CN204903074U - 一种单光纤束探头差压传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种单光纤束探头差压传感器，传感器探头的壳体内滑动设置有活塞，活塞的两端分别设置有一个弹簧，两个弹簧的一端均固定于活塞上，壳体的两端固定有端盖，两个弹簧的另一端固定于所对应的端盖上，两个端盖上沿壳体的长度方向均开设有一个通孔，活塞的两端分别设置有一个活塞杆，两个活塞杆的另一端分别伸在所对应端盖上的通孔内，通孔的另一端伸入有光纤探头，活塞两端的腔室内分别开设有一个与探头结构外部相连通的流体通孔，所述光纤探头的出射光纤与光电探测器相连，光纤探测器与信号处理器相连。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。本实用新型属于压差检测领域。

Description

一种单光纤束探头差压传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，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

本实用新型的目的在于：提供一种单光纤束探头差压传感器，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。

本实用新型的方案如下：一种单光纤束探头差压传感器，包括传感器探头、光电探测器和信号处理器，传感器探头包括壳体，壳体为筒形结构，壳体内滑动设置有活塞，活塞的两端分别设置有一个弹簧，两个弹簧的一端均固定于活塞上，壳体的两端分别密封固定有端盖，两个弹簧的另一端分别固定于所对应的端盖上，两个端盖上沿壳体的长度方向均开设有一个通孔，活塞的两端分别设置有一个活塞杆，两个活塞杆的一端分别对应固定于活塞的端面上，两个活塞杆的另一端分别伸在所对应端盖上的通孔内，且活塞杆与通孔之间均设置有密封圈，其中一个通孔内的活塞杆的端面上设置有反光镜，且该通孔内，由该通孔的另一端伸入有光纤探头，光纤探头与该活塞杆之间的通孔的侧壁上还开设有与探头结构外部相连通的通气孔，活塞两端的腔室内分别开设有一个与探头结构外部相连通的流体通孔，所述光纤探头的出射光纤与光电探测器相连，光纤探测器与信号处理器相连。

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，入射光纤接入到传感器探头中的光纤探头，并作为光纤探头的入射光纤，参考光纤则单独与一个光电探测器相连，且该光电探测器也与信号处理器相连，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。

优选地，两个弹簧的结构及规格均相同，活塞位于两端盖的正中央位置时，两个弹簧均处于自然状态，即弹簧无拉伸与压缩形变；

优选地，两个通孔均开设在所在端盖的正中心位置，两个通孔、活塞及两个活塞杆均同轴设置，反光镜与光纤探头垂直设置；

优选地，所述光纤探头通过螺纹旋紧固定于通孔内；

优选地，端盖的中部设置有伸入壳体内的凸起部，凸起部是与通孔同轴的圆柱形结构，两个弹簧的一端分别套设固定于所对应端盖的凸起部上；

优选地，活塞与壳体的内壁之间设置有活塞密封圈；

优选地，活塞的材质为硬质合金；

优选地，所述流体通孔上均设置有滤网。

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敏元件连接，输出光强度信号，当活塞两侧压力不同使活塞产生位移进而使光纤束与反光片距离发生变化，造成两个输出光信号的强度不同，光敏元件把光信号转化为电信号，该信号经过放大整流滤波等处理环节后输入到计算机中，配合相应的算法计算，可以得出两检测位置的流体压力差。

传感器探头部分的工作原理为：通过两个流体通孔分别通入两种待测流体，当左右两侧检测腔内的流体压力相等时，活塞处于中部平衡位置，活塞上的轴向合力为零，活塞不产生轴向位移；当活塞左右两侧检测腔内的流体存在压力差时，活塞失去平衡，向压力较低的一侧滑动，从而压缩该侧阻尼弹簧，另一侧阻尼弹簧被拉伸，活塞运动到一个新的轴向合力为零的平衡位置。活塞处于中部平衡位置时，传感器一侧的光纤探头与活塞杆端面反光镜之间的距离为初始距离，这个初始距离同型号的视为相同并将其数据保存在计算机，同时测试出反射光初始光强，此时经光电转换及信号处理计算后输出值为0；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，活塞产生轴向位移。因此，传感器光纤探头与反光镜之距离产生变化，从而光纤探头接收光纤的输出光信号强度与初始光强不同，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，经反射后到达光电探测器，另一路经参考光纤传输到光电探测器，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；、为光探测器的灵敏度；为耦合比；为该侧探头调制函数。

又差压传感器的两探头结构相同，其调制函数为：

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，再选用稳定的光电检测元件，从而避免光电检测器引入的误差，实现较好的强度补偿。

二、传感器数学模型

2.1强度调制数学模型

本实用新型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。

（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，、。

为了使本实用新型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，那么本实用新型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、，设右方向为正，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；

若压差使活塞向右移动，活塞两侧阻尼弹簧产生的力分别为：

；（8）

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

根据受力平衡，有：，则压力差：

（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大小成正比。

则所求压差（10）

三、实验结果与分析

根据以上理论基础和公式，选取初始值、、、、传感器活塞接触面积约为，从-0.33mm变化到0.33mm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，光通量随着活塞从左向右运动而呈递增趋势，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的递增，耦合进入到接收光纤的光强度增大，所以高压侧光通量呈递增趋势，同时保持较好的线性度。

本实用新型与现有技术相比，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，这对新型差压传感器的设计与推广起到了十分重要的的推动作用。

附图说明

图1是所述传感器的系统原理图，其中，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

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本实用新型作进一步地详细描述，

实施例：

参照图1，本实施例提供一种单光纤束探头差压传感器，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为筒形结构，壳体11内滑动设置有活塞12，活塞12的材质为硬质铝合金，活塞12与壳体11的内壁之间设置有活塞密封圈111，活塞12的两端分别设置有一个弹簧14，两个弹簧14的结构及规格均相同，活塞12位于两端盖12的正中央位置时，两个弹簧14均处于自然状态，两个弹簧14的一端均固定于活塞12上，壳体11的两端分别密封固定有端盖13，端盖13的中部设置有伸入壳体11内的凸起部132，凸起部132是与通孔131同轴的圆柱形结构，两个弹簧14的另一端分别套设固定于所对应端盖13的凸起部132上，两个端盖13上沿壳体1的长度方向均开设有一个通孔131，活塞12的两端分别设置有一个活塞杆15，两个活塞杆15的一端分别对应固定于活塞12的端面上，两个通孔131均开设在所在端盖3的正中心位置，两个通孔131、活塞12及两个活塞杆15均同轴设置，两个活塞杆15的另一端分别伸在所对应端盖13上的通孔131内，且活塞杆15与通孔131之间均设置有密封圈16，其中一个通孔131内的活塞杆15的端面上设置有反光镜17，且该通孔131内，由该通孔131的另一端伸入有光纤探头18，光纤探头18通过螺纹旋紧固定于通孔131内，反光镜17与光纤探头18垂直设置，光纤探头18与该活塞杆15之间的通孔131的侧壁上还开设有与探头结构外部相连通的通气孔19，活塞12两端的腔室内分别开设有一个与探头结构外部相连通的流体通孔110，流体通孔110上均设置有滤网112。

所述光纤探头18的出射光纤181与光电探测器2相连，光纤探测器2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，入射光纤61接入到传感器探头1中的光纤探头18，并作为光纤探头18的入射光纤，参考光纤62则单独与一个光电探测器2相连，且该光电探测器2也与信号处理器3相连。

Claims (9)

1.一种单光纤束探头差压传感器，其特征在于：包括传感器探头（1）、光电探测器（2）和信号处理器（3），传感器探头（1）包括壳体（11），壳体（11）为筒形结构，壳体（11）内滑动设置有活塞（12），活塞（12）的两端分别设置有一个弹簧（14），两个弹簧（14）的一端均固定于活塞（12）上，壳体（11）的两端分别密封固定有端盖（13），两个弹簧（14）的另一端分别固定于所对应的端盖（13）上，两个端盖（13）上沿壳体（11）的长度方向均开设有一个通孔（131），活塞（12）的两端分别设置有一个活塞杆（15），两个活塞杆（15）的一端分别对应固定于活塞（12）的端面上，两个活塞杆（15）的另一端分别伸在所对应端盖（13）上的通孔（131）内，且活塞杆（15）与通孔（131）之间均设置有密封圈（16），其中一个通孔（131）内的活塞杆（15）的端面上设置有反光镜（17），且该通孔（131）内，由该通孔（131）的另一端伸入有光纤探头（18），光纤探头（18）与该活塞杆（15）之间的通孔（131）的侧壁上还开设有与探头结构外部相连通的通气孔（19），活塞（12）两端的腔室内分别开设有一个与探头结构外部相连通的流体通孔（110），所述光纤探头的出射光纤与光电探测器（2）相连，光纤探测器（2）与信号处理器（3）相连。

2.根据权利要求1所述一种单光纤束探头差压传感器，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），入射光纤（61）接入到传感器探头（1）中的光纤探头（18），并作为光纤探头（18）的入射光纤，参考光纤（62）则单独与一个光电探测器（2）相连，且该光电探测器（2）也与信号处理器（3）相连。

3.根据权利要求1所述一种单光纤束探头差压传感器，其特征在于：两个弹簧（14）的结构及规格均相同，活塞（12）位于两端盖（13）的正中央位置时，两个弹簧（14）均处于自然状态。

4.根据权利要求1所述一种单光纤束探头差压传感器，其特征在于：两个通孔（131）均开设在所在端盖（13）的正中心位置，两个通孔（131）、活塞（12）及两个活塞杆（15）均同轴设置，反光镜（17）与光纤探头（18）垂直设置。

5.根据权利要求1所述一种单光纤束探头差压传感器，其特征在于：所述光纤探头（18）通过螺纹旋紧固定于通孔（131）内。

6.根据权利要求1所述一种单光纤束探头差压传感器，其特征在于：端盖（13）的中部设置有伸入壳体（11）内的凸起部（132），凸起部（132）是与通孔（131）同轴的圆柱形结构，两个弹簧（14）的一端分别套设固定于所对应端盖（13）的凸起部（132）上。

7.根据权利要求1所述一种单光纤束探头差压传感器，其特征在于：活塞（12）与壳体（11）的内壁之间设置有活塞密封圈（111）。

8.根据权利要求1所述一种单光纤束探头差压传感器，其特征在于：活塞（12）的材质为硬质合金。

9.根据权利要求1所述一种单光纤束探头差压传感器，其特征在于：流体通孔（110）上均设置有滤网（112）。