專利名稱：雙通道光纖氣壓傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種氣壓傳感器，尤其是指利用雙通道光纖位移傳感器的膜盒形變進行檢測氣壓的一種傳感器。
背景技術：
大氣壓力測量是氣象要素觀測中的重要一環。目前，在自動氣象站中常用振動筒或電容膜盒傳感器檢測大氣壓力的變化。
振動筒式氣壓傳感器有時會停止工作，導致觀測失敗。此外，這種振動筒式氣壓傳感器還易受環境污染的影響，容易老化。
電容膜盒式氣壓傳感器是基于氣壓傳感元件的形變產生電容變化實現氣壓測量，在電容膜盒式氣壓傳感器中，膜盒的兩個電極只有一個電極接地，導致存在電容干擾，如果采用電極屏蔽法是可以避免導線內在電容的影響，但卻引入了新的附加并聯電容。當氣壓緩慢變化時，電容膜盒極板間電容的變化與附加的并聯電容相比非常小，氣壓檢測分辨率較低。電容膜盒式氣壓傳感器存在導線焊接引起的附加應力，導致焊接工藝產生的參數離散性。當大氣壓變化較大時，膜盒有效電容的極板不是理想平面，且邊緣效應不可忽略。
將硅擴散電橋或電阻應變片用于檢測氣壓傳感器膜盒形變，氣壓傳感器的性能得到一定改善，但仍然存在附加應力引起的測量誤差。
實用新型內容本實用新型的目的是為了克服上述現有技術中的諸多不足，提供一種測量氣壓時無電氣連接產生的附加電容影響，無電磁干擾，無邊緣效應，不存在由于接觸帶來的附加應力，也沒有電氣裝配方面的影響，制作過程簡單，能夠改善和優化氣壓傳感器性能的一種雙通道光纖氣壓傳感器。
為了實現本實用新型的目的，本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器，包括 雙膜盒，是由兩個膜盒組成的大氣壓變化的敏感元件，每個膜盒由兩個膜片焊接而成為一個密閉的空腔，兩個膜盒之間用固定小圓柱桿連接，在雙膜盒的最后一個膜片的中央有反射鏡面； 所述雙膜盒的固定小圓柱桿的初始端通過膜盒固定部件固定于膜盒固定架上； 面對所述雙膜盒的反射鏡面距離為d處設有光纖位移探頭，光纖位移探頭檢測所述雙膜盒的反射鏡面隨氣壓變化引起d的位移變化量； 在所述光纖位移探頭內平行設置一根投射光纖和兩根接收光纖，所述投射光纖和所述接收光纖各自的中心軸分別與雙膜盒中央的反射鏡面的反射面垂直，所述投射光纖與兩根接收光纖之間的距離不同； 所述投射光纖的終端連接光源，投射光纖將所述光源發出的探測光束投射到所述反射鏡面上； 所述兩根接收光纖的終端分別連接一個光電探測器，兩根接收光纖分別接收來自反射鏡面的部分反射光束，該反射光束的光強度與所述隨氣壓變化引起d的位移變化量有關，兩根接收光纖將接收到的光信號分別傳送到各自連接的光電探測器上； 所述光纖位移探頭固定于一個光纖探頭固定板上； 所述膜盒固定架和所述光纖探頭固定板之間由平板連接柱連接固定。
本實用新型的效果 本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器，由于是利用雙通道光纖位移傳感器檢測膜盒形變對氣壓進行檢測的一種氣壓傳感器，因此，測量氣壓時具有無電氣連接產生的電容影響，無電磁干擾，無邊緣效應，不存在由于接觸帶來的附加應力，也沒有電氣裝配方面的影響，制作過程簡單的優點。此外，本實用新型由于采用雙通道方式測量氣壓，測量精度不受探測光束強度變化和環境光干擾，測量范圍覆蓋了500-1060hpa，分辨率能達到0.2hpa，其精度接近±0.2hPa，進一步優化結構參數，可使其滿足氣象觀測的要求。
為進一步說明本實用新型的上述目的、結構特點和效果，以下將結合附圖對本實用新型進行詳細說明。
圖1為本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器的一個實施例的結構圖； 圖2為本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器中固定雙膜盒及光纖位移探頭的結構示意圖； 圖3為本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器中連接膜盒固定架與光纖探頭固定板的結構示意圖； 圖4為圖1中實施例的雙通道光纖氣壓傳感器的信號傳送示意圖； 圖5為光纖位移探頭的輸出特性曲線； 圖6為特性參數Φ隨氣壓的變化曲線。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器的具體實施方式
進行詳細說明。
本實用新型的光纖氣壓傳感器的結構示于圖1-圖3。圖1為本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器的一個實施例的結構圖(采用雙通道)；圖2為本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器中固定雙膜盒及光纖位移探頭的結構示意圖；圖3為本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器中連接膜盒固定架與光纖探頭固定板的結構示意圖。
下面對圖1-圖3所示的實施例中光纖氣壓傳感器的主要組成部分進行詳細說明。
雙膜盒10，是由兩個膜盒組成的大氣壓變化的敏感元件，每個膜盒由兩個齒形膜片101和102(103和104)焊接而成為一個密閉的空腔，兩個膜盒之間用固定小圓柱桿11連接。
雙膜盒10的中央有反射鏡面12，該反射鏡面12可以是在雙膜盒10本身的中央被研磨成光滑平面而成，也可以在雙膜盒10的中央粘貼一個小反射鏡而成。當被測氣壓變化時，雙膜盒10中的四個膜片均產生變形，導致該雙膜盒10中央的雙膜盒10的中央產生位移。由于一個膜盒隨氣壓變化產生的形變不夠明顯，采用固定小圓柱桿11將兩個膜盒連接，可以增加膜盒隨氣壓變化的變形量，使反射面位移量明顯。
所述雙膜盒10的固定小圓柱桿11的初始端通過膜盒固定部件21固定于膜盒固定架20上，本實施例的膜盒固定部件21是固定在膜盒固定架20上的一個固定套，雙膜盒10的固定小圓柱桿11的初始端套在該膜盒固定套內被固定。膜盒固定部件21最好是置于膜盒固定架20的中央位置， 面對雙膜盒10的反射鏡面12距離為d處設有光纖位移探頭40，用光纖位移探頭40檢測雙膜盒10中央的反射鏡面12隨氣壓變化引起d的位移變化量。光纖位移探頭40內平行設置一根投射光纖61和兩根接收光纖62、63，投射光纖61和接收光纖62、63各自的中心軸分別與雙膜盒10中央的反射鏡面12的反射面垂直。投射光纖61與兩根接收光纖62、63之間的距離不同。投射光纖61的終端連接光源80，光源80發出探測光束，投射光纖61將光源80發出的探測光束投射到反射鏡面12上；兩根接收光纖62、63的終端分別連接光電探測器72和73，接收光纖62、63分別接收來自反射鏡面12的部分反射光束，并把接收的光信號分別傳送到光電探測器72和73。兩根接收光纖62、63接收到的光強度是與反射鏡面12和光纖位移探頭40的端面間的距離d有關。當大氣壓力變化時，反射鏡面12產生位移，致使兩根接收光纖62、63接收到的光強度變化，導致與兩根接收光纖分別連接的光電探測器72、73輸出的電信號發生變化，從而使大氣壓力的變化被轉換為電信號的變化。
所述光纖位移探頭40固定于一個光纖探頭固定板50上，光纖探頭固定板50上置有一個螺孔51，光纖位移探頭40采用螺帽或小法蘭盤80被固定于該螺孔51內。
所述膜盒固定架20和光纖探頭固定板50之間由平板連接柱30連接固定。下面對雙膜盒10的特性進行說明。
用于測量大氣壓力的雙膜盒10有四個膜片101-104，每個膜片是鋸齒形彈性薄片，在均勻壓力作用下，每個膜片中央最大彎曲位移wmax為 公式(1) 其中p是均勻壓力，R是膜片的半徑，h是膜片厚度，μ是膜片材料的泊松系數，E為膜片材料的彈性模量。
根據公式(1)，雙膜盒10的四個膜片101-104共同作用，使反射鏡面12所在的膜片中央的最大彎曲位移wdmax應是wmax的4倍，即為 公式(2) 如果彈性膜片中央彎曲位移w足夠大，則w＞＞h，雙膜盒10的中央彎曲位移必須滿足公式3的關系 公式(3) 一般情況下，雙膜盒10的中央的彎曲位移w與壓力成正比，即公式(2)式得到滿足。
下面對本實用新型的雙通道光纖氣壓傳感器的特性進行分析。
雙通道光纖氣壓傳感器的信號傳送示意圖示于圖4中。上述光纖位移探頭40中的投射光纖61到兩根接收光纖62、63的距離分別為lB和lC，lB不等于lC，投射光纖61、接收光纖62、63的纖芯直徑均為2a，考慮投射光纖61(A)在反射鏡面12的鏡像A’，接收光纖62(B)、63(C)接收到來自反射鏡面12的光強分別為PB和PC，定義代表傳感器輸出特性參數Φ為 公式(4) 特性參數Φ的值與反射鏡面12到光纖位移探頭40間的距離d有關，即與壓力的變化有關。因此，通過測量參數Φ即可測量壓力。
下面對上述光纖位移探頭40的輸出特性進行分析 考慮到投射光纖61的光強度分布有兩種極端情況，一是近場分布情況，另一種是遠場分布，適當選擇光纖探頭的結構參數，使接收光纖62、63接收到光場為遠場分布。在穩定情況下，光場的遠場輸出光強分布形態與光纖芯折射率分布一致，由下面的公式給出
公式(5) 其中P(0°)是光纖軸向單位立體角，P(θ)是偏離光纖芯軸θ角遠場條件下的光強度，N.Amax是光纖芯的數值孔徑，參數g是光纖的折射率分布因子。若g≥10，光纖芯的折射率分布接近階躍分布，而當g＝2，纖芯折射率分布為拋物線型。圖4中，接收光纖62對O點所張立體角為 公式(6) 接收光纖63對O點為 公式(7) 由公式(5)、(6)和(7)得到，接收光纖62、63接收到的光強度分別為PB和PC，由下列兩式給出
公式(8)
公式(9) 根據光纖頭結構的幾何關系，PB和PC可分別表示為
公式(10)
公式(11) 按照參數Φ的定義，Φ可以改寫為 公式(12) 公式(12)是雙通道光纖位移傳感器的特征方程。代表傳感器輸出特性參數Φ由光纖位移探頭的結構特性和位移確定，公式中的d是反射鏡面12與光纖位移探頭40之間的距離，隨著測量大氣壓力的變化，d產生變化，即使初始的反射鏡面12與光纖位移探頭40之間的距離產生位移，由于投射光纖發出光束被限制在一定立體角內，因此當d的位移小于一定距離時，接收光纖62、63接收的光強度為零，由于第二接收光纖63比第一接收光纖62離投射光纖61遠些(即lB＜lC)。因此，首先第二接收光纖63接收不到投射光纖61的投射光束，當第二接收光纖63恰好能夠接收到投射光時的最短距離為d0。對于漸變折射率光纖d0可表示為 公式(13) 對于階躍折射率光纖的d0可表示為 公式(14) 因為光纖截面是有限的，當位移滿足以下條件時， 公式(15) 第二接收光纖63端面部分被反射光束照明，因此，公式(11)的右邊需乘于因子k(d)，k(d)滿足以下公式 公式(16) 其中δ＝2dtan[arcsin(N.Amax)]-(lC-2a)，在以上分析中假定接收光纖端面上的光強度分布近似均勻。
在實施例中，投射光纖61和接收光纖62、63的光纖芯的數值孔徑N.Amax均為0.22，纖芯直徑2a為100μm，第一接收光纖62到投射光纖61的距離lB為1.0mm，第二光纖63到投射光纖61的距離lC為1.5mm，發出探測光束的光源80選用半導體發光管(LED)，將投射光纖61環繞直徑15cm的環進行擾模，以便使投射光纖61輸出光斑圖像穩定。由于光纖纖芯較粗，投射光纖61輸出光斑圖像中心小區域為暗斑。為了便于確定氣壓傳感裝置的工作點，需參見圖5，圖5為光纖位移探頭40的輸出特性曲線，如圖5所示，代表傳感器輸出特性參數Φ與反射鏡面12的位移的關系，有一個良好的線性區，線性區的中點對應光纖位移探頭40的端面離反射鏡面12的距離d約為2.06mm處，選擇該點為氣壓是一個標準大氣壓時，氣壓傳感器的初始狀態，將圖1所示結構置于剛性氣艙內，對氣壓傳感器進行標定，改變氣艙內的壓力測得特性參數Φ隨氣壓的變化如圖6所示。氣體壓力在450-1200hpa內變化，根據系統給出的參數Φ和標準氣壓計的精度得到此裝置氣壓測量分辨率達到0.2hpa，多次測量重復精度σ為±0.2hPa. 因此，本實用新型中，PB、PC是光纖62(B)和光纖63(C)接收到的光功率。測量方法首先用一個標準氣壓計標定傳感器特性參數Φ與氣壓的關系曲線，然后，用測得的光功率PC、PB計算參數Φ，由該關系曲線確定氣壓值。
本實用新型的雙通道光纖位移傳感器是利用檢測雙膜盒的形變量，實現大氣壓力的測量。適當選擇光纖探頭的幾何結構參數，可獲得較大的測量線性范圍及特性參數隨壓力單值變化；根據理論分析，此壓力傳感器的靈敏度主要決定于光纖探頭的結構參數。由于采用雙通道方式，因此本測量裝置的精度不受探測光束強度變化和環境光干擾。測量范圍覆蓋了500-1060hpa，分辨率能達到0.2hpa，其精度接近±0.2hPa，進一步優化結構參數，可使其滿足氣象觀測的要求。
本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型的目的，而并非用作對本實用新型的限定，只要在本實用新型的實質范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本實用新型的權利要求的范圍內。
權利要求1、一種雙通道光纖氣壓傳感器，其特征在于包括以下部件
雙膜盒，是由兩個膜盒組成的大氣壓變化的敏感元件，每個膜盒由兩個膜片焊接而成為一個密閉的空腔，兩個膜盒之間用固定小圓柱桿連接，在雙膜盒的最后一個膜片的中央有反射鏡面；
所述雙膜盒的固定小圓柱桿的初始端通過膜盒固定部件固定于膜盒固定架上；
面對所述雙膜盒的反射鏡面距離為d處設有光纖位移探頭，光纖位移探頭檢測所述雙膜盒的反射鏡面隨氣壓變化引起d的位移變化量；
在所述光纖位移探頭內平行設置一根投射光纖和兩根接收光纖，所述投射光纖和所述接收光纖各自的中心軸分別與雙膜盒中央的反射鏡面的反射面垂直，所述投射光纖與兩根接收光纖之間的距離不同；
所述投射光纖的終端連接光源，投射光纖將所述光源發出的探測光束投射到所述反射鏡面上；
所述兩根接收光纖的終端分別連接一個光電探測器，兩根接收光纖分別接收來自反射鏡面的部分反射光束，該反射光束的光強度與所述隨氣壓變化引起d的位移變化量有關，兩根接收光纖將接收到的光信號分別傳送到各自連接的光電探測器上；
所述光纖位移探頭固定于一個光纖探頭固定板上；
所述膜盒固定架和所述光纖探頭固定板之間由平板連接柱連接固定。
2、如權利要求1所述的雙通道光纖氣壓傳感器，其特征在于
所述膜盒的膜片是齒形膜片。
3、如權利要求1所述的雙通道光纖氣壓傳感器，其特征在于
所述反射鏡面是在雙膜盒的最后一個膜片的中央被研磨成光滑平面而成。
4、如權利要求1所述的雙通道光纖氣壓傳感器，其特征在于
所述反射鏡面是在雙膜盒的最后一個膜片的中央粘貼一個反射鏡而成。
5、如權利要求1所述的雙通道光纖氣壓傳感器，其特征在于
所述膜盒固定部件置于所述膜盒固定架的中央位置。
6、如權利要求1或5所述的雙通道光纖氣壓傳感器，其特征在于
所述膜盒固定部件是固定在所述膜盒固定架上的一個固定套，所述固定小圓柱桿的初始端套在所述固定套內被固定。
7、如權利要求1所述的雙通道光纖氣壓傳感器，其特征在于
所述光纖探頭固定板上置有螺孔；所述光纖位移探頭被固定于所述螺孔內。
專利摘要一種雙通道光纖氣壓傳感器，包括雙膜盒，是由兩個膜盒組成的大氣壓變化的敏感元件，膜盒的中央有反射鏡面；面對反射鏡面距離為d處設有光纖位移探頭，檢測反射鏡面隨氣壓變化引起d的位移變化量；光纖位移探頭內平行設置一根投射光纖和兩根接收光纖，投射光纖的終端連接光源，將光源發出的探測光束投射到反射鏡面上；兩根接收光纖的終端分別連接光電探測器，接收反射鏡面的反射光束，并將接收到的光信號傳送到各自連接的光電探測器上，該反射光束的光強度與所述d的位移變化量有關。測量氣壓時具有無電氣連接產生的附加電容影響、無電磁干擾、無邊緣效應、不存在由于接觸帶來的附加應力、也沒有電氣裝配方面的影響、制作過程簡單的優點。
文檔編號G01L19/00GK201177542SQ20082005544
公開日2009年1月7日 申請日期2008年2月4日 優先權日2008年2月4日
發明者肖韶榮, 賁富來, 平 朱 申請人:南京信息工程大學