纤自聚焦透镜、8-第一平面反射镜、9-Michelson白光干涉光纤液压传感器、10-防水导管；11-容器，12-被测量液体，13-空气，14-弹性隔水膜、15-硅油、16-容腔、17-弹性金属波纹管、18滑块、19光杆滑轨、20-固定连接梁、21-底座密封腔、22-反射镜固定装置、23-光纤自聚焦固定装置、24-连接导管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图6所示，本发明所述的Michelson白光干涉光纤液压传感器，包括容腔16以及底座密封腔21；
所述容腔16设置在底座密封腔21上方；所述容腔16上方的开口设置有弹性隔水膜14；所述底座密封腔21的腔内两侧均设置有光杆滑轨19；所述光杆滑轨19上设置有滑块18；所述底座密封腔21的腔内两侧的滑块18之间设置有固定连接梁20；
所述容腔16底部设置有弹性金属波纹管17；所述容腔16和弹性金属波纹管17内部均充满硅油15；所述弹性金属波纹管17的下端与固定连接梁20连接；
所述固定连接梁20下方设置有反射镜固定装置22；所述底座密封腔21的底部设置有光纤自聚焦固定装置23；所述光纤自聚焦固定装置23位于反射镜固定装置22的正下方；所述底座密封腔21上设置有光纤连接导管24；所述光纤连接导管24内设置有与光纤自聚焦固定装置23的光纤跳线。
在具体的应用过程中需要搭建Michelson白光干涉光纤液压传感器的测量系统；所述Michelson白光干涉的光纤液压传感器的测量系统包括宽光谱光源1、光电探测器2、光纤耦合器3、第一光纤跳线4、第二光纤跳线5、扫描位移台6、光纤自聚焦透镜7、第一平面反射镜8、基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器9、防水导管10；
所述光纤自聚焦透镜7滑动安装在扫描位移台6上，所述第一平面反射镜8固定安装在扫描位移台6上；
所述宽光谱光源1发出的光通过光纤耦合器3后被分成两束光，一束进入第一光纤跳线4作为参考光，一束进入第二光纤跳线5作为传感光；
所述参考光从由第一光纤跳线4进入到光纤自聚焦透镜7；然后由光纤自聚焦透镜7中出射并被第一平面反射镜8反射后原路返回；
所述传感光由第二光纤跳线5进入储液罐11后通过防水导管10进基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器9并由光纤自聚焦固定装置上的光纤自聚焦透镜出射到反射镜固定装置22中的平面反射镜上并原路返回；
反射回来的传感光和参考光通过光纤耦合器3合成一束光并被光电探测器2接收。
具体的应用过程如下：
步骤一、系统搭建。按图5连接各器件，本实施例中的宽光谱光源1采用LED光源，光纤自聚焦透镜的工作距离为150mm，平面反射镜为镀银反射镜，并用硅橡胶将其固定在反射镜固定装置22上，镀银面作为反射面。弹性金属波纹管17的内径50mm，高度100mm，容腔16材质为有机玻璃，内径130mm，外径140mm，高度68mm，弹性隔水膜14选用高弹性乳胶膜。底座密封腔21通过3D打印完成，光纤自聚焦固定装置23和反射镜固定装置24的材质为铝合金。
步骤二、光路准直。通过调节反射镜固定装置24和光纤自聚焦固定装置23的调角螺丝来确保宽谱光垂直出射到平面反射镜面并原路反射回光纤自聚焦透镜。将反射镜8固定在扫描位移台6的一端，光纤自聚焦透镜7可在位移台上来回移动，调节反射镜8及光纤自聚焦透镜7的角度，保证由光纤自聚焦透镜7出射的宽谱光经过反射可以原路返回。
步骤三、测量初始化。如图5所示，本实施例中将接好光路的光纤液压传感器9置于空桶中并固定。静置几分钟待传感器稳定后，通过移动光纤自聚焦透镜7的在扫描位移台6上的位置，在光电探测器2上观察到白光干涉条纹得中央主极大，记录此时光纤自聚焦透镜7的位置，并标记为零。
步骤四、传感器测量测试。本实施例中使用市场购买的液压表作为参考标定。逐渐在空桶中注水，开启扫描位移台，记录白光干涉中央主极大条纹的位置，并记录对应的液压表显示值。
综上所述，本发明所述的基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器及其测量系统，具有以下优点：
(1)本发明所述的一种基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器，传感器所使用的金属波纹管可根据实际需求进行更换，实现测量范围及灵敏度可调。
(2)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器，成本低廉、性能稳定、易于更换及维修。
(3)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器的测量系统，将有源与无源器件相互分离设计使其能够在强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境下工作。
(4)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器测量系统，多个传感器可共同使用一套宽光谱光源、光电探测器，实现多点准分布测量。
(5)本发明所述的一种Michelson白光干涉光纤液压传感器测量系统，能够与光纤传输系统组成遥测网络，实现远程实时监测与测量。
为了便于平面反射镜114角度的调节，同时简化结构，进一步的，所述反射镜固定装置22包括螺柱221、调角螺丝222、第一橡胶圈223、平面反射镜224以及上安装板225和下安装板；
所述螺柱221设置在上安装板的顶部；所述橡胶圈113设置在上安装板和下安装板之间；
所述上安装板225上设置有横向槽226；所述上安装板225上设置有两颗调角螺丝222，两个调角螺丝222分别位于螺柱221的两侧；其中一颗调角螺丝222由上安装板225插入延伸到下安装板内，且与下安装板螺纹配合；另一颗调角螺丝222的一端通过横向槽226插入到安装板内，且与下安装板螺纹配合；所述平面反射镜224安装在下安装板的下底面。
为了便于光纤自聚焦透镜101角度的调节，同时简化结构，进一步的，所述的光纤自聚焦固定装置23包括光纤自聚焦透镜231、第二调角螺丝233、第二橡胶圈234、固定座235；所述固定座235上设置有聚焦透镜安装座，所述第二橡胶圈234位于固定座235与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜231安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝233设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝233的一端依次穿过法兰、第二橡胶圈234插入到固定座235内，且与固定座235螺纹配合。
为了便于光纤自聚焦透镜101的安装和更换，进一步的，所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝232；所述光纤自聚焦透镜231安装在安装凸台顶部。
Claims (3)
1.Michelson白光干涉光纤液压传感器，其特征在于：包括容腔（16）以及底座密封腔（21）；
所述容腔（16）设置在底座密封腔（21）上方；所述容腔（16）上方的开口设置有弹性隔水膜（14）；所述底座密封腔（21）的腔内两侧均设置有光杆滑轨（19）；所述光杆滑轨（19）上设置有滑块（18）；所述底座密封腔（21）的腔内两侧的滑块（18）之间设置有固定连接梁（20）；
所述容腔（16）底部设置有弹性金属波纹管（17）；所述容腔（16）和弹性金属波纹管（17）内部均充满硅油（15）；所述弹性金属波纹管（17）的下端与固定连接梁（20）连接；
所述固定连接梁（20）下方设置有反射镜固定装置（22）；所述底座密封腔（21）的底部设置有光纤自聚焦固定装置（23）；所述光纤自聚焦固定装置（23）位于反射镜固定装置（22）的正下方；所述底座密封腔（21）上设置有光纤连接导管（24）；所述光纤连接导管（24）内设置有与光纤自聚焦固定装置（23）的光纤跳线；
所述反射镜固定装置（22）包括螺柱（221）、调角螺丝（222）、第一橡胶圈（223）、平面反射镜（224）以及上安装板（225）和下安装板；
所述螺柱（221）设置在上安装板的顶部；所述第一橡胶圈（223）设置在上安装板和下安装板之间；
所述上安装板（225）上设置有横向槽（226）；所述上安装板（225）上设置有两颗调角螺丝（222），两个调角螺丝（222）分别位于螺柱（221）的两侧；其中一颗调角螺丝（222）由上安装板（225）插入延伸到下安装板内，且与下安装板螺纹配合；另一颗调角螺丝（222）的一端通过横向槽（226）插入到安装板内，且与下安装板螺纹配合；所述平面反射镜（224）安装在下安装板的下底面；
所述的光纤自聚焦固定装置（23）包括光纤自聚焦透镜（231）、第二调角螺丝（233）、第二橡胶圈（234）、固定座（235）；所述固定座（235）上设置有聚焦透镜安装座，所述第二橡胶圈（234）位于固定座（235）与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜（231）安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝（233）设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝（233）的一端依次穿过法兰、第二橡胶圈（234）插入到固定座（235）内，且与固定座（235）螺纹配合。
2.如权利要求1所述的Michelson白光干涉光纤液压传感器，其特征在于：所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝（232）；所述光纤自聚焦透镜（231）安装在安装凸台顶部。
3.Michelson白光干涉光纤液压传感器的测量系统，其特征在于：所述Michelson白光干涉光纤液压传感器为采用权利要求1或2所述的Michelson白光干涉光纤液压传感器；
所述Michelson白光干涉光纤液压传感器的测量系统包括宽光谱光源（1）、光电探测器（2）、光纤耦合器（3）、第一光纤跳线（4）、第二光纤跳线（5）、扫描位移台（6）、第一光纤自聚焦透镜（7）、第一平面反射镜（8）、基于Michelson白光干涉的光纤液压传感器（9）、防水导管（10）；
所述第一光纤自聚焦透镜（7）滑动安装在扫描位移台（6）上，所述第一平面反射镜（8）固定安装在扫描位移台（6）上；
所述宽光谱光源（1）发出的光通过光纤耦合器（3）后被分成两束光，一束进入第一光纤跳线（4）作为参考光，一束进入第二光纤跳线（5）作为传感光；
所述参考光从由第一光纤跳线（4）进入到第一光纤自聚焦透镜（7）；然后由第一光纤自聚焦透镜（7）中出射并被第一平面反射镜（8）反射后原路返回；
所述传感光由第二光纤跳线（5）进入储液罐（11）后通过防水导管（10）进Michelson白光干涉光纤液压传感器（9）并由光纤自聚焦固定装置上的光纤自聚焦透镜出射到反射镜固定装置（22）中的平面反射镜上并原路返回；
反射回来的传感光和参考光通过光纤耦合器（3）合成一束光并被光电探测器（2）接收。
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