CN114397058A - 一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，主要解决现有压力测量装置结构复杂、整体尺寸较大且测量精度较低的问题。该压力传感器包括位移传感模块、C型弹簧管、旋转模块、光源、光纤环形器、光电转换模块和数据处理模块；位移传感模块包括底座、反射镜座、导轨、滑块、平面反射镜、透镜安装座、微小透镜和光纤；旋转模块用于将C型弹簧管的变形量转换为平面反射镜在导轨上的位移量；光源发射的光束通过光纤环形器和光纤进入微小透镜，经过微小透镜后传输至平面反射镜上，经过平面反射镜反射后，光束再次通过微小透镜进入光纤环形器，光纤环形器将反射光束传输至光电转换模块，数据处理模块将光功率转换为对应的距离。

Description

一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器

技术领域

本发明属于压力测量仪器领域，具体涉及一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器。

背景技术

目前，常用的压力测量装置为机械式气压表、压力传感器和弹簧管式光纤光栅压力传感器。

机械式气压表，如弹簧管压力表。1849年法国机械师波登发明了弹簧管压力表，这是工业自动化仪表中发展最早、用途最广的产品之一。直至今天，弹簧管压力表凭借着体积小、造价低、结构简单、安装容易、维修方便等特点仍被广泛使用，满足部分工业的需要。此类压力表的原理为：压力改变气压表内弹簧管的形变，进而利用形变量转动压力表的指针，得到相应的压力值。但是，该类压力表测量精度较低，不适用于极端环境和远距离测量，对人员操作的依赖性较大，不能满足现代物联网和数据实时传输的要求。

数字压力传感器利用MEMS技术在单晶硅片上加工出真空腔体和惠斯登电桥，惠斯登电桥桥臂两端的输出电压与施加的压力成正比，经过温度补偿和校准后实现测量。该类传感器具有体积小、精度高、响应速度快、不受温度变化影响的特点。但是，数字压力传感器多采用压阻式原理进行气压测量，易受电磁干扰，且整体成本较高。

弹簧管式光纤光栅压力传感器将两个光纤光栅沿着中心轴线粘贴在弹簧管前后表面，在被测压力作用下产生形变，表面的正、负应变与压力值相对应。或者，将光纤光栅与支架固定，根据弹簧管产生的形变引起光纤光栅产生应变，利用光纤光谱仪的信号解调得出压力值。该测量装置具有灵敏度较高、抗电磁干扰、易于分布式传感等，但是，其成本较高，且整体结构相对复杂，解调部分难度相对较大，整体尺寸相对较大，结构复杂。

现有的光纤压力传感器，如中国专利CN101922989A公开了一种基于C型弹簧管的光纤压力传感器，通过微弯元件内信号光纤的曲率变化探测光功率变化，进而得出压力值，由于光纤曲率变化小、C型弹簧管的变形量小，测量过程中容易受到外界振动等干扰，整体的探测精度较低。此外，在变形量较小的情况下，光强信号的测量精度较低，对光电转换器件的性能要求较高，从而会提高系统整体成本。

光纤与电缆及其应用技术中，1994年第5期公开了一种“C型弹簧管光纤压力传感器”，该压力传感器利用C型管一段的膨胀量转换为光强的变化量，但是，由于C型弹簧管的膨胀量非常小，导致光强度变化速度较快，使得整体的测量精度相对较低。

发明内容

本发明的目的是解决现有压力测量装置结构复杂、整体尺寸较大且测量精度较低的问题，提供一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，包括位移传感模块、C型弹簧管、旋转模块、光源、光纤环形器、光电转换模块和数据处理模块；所述位移传感模块包括底座、反射镜座、导轨、滑块、平面反射镜、透镜安装座、微小透镜和光纤；所述底座设置在C型弹簧管的支架上，所述反射镜座通过导轨和滑块设置在底座上，且能够沿导轨滑动；所述平面反射镜设置在反射镜座上；所述透镜安装座设置在底座上，所述微小透镜采用渐变折射率材料制成，设置在透镜安装座上，微小透镜的一端与光纤连接，另一端与平面反射镜相对平行设置；所述旋转模块用于将C型弹簧管的变形量转换为平面反射镜在导轨上的位移量；所述旋转模块包括旋转块、导钉和固定块，所述固定块设置在C型弹簧管上，所述旋转块的一端与固定块连接，另一端设置有腰形孔，所述导钉的一端与反射镜座固连，且连接点通过微小透镜的光轴，另一端设置在腰形孔内，所述旋转块与固定块连接点为A，所述导钉的中心点为B，直线AB与平面反射镜的滑动方向的夹角为锐角或钝角；所述光源与光纤环形器的第一端口连接，所述光纤环形器的第二端口通过光纤与微小透镜连接，所述光纤环形器的第三端口通过光电转换模块与数据处理模块连接；所述光源发射的光束通过光纤环形器和光纤进入微小透镜，经过微小透镜后传输至平面反射镜上，经过平面反射镜反射后，光束再次通过微小透镜进入光纤环形器，光纤环形器将反射光束传输至光电转换模块，数据处理模块将该反射光束的光功率转换为对应的距离，进而得出气压值。

进一步地，所述底座上设置有微调组件，用于对平面反射镜的方位和俯仰进行调节。

进一步地，所述微调组件包括微调底座、第一方位螺钉、第二方位螺钉和俯仰螺钉；所述微调底座固定设置在滑块上，且位于反射镜座的一侧，其上设置有支撑凸块；所述反射镜座上设置有两个调整凸块，所述第一方位螺钉、第二方位螺钉分别穿过支撑凸块，末端均抵靠在调整凸块上，旋转第一方位螺钉、第二方位螺钉，从而调整调整凸块与支撑凸块之间的距离，进而实现平面反射镜的方位调节；所述俯仰螺钉设置在反射镜座上，其末端抵靠在滑块上，旋转俯仰螺钉，从而实现平面反射镜的俯仰调节。

进一步地，所述微小透镜的中心折射率为1.59，聚焦参数为为0.326，透镜长度为5.856mm，工作距离5mm。

进一步地，所述底座的两侧分别设置有导向块，用于在调试过程中对滑块进行固定。

进一步地，所述光纤环形器为单模光纤环形器。

进一步地，所述光源为波长为1550nm的激光光源。

进一步地，所述平面反射镜通过胶黏剂固定在反射镜座的前端面。

进一步地，所述导钉与反射镜座的连接点位于微小透镜的光轴上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明光纤传输式无源压力传感器仅在原有的弹簧管压力表中增加了位移传感模块和旋转模块，即可实现压力信号的实时采集，其安装方便简单，且对原结构没有任何破坏性，可以实现机械式和传感式两种采集数据方式。

2.本发明光纤传输式无源压力传感器的接收端与发射端均为同一个渐变折射率材料透镜，结构简单，装配误差较小，易于装配与调试。

3.本发明光纤传输式无源压力传感器仅测量光强的变化值，通过光电转换得到相应的压强值，属于无源测量，可抗电磁干扰，可用于强电场、强磁场环境等特殊环境或极端环境，且所需要的测量设备简单，测量精度较高。

4.本发明光纤传输式无源压力传感器可进行远距多通道数据采集，与传统人工记录气压值大不相同，通过数据处理模块实现多个地方的远距离压力测量，并且可以实时对气压表的工作状态进行监控，大大降低了人工成本，同时增加了工作的便携性和工作效率。

5.本发明光纤传输式无源压力传感器整体结构较小，成本较低，适用于大规模的生产。

附图说明

图1为本发明基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器结构示意图；

图2为本发明光纤传输式无源压力传感器中位移传感模块的结构示意图；

图3为本发明光纤传输式无源压力传感器中微调组件的结构示意图；

图4为本发明旋转块的安装示意图。

附图标记：1-位移传感模块，2-C型弹簧管，3-旋转模块，4-光源，5-光纤环形器，6-光电转换模块，7-数据处理模块，8-微调组件，11-底座，12-反射镜座，13-导轨，14-滑块，15-平面反射镜，16-透镜安装座，17-微小透镜，18-光纤，19-导向块，121-调整凸块，31-旋转块，32-固定块，33-导钉，81-微调底座，82-第一方位螺钉，83-第二方位螺钉，84-俯仰螺钉，811-支撑凸块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，该传感器仅在原有的弹簧管压力表中增加了位移传感模块和旋转模块，且接收端和发射端均采用同一个渐变折射率材料透镜，利用光强的变化测量弹簧管的位移进而得出相应的气压值，相比于利用电磁式、机械位移式等传感器具有精度高、无源、抗电磁干扰、远距离测量、易于分布式传感、可在强电场或强磁场等极端环境下工作等特点。

如图1所示，本发明提供的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器主要由位移传感模块1、C型弹簧管2、旋转模块3、光源4、光纤环形器5、光电转换模块6和数据处理模块7组成。该C型弹簧管2可采用现有压力表的C型弹簧管，位移传感模块1和旋转模块3设置在C型弹簧管2上，用于将C型弹簧管2的变形量转变为平面反射镜的位移量，进而转变为光强变化。

如图2所示，本发明位移传感模块1主要由底座11、反射镜座12、导轨13、滑块14、平面反射镜15、透镜安装座16、微小透镜17、光纤18和导向块19组成；底座11固定设置在C型弹簧管2的支架上，反射镜座12通过导轨13和滑块14设置在底座11上，且能够沿导轨13滑动；平面反射镜15设置在反射镜座12上，反射镜座12用于将C型弹簧管2的变形量传递给平面反射镜15，平面反射镜15移动进而带来光强的变化，具体安装时，将平面反射镜15通过胶黏剂固定在反射镜座12的前端面；透镜安装座16设置在底座11上，且位于反射镜座12的一侧。微小透镜17设置在透镜安装座16上，其采用渐变折射率材料制成，微小透镜17的一端与光纤18连接，另一端与平面反射镜15相对平行设置，且微小透镜17的光轴通过平面反射镜15中心，即微小透镜17与平面反射镜15的光轴同轴。

本发明微小透镜17作为发射与接收光束的关键器件，将发射与接收集成一体，大大缩小了整体尺寸，且对装配要求降低。具体的，该微小透镜17的材料为渐变折射率材料，中心折射率为1.59，聚焦参数为0.326，透镜长度为5.856mm，工作距离为5mm。

如图1所示，本发明旋转模块3用于将C型弹簧管2的变形量转换为平面反射镜15在导轨13上的位移量，该旋转模块3具体包括旋转块31、导钉33和固定块32，固定块32设置在C型弹簧管2上，旋转块31的一端与固定块32连接，另一端设置有腰形孔，导钉33的一端与反射镜座12固连，且连接点通过微小透镜17的光轴，另一端设置在腰形孔内，且能够在腰形孔内滑动。压力测量时，C型弹簧管2的变形量通过旋转块31和导钉33传递至反射镜座12上，即将C型弹簧管2的变形量转换为平面反射镜15在导轨13上的位移量。

如图4所示，本发明旋转模块3采用旋转块，目的是将C型弹簧管2的微小膨胀量转换为平面反射镜15在导轨13上的位移量，即将C型弹簧管2的变形量转换为平面反射镜15的位移量，此时，旋转块31与固定块32连接点为A，导钉33的中心点为B，直线AB与平面反射镜15的滑动方向的夹角为锐角或钝角；根据旋转块31固定位置与导钉33连接处的距离控制C型弹簧管2变形量为反射镜位移量的放大倍数。C型弹簧管与旋转块31固定连接，C形弹簧管膨胀后，旋转块固定端的旋转角度θ为小角度，旋转块固定端与位移模块的固定位置距离为r，此时，反射镜座随着旋转模块转动后发生一定的位移，根据小角度法，位移大小约为r×θ，将角度量θ放大为位移量r×θ。由于小角度不方便测量，利用该方法既可以方便测量小角度，又可以大大提高测量精度。此外，通过旋转块31和导钉33的配合，可以很好地完成平面反射镜15沿着导轨13的移动，有效地防止卡死。

本发明光源4与光纤环形器5的第一端口连接，光纤环形器5的第二端口通过光纤18与平面反射镜15连接，第三端口通过光电转换模块6与数据处理模块7连接；光源4发射的光束通过光纤环形器5和光纤18进入微小透镜17，经过微小透镜17后传输至平面反射镜15上，经过平面反射镜15反射后，光束再次通过微小透镜17进入光纤环形器5后，光纤环形器5将反射光束传输至光电转换模块6，数据处理模块7将该光功率转换为对应的距离，进而得出气压值。

如图3所示，为使得微小透镜17的端面与平面反射镜15平行，需对平面反射镜15的方位和俯仰进行调整，在本发明实施例中，通过微调组件8对平面反射镜15的方位和俯仰进行调节，微调组件8包括微调底座81、第一方位螺钉82、第二方位螺钉83和俯仰螺钉84；微调底座81上设置在滑块14上，其上设置有支撑凸块811；反射镜座12上设置有两个调整凸块121；第一方位螺钉82、第二方位螺钉83与支撑凸块811螺纹连接，第一方位螺钉82、第二方位螺钉83穿过支撑凸块811后，其末端均抵靠在调整凸块121上，旋转第一方位螺钉82、第二方位螺钉83，从而调整调整凸块121与支撑凸块811之间的距离，进而对平面反射镜15的方位进行调节；俯仰螺钉84设置在反射镜座12上，其末端抵靠在滑块14上，旋转俯仰螺钉84，从而实现平面反射镜15的俯仰调节。

此外，底座11的两侧分别设置有导向块19，用于在装配和调试时，将滑块14固定，以便于静态调整平面反射镜15与微小透镜17的相对位置，从而找到测量装置在没有压强下的初始位置。

本发明光纤传输式无源压力传感器的工作方式：激光光源发射1550nm近红外光进入单模光纤环形器，经过微小透镜17后传输至平面反射镜15上。经过平面反射镜15的反射后，光束进入单模光纤环形器5后传输至光电转换模块6，将该处的光功率转换为对应的距离，进而得出气压值。不同气压下，C型弹簧管2的变形量不同，引起旋转模块3带动平面反射镜15轴向移动。某个气压值下对应的平面镜位置唯一，光功率值唯一，因此可以通过光功率与直线位移、直线位移与气压值之间的关系得出实际测量的气压值。

本发明利用旋转块能够将C型弹簧管2的微小膨胀量放大一定的倍数，进而转化为平面反射镜15沿着导轨13的位移量，使得光强度变化相对较慢，且装置整体固定，抵抗振动能力相对较强，因此本发明测量精度较高，且整体可靠性较好。同时，本发明使用的结构件加工难度较低，且可以批量生产，微小透镜17可批量生产，且性能稳定性较强，整体成本相对较低，装配和调试简单。

与需要有源设备测量电阻、电磁等物理量不同，本发明光纤传输式无源压力传感器仅通过测量光强的变化值后通过光电转换得到相应的压强值，属于无源测量，可用于强电场、强磁场环境内，且所需要的测量设备简单，转换精度较高。相对于现有精度为0.05MPA，量程为0～1.6MPA的气压表，本发明在量程相同的条件下，精度可达0.005MPA。

本发明光纤传输式无源压力传感器激光采用近红外波段，并配有光强检测电路，可以利用光纤实时传输数据，也可以利用无线模块，无线传输数据。

本发明光纤传输式无源压力传感器在传统气压表的基础上增加位移传感模块1和旋转模块3，成本低，结构简单，安装方便。该传感器利用渐变折射率材料设计的微小透镜17，与光纤18封装后，可实现无源、长距离的压力探测，在调整光模块过程中，由于接收端和发射端均是同一个渐变折射率材料透镜，装配过程中进入的误差量少，装配容易。

Claims (9)

1.一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：包括位移传感模块(1)、C型弹簧管(2)、旋转模块(3)、光源(4)、光纤环形器(5)、光电转换模块(6)和数据处理模块(7)；

所述位移传感模块(1)包括底座(11)、反射镜座(12)、导轨(13)、滑块(14)、平面反射镜(15)、透镜安装座(16)、微小透镜(17)和光纤(18)；

所述底座(11)设置在C型弹簧管(2)的支架上，所述反射镜座(12)通过导轨(13)和滑块(14)设置在底座(11)上，且能够沿导轨(13)滑动；所述平面反射镜(15)设置在反射镜座(12)上；

所述透镜安装座(16)设置在底座(11)上，所述微小透镜(17)采用渐变折射率材料制成，设置在透镜安装座(16)上，微小透镜(17)的一端与光纤(18)连接，另一端与平面反射镜(15)相对平行设置，且微小透镜(17)的光轴通过平面反射镜(15)的中心；

所述旋转模块(3)用于将C型弹簧管(2)的变形量转换为平面反射镜(15)在导轨(13)上的位移量；所述旋转模块(3)包括旋转块(31)、导钉(33)和固定块(32)，所述固定块(32)设置在C型弹簧管(2)上，所述旋转块(31)的一端与固定块(32)连接，另一端设置有腰形孔，所述导钉(33)的一端与反射镜座(12)固连，另一端设置在腰形孔内；

所述旋转块(31)与固定块(32)连接点为A，所述导钉(33)的中心点为B，直线AB与平面反射镜(15)的滑动方向的夹角为锐角或钝角；

所述光源(4)与光纤环形器(5)的第一端口连接，所述光纤环形器(5)的第二端口通过光纤(18)与微小透镜(17)连接，所述光纤环形器(5)的第三端口通过光电转换模块(6)与数据处理模块(7)连接；

所述光源(4)发射的光束通过光纤环形器(5)和光纤(18)进入微小透镜(17)，经过微小透镜(17)后传输至平面反射镜(15)上，经过平面反射镜(15)反射后，光束再次通过微小透镜(17)进入光纤环形器(5)，光纤环形器(5)将反射光束传输至光电转换模块(6)，数据处理模块(7)将该反射光束的光功率转换为对应的距离，进而得出气压值。

2.根据权利要求1所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：所述底座(11)上设置有微调组件(8)，用于对平面反射镜(15)的方位和俯仰进行调节。

3.根据权利要求2所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：所述微调组件(8)包括微调底座(81)、第一方位螺钉(82)、第二方位螺钉(83)和俯仰螺钉(84)；

所述微调底座(81)固定设置在滑块(14)上，且位于反射镜座(12)的一侧，其上设置有支撑凸块(811)；所述反射镜座(12)上设置有两个调整凸块(121)，所述第一方位螺钉(82)、第二方位螺钉(83)分别穿过支撑凸块(811)，末端均抵靠在调整凸块(121)上，旋转第一方位螺钉(82)、第二方位螺钉(83)，从而调整调整凸块(121)与支撑凸块(811)之间的距离，进而实现平面反射镜(15)的方位调节；

所述俯仰螺钉(84)设置在反射镜座(12)上，其末端抵靠在滑块(14)上，旋转俯仰螺钉(84)，从而实现平面反射镜(15)的俯仰调节。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：所述微小透镜(17)的中心折射率为1.59，聚焦参数为0.326，透镜长度为5.856mm，工作距离为5mm。

5.根据权利要求4所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：所述底座(11)的两侧分别设置有导向块(19)，用于在调试过程中对滑块(14)进行固定。

6.根据权利要求5所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：所述光纤环形器(5)为单模光纤环形器。

7.根据权利要求6所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：所述光源(4)为波长为1550nm的激光光源。

8.根据权利要求7所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：所述平面反射镜(15)通过胶黏剂固定在反射镜座(12)的前端面。

9.根据权利要求8所述的基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器，其特征在于：所述导钉(33)与反射镜座(12)的连接点位于微小透镜(17)的光轴上。

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