CN209432336U - 一种差压光纤探头结构及其差压光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种差压光纤探头结构及其差压光纤传感器，包括壳体和置于壳体内的检测机构，检测机构包括压力膜片、透镜、位移导杆、弹性密封管，压力膜片、透镜与壳体密封连接，压力膜片将壳体内腔隔离成两个压力腔体；位移导杆与压力膜片固定连接，且位移导杆、压力膜片、透镜同轴设置；位移导杆自由端的端面与透镜之间具有间隙，端面上设有反射膜；弹性密封管套设在位移导杆上，且其两端分别与壳体、压力膜片密封连接；每一压力腔体处设有一压力端口。本实用新型的差压光纤探头结构可以用于差分光纤传感器中，该传感器可以对易燃易爆环境中的各种储罐内的液体压力、密度、液位的变化进行连续测量，具有测量精度高、成本低、使用方便等特点。

Description

一种差压光纤探头结构及其差压光纤传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种差压光纤探头结构及其差压光纤传感器。

背景技术

在石油化工行业中，大型储油罐及加油站储液罐的质量、液位、密度检测一直采用磁致伸缩浮子式、电容式、压阻式、超声波、雷达或人工测量的方法。采用电学原理制成的传感器在易燃易爆、强腐蚀等危险工作环境具有雷电、静电引入的可能性，市场上急需一种本质安全的新型传感器代替现有的检测方法。

公开号为CN104977119B的发明专利公开了一种单活塞阻尼式光纤差压传感器，所述探头结构包括包括壳体，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，两个端盖上的相对位置上分别开设有一个贯通所在端盖的探头插孔，两个探头插孔内分别密封设置有透光片，两个探头插孔内位于透光片的外侧分别设置有指向活塞的光纤探头，光纤探头均与活塞的端面相垂直，活塞两端与光纤探头相对的位置处分别固定有反光片，壳体两端的侧壁上或两个端盖上分别开设有一个与壳体内腔连通的流体通孔，两个光纤探头中接收光纤的出射端分别与一个光敏元件相连，每个光敏元件对应连接有一个信号处理模块。

上述的发明专利中的探头结构虽然能够实现在易燃易爆、强腐蚀等危险工作环境中工作，但是其采用两个光纤探头进行同时测量射入活塞两端的光的强度变化，并根据两个光纤探头测得的光的强度差实现流体压力的测量，由于传感器探头中，活塞的活动空间小，而入射光线在较小的位移范围内的光强变化是十分微小的，即使两个腔体内的压差不一致，活塞进行了微量移动，但是光的强度变化却十分微小，导致测量结果误差大；另外当传感器受外界压力的作用，活塞在壳体内发生移动时需要克服摩擦力，才能够产生位移，而为了防止左、右腔体内的流体之间相互流动，因此活塞需要与壳体内壁进行密封，因此其与壳体内壁之间的摩擦力较大，导致该传感器的测量精度低，且反应速度慢，时效性低等。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种差压光纤探头结构及其差压光纤传感器。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种差压光纤探头结构，包括壳体和置于壳体内的检测机构，所述检测机构包括压力膜片、透镜、位移导杆、弹性密封管，所述压力膜片、透镜与壳体密封连接，压力膜片将壳体内腔隔离成两个压力腔体；所述位移导杆与压力膜片固定连接，且位移导杆、压力膜片、透镜同轴设置；所述位移导杆自由端的端面与所述透镜之间具有间隙，所述端面上设有反射膜；所述弹性密封管套设在位移导杆上，且其两端分别与壳体、压力膜片密封连接；所述壳体对应于每一所述压力腔体处设有与所述压力腔体连通的压力端口。

上述的差压光纤探头结构，所述压力膜片中部设有凸台，所述位移导杆固设在所述凸台中部，所述弹性密封管与所述凸台密封连接。

上述的差压光纤探头结构，所述壳体与所述检测机构同轴设置，所述壳体包括上密封支架、中密封支架和下密封支架，所述中密封支架分别与上密封支架、下密封支架采用子口结构连接，并进行气密性焊接。

上述的差压光纤探头结构，所述透镜为自聚焦透镜，所述自聚焦透镜通过透镜支架与述上密封支架密封连接，所述自聚焦透镜的外侧设有光纤。

上述的差压光纤探头结构，还包括导杆支架，所述导杆支架与所述上密封支架采用子口结构连接，并进行气密性焊接；所述导杆支架中部沿轴向设有供所述位移导杆穿过的通孔，且导杆支架底端与所述弹性密封管顶端密封连接。

上述的差压光纤探头结构，所述压力膜片与所述下密封支架和/或上密封支架气密性焊接；两个所述压力端口分别设置在所述上密封支架和下密封支架上。

上述的差压光纤探头结构，所述压力膜片的反射率为80%~95%。

上述的差压光纤探头结构，所述壳体采用蒙乃尔合金材料制成。

上述的差压光纤探头结构，所述压力膜片采用高弹性材质制成。

一种差压光纤传感器，包括权利要求1~9中任一项所述的差压光纤探头结构。

与现有技术相比本实用新型具有以下的有益效果：

1、在本实用新型的差压光纤探头中，膜片两侧形成两个独立的压力腔，两个压力腔内的流体压力存在差异时，膜片会产生形变从而偏离中心位置，从而带动位移导杆在壳体内上下位移，而该位移导致导杆与透镜之间的平行的光学干涉腔的距离产生变化，从而使光学干涉腔内的干涉光的相位产生变化，通过探测从探头结构输出的光波的波长变化参数，即相位变化参数，即可获得被测差压的变化参量；且本实用新型的检测机构较之现有技术中采用活塞配合弹簧，以及通过检测活塞两端的光强差实现的探头结构相比，具有反应速度快，测量精度高，时效性强，实用性强、耐高压性能好的特点。

2、本实用新型的差压光纤传感器可用来测量容器间两流体之间压力差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差。本实用新型是一种能够对各种储液罐液体介质的压力、密度进行实时高精度、连续测量的差压光纤传感器；由于本实用新型的差压光纤探头具有测量精度高、反应速度快，耐高压等级高的特点，因而使本实用新型的差压光纤传感器可以对易燃易爆环境中的各种储罐内的液体压力、密度、液位的变化进行连续测量，且具有测量精度高、成本低、使用方便等特点。

以下将结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型差压光纤探头的内部结构示意图。

图中：1-光纤；2-透镜支架；3-透镜；4-压力端口；5-上密封支架；6-导杆支架；7-弹性密封管；8-位移导杆；9-中密封支架；10-压力膜片；11-下密封支架。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本实用新型的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

为了解决现有技术中有电学原理制成的传感器在易燃易爆、强腐蚀等危险工作环境具有将雷电、静电引入的可能性，以及现有光纤传感器存在的测量精度低，且反应速度慢，时效性低的技术问题，本实施例提供一种差压光纤1探头结构：包括壳体和置于壳体内的检测机构，所述检测机构包括压力膜片10、透镜3、位移导杆8、弹性密封管7，所述压力膜片10、透镜3与壳体密封连接，压力膜片10将壳体内腔隔离成两个压力腔体；所述位移导杆8与压力膜片10固定连接，且位移导杆8、压力膜片10、透镜3同轴设置；所述位移导杆8自由端的端面与所述透镜3之间具有间隙，所述端面上设有反射膜；所述弹性密封管7套设在位移导杆8上，且其两端分别与壳体、压力膜片10密封连接；所述壳体对应于每一所述压力腔体处设有与所述压力腔体连通的压力端口4。

在本实施例中，当两个压力端口4均与环境大气连通，即两个压力腔室处于同一气压条件下时，压力膜片10与位移导杆8垂直，且弹性密封管7处于自然状态，具体的说，此时压力膜片10不产生形变，弹性密封管7既未被压缩，也未被拉伸。

本实施例的压力膜片10中部设有凸台，所述位移导杆8固设在所述凸台中部，所述弹性密封管7与所述凸台密封连接。设有凸台的压力膜片也叫硬心膜片，设置了凸台的压力膜片是保证传感器的输出特性的线性度更好，；另外，设置凸台还可以便于与弹性密封管7实现密封焊接，即简化焊接难度；通过凸台与弹性密封管7密封连接，还可增加传感器的承压强度。

优选地，所述壳体与所述检测机构同轴设置，所述壳体包括上密封支架5、中密封支架9和下密封支架11，所述中密封支架9分别与上密封支架5、下密封支架11采用子口结构连接，并在连接处进行气密性焊接，以增加传感器的气密性。上述的上密封支架5、中密封支架9和下密封支架11均为柱形壳体结构。且优选所述壳体采用蒙乃尔合金材料制成。

此外，本实施例的压力膜片10优选采用高弹性蒙乃尔合金材料材料制成，且优选压力膜片10的直径为6 mm－18mm，厚度为200µm～600µm。

还包括导杆支架6，所述导杆支架6与所述上密封支架5采用子口结构连接，并在连接处进行气密性焊接；所述导杆支架6中部沿轴向设有供所述位移导杆8穿过的通孔，且导杆支架6底端与所述弹性密封管7顶端密封连接。需要指出的是，导杆支架6与位移导杆8之间具备滑动配合，一般指间隙在10um以内的配合间隙。

进一步地，本实施例的所述透镜3为自聚焦透镜，所述自聚焦透镜通过透镜支架2与述上密封支架5密封连接，所述自聚焦透镜的外侧连接光纤1。光纤与自聚焦透镜通过精密耦合的方式耦合在自聚焦透镜上；自聚焦透镜的直径为２～３ｍｍ；精密耦合是光学器件连接时的工艺技术，通过光学平台对光纤与透镜对准后进行胶合，一般光纤与透镜连接采用光学胶粘结。

优选本实施例的自聚焦透镜的直径为2~3mm。自聚焦透镜Grin Lens又称为梯度变折射率透镜3，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜3；具有聚焦和成像功能。

另外，本实施例的所述压力膜片10与所述下密封支架11和/或上密封支架5气密性焊接；上密封支架5上有一个压力端口4，下密封支架11上也设有压力端口4，且两个压力端口4位于压力膜片10两侧。壳体内部的空腔由压力膜片10分隔为两个独立的压力腔体，且每一腔体对应一个压力端口4。这样构成承压相同时膜片形变的绝对值为０的两个独立压力腔，流体压力分别作用于压力膜片10的上部与下部，当压力膜片10两侧的压力出现差值时，导致在两个压力腔中设计的位移导杆8产生微位移。

优选压力膜片10设置在上密封支架5与下密封支架11之间，且分别与上密封支架5、下密封支架11密封焊接，此时压力膜片10下部与下密封支架11形成一压力腔，而压力膜片10上部与中密封支架9、上密封支架5之间形成另一个压力腔。

另外，在导杆顶部设计一个高反射率的反射膜，优选该反射膜的反射率为80～95%；该反射膜与自聚焦透镜构成一个平行的可变光学干涉腔，当外界压力作用于该两个压力腔体时，差压光纤1探头结构输出的光波信号随外界压力差的变化而发生相应变化。通过探测差压光纤1探头结构输出的光波变化参数，可计算出被测差压的变化参量。

本实施例中所说的气密性焊接，可采用激光焊接或者真空等离子焊接，以使气密性或者承压力达到3Mpa~5Mpa。

本实施例还公开了一种差压光纤传感器，该传感器包括上述的差压光纤1探头结构，该差压光纤1探头结构的透镜3上设置有输入光纤1和输出光纤1。

本实施例的光纤1可以是通信业的通用光纤1，优选淡漠耐高温铠装石英光纤1。

本实用新型的差压光纤传感器主要由两个耐压力一致的独立压力腔体构成，压力可分别通过压力端口4作用于两个压力腔体，当两个端口处的压力出现差值时，导致在两个压力腔体中设计的微位移导杆8产生微位移。在导杆顶部设计一个高反射率的反射膜，反射率在80～95%之间，该反射膜与传感器结构中的自聚焦透镜构成一个平行的F-P腔，当外界压力作用于该传感器的两个压力腔体时，传感器输出的光波信号，随外界压力差的变化而发生相应变化。通过探测传感器输出的光波变化参数，可计算出被测差压的变化参量。

下面是本实用新型的差压光纤传感器的一种具体应用：

将本实施例的差压光纤传感器的两个压力端口4分别安装于储罐外相间一定距离的取压点上（0～300mm），通过测量出储罐的两个静压力P1、P2，可以得到待测流体的密度为：

式中P1，P2为液体内的压强，为液体密度，g为重力加速度，H为液体内某点的深度。当液体的密度一定时，通过检测液体内的压强，就可以得知压力F。

由上述技术方案及原理可知，本实施例采用一个独立中凸型弹性膜片在壳体内形成两个独立的压力腔体，通过位移导杆8与自聚焦透镜形成相互作用的可变光纤1谐振腔的光学机构，当被测容器内的两点压力作用于该传感器的两个压力端口4时，传感器的压力膜片10会受到两个压力共同作用而产生形变，导致位移导杆8发生机械位移，由于光学机构中的自聚焦透镜与透镜支架2固定在壳体上，因此通过光纤1从自聚焦透镜入射到导杆体上的反射光经位移导杆8自由端的反射膜反射到自聚焦透镜端面的光的相位能量会随着导杆与自聚焦透镜之间的微位移的变化而改变，这种光的相位改变是因作用于传感器两端的压力差导致微位移导杆8与自聚焦透镜的间距发生变化而变化，因此检测光纤1出射光的相位变化就会连续的监测被测罐体内介质的压力的变化。

由于本实用新型通过测量光的相位变化，反应压力差的变化，而且这种变化是连续的，因此它具有极高的测量精度和多种用途。

另外，由于本实用新型给出的压力信号是连续的相位变化量，信号的输入、输出都是由光纤1传输，因此传感器不受外部电磁信号的干扰，光纤传感器是一个无源器件，传感器传输的信号是光介质不存在电，因此光纤传感器是为本质安全型传感器。因此这种装置可以应用于有害、易燃、易爆液体压力密度的测定。本实用新型能够通过计算机建立网络化数据测量采集系统，从而可以对大型油库、液体化工原料储存基地等实施局域网络化监测，具有极大的实用性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种差压光纤探头结构，包括壳体和置于壳体内的检测机构，其特征在于，所述检测机构包括压力膜片（10）、透镜（3）、位移导杆（8）、弹性密封管（7），所述压力膜片（10）、透镜（3）与壳体密封连接，压力膜片（10）将壳体内腔隔离成两个压力腔体；所述位移导杆（8）与压力膜片（10）固定连接，且位移导杆（8）、压力膜片（10）、透镜（3）同轴设置；所述位移导杆（8）自由端的端面与所述透镜（3）之间具有间隙，所述端面上设有反射膜；所述弹性密封管（7）套设在位移导杆（8）上，且其两端分别与壳体、压力膜片（10）密封连接；所述壳体对应于每一所述压力腔体处设有与所述压力腔体连通的压力端口（4）。

2.根据权利要求1所述的差压光纤探头结构，其特征在于，所述压力膜片（10）中部设有凸台，所述位移导杆（8）固设在所述凸台中部，所述弹性密封管（7）与所述凸台密封连接。

3.根据权利要求1或2所述的差压光纤探头结构，其特征在于，所述壳体与所述检测机构同轴设置，所述壳体包括上密封支架（5）、中密封支架（9）和下密封支架（11），所述中密封支架（9）分别与上密封支架（5）、下密封支架（11）采用子口结构连接，并进行气密性焊接。

4.根据权利要求3所述的差压光纤探头结构，其特征在于，所述透镜（3）为自聚焦透镜，所述自聚焦透镜通过透镜支架（2）与述上密封支架（5）密封连接，所述自聚焦透镜的外侧设有光纤（1）。

5.根据权利要求3所述的差压光纤探头结构，其特征在于，还包括导杆支架（6），所述导杆支架（6）与所述上密封支架（5）采用子口结构连接，并进行气密性焊接；所述导杆支架（6）中部沿轴向设有供所述位移导杆（8）穿过的通孔，且导杆支架（6）底端与所述弹性密封管（7）顶端密封连接。

6.根据权利要求3所述的差压光纤探头结构，其特征在于，所述压力膜片（10）与所述下密封支架（11）和/或上密封支架（5）气密性焊接；两个所述压力端口（4）分别设置在所述上密封支架（5）和下密封支架（11）上。

7.根据权利要求1所述的差压光纤探头结构，其特征在于，所述压力膜片的反射率为80%~95%。

8.根据权利要求1或2所述的差压光纤探头结构，其特征在于，所述壳体采用蒙乃尔合金材料制成。

9.根据权利要求1或2所述的差压光纤探头结构，其特征在于，所述压力膜片（10）采用高弹性蒙乃尔合金材料制成。

10.一种差压光纤传感器，其特征在于，包括权利要求1~9中任一项所述的差压光纤（1）探头结构。