一種單活塞阻尼式光纖差壓傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種傳感器，屬于光纖傳感技術領域。
【背景技術】
[0002] 差壓傳感器廣泛應用于工業中，主要用于測量設備、部件或流體在不同位置的壓 力差，其廣泛應用于尾氣壓差、氣體流量、液位高低、潔凈間監測等檢測領域。現今，已出現 采用不同原理的差壓傳感器，例如電阻式、電容式、電感式、節流器式、磁性液體式、MEMS式 等，其中電阻式、電容式較為常見，其余類型由于實用性不強、局限性較大或仍處于概念期， 并未得到推廣，但電阻式、電容式差壓傳感器也存在自身的缺點，在很多場合不能很好的勝 任。
【發明內容】
[0003] 本實用新型的目的在于：提供一種單活塞阻尼式光纖差壓傳感器，以解決現有差 壓傳感器在很多場合并不適用，實用性不強，測量精度不夠，無法滿足實際壓差測量要求的 問題。
[0004] 本實用新型的方案如下：一種單活塞阻尼式光纖差壓傳感器，包括探頭結構、光敏 元件和信號處理模塊，所述探頭結構包括包括殼體，殼體為筒形結構，殼體內滑動設置有活 塞，活塞的兩端分別設置有一個彈簧，兩個彈簧的一端均固定于活塞上，殼體的兩端分別密 封固定有端蓋，兩個彈簧的另一端分別固定于所對應的端蓋上，兩個端蓋上的相對位置上 分別開設有一個貫通所在端蓋的探頭插孔，兩個探頭插孔內分別密封設置有透光片，兩個 探頭插孔內位于透光片的外側分別設置有指向活塞的光纖探頭，光纖探頭均與活塞的端面 相垂直，活塞兩端與光纖探頭相對的位置處分別固定有反光片，殼體兩端的側壁上或兩個 端蓋上分別開設有一個與殼體內腔連通的流體通孔，兩個光纖探頭中接收光纖的出射端分 別與一個光敏元件相連，每個光敏元件對應連接有一個信號處理模塊。
[0005] 優選地，光纖探頭中的光纖束包括入射光纖和出射光纖，入射光纖與接收光 纖在光纖探頭內相互平行設置，入射光纖共一根，接收光纖是單根尺寸參數為50±3 _的多模光纖，接收光纖以入射光纖為中心依次緊密排布組成一圓形的光纖束結構，且入 射光纖與接收光纖之間的邊界距離為130-140 ;
[0006] 優選地，兩個彈簧的結構及規格均相同，在流體通孔均與外部大氣相連通的狀態 下，活塞位于殼體的正中央位置，兩個彈簧均處于自然狀態，即彈簧無拉伸與壓縮形變；
[0007] 優選地，兩個探頭插孔均開設在所在端蓋的正中心位置，兩個探頭插孔、活塞三者 同軸，自然狀態下，其中一個光纖探頭到該光纖探頭所對應的反光片的距離與另一個光纖 探頭到另一個反光片的距離相同；
[0008] 優選地，透光片為玻璃片，透光片均設置于探頭插孔位于端蓋內側的端口處；
[0009] 優選地，探頭插孔內設置有內螺紋，光纖探頭分別旋緊固定于探頭插孔內；
[0010] 優選地，端蓋的中部設置有伸入殼體內的凸起部，凸起部與殼體內壁之間設置有 密封圈，凸起部上沿殼體的長度方向開設有彈簧定位槽，彈簧定位槽為環形槽，且彈簧定位 槽的內徑小于等于彈簧內徑，彈簧定位槽外徑大于等于彈簧的外徑，彈簧的一端伸在并固 定于彈簧定位槽內；
[0011] 優選地，凸起部是與殼體內徑相匹配的圓柱形結構；
[0012] 優選地，兩個流體通孔分別開設于殼體兩端的側壁上，每個流體通孔與位于該端 的端蓋上的凸起部相對應，凸起部上對應流體通孔的位置處開設有與彈簧定位槽相連通的 通孔，流體依次通過流體通孔和通孔流入到殼體內部的腔室內；
[0013] 優選地，活塞與殼體的內壁之間設置有密封圈，端蓋與殼體的內壁之間也設置有 密封圈；
[0014] 優選地，活塞的材質為硬質合金；
[0015] 傳感器的工作原理為：入射光纖另一端與光源對接，用以耦合入射光，接收光纖出 射端與光敏元件連接，輸出光強度信號，通過兩個流體通孔分別通入兩種待測流體，當左右 兩側檢測腔內的流體壓力相等時，活塞處于中部平衡位置，活塞上的軸向合力為零，活塞不 產生軸向位移；當活塞左右兩側檢測腔內的流體存在壓力差時，活塞失去平衡，向壓力較低 的一側滑動，從而壓縮該側阻尼彈簧，另一側阻尼彈簧被拉伸，活塞運動到一個新的軸向合 力為零的平衡位置。活塞處于中部平衡位置時，傳感器兩側相同結構的光纖束與活塞端面 反光片之距離相等，從而兩光纖束接收光纖的輸出光信號強度相等，光敏元件把光信號轉 化為電信號，該信號經過信號處理模塊放大、整流、濾波等處理環節，并配合相應的算法計 算，可以得出兩檢測位置的流體壓力差，經光電轉換及信號處理計算后輸出值為1 ;活塞向 低壓一側滑動后，低壓側光纖束與活塞端面反光片距離減小，接收光纖的輸出光信號強度 減弱，而高壓側光纖束與活塞端面反光片距離增大，接收光纖的輸出光信號強度增強，經光 電轉換及信號處理計算后輸出值將成倍變化，從而提高了檢測靈敏度。通過最終輸出值大 小的變化，即可判斷出傳感器兩檢測腔內流體之間的壓力差大小，實現對不同位置壓力差 的檢測。
[0016] -、該傳感器強度補償原理
[0017] 參照圖3,該方法中光源放發出的光經過?耦合器等分為兩路，一路進入探頭 鵯側，經反射后到達光電探測器_:，另一路進入探頭_側，經反射后到達光電探測器_: 。那么兩光電探測器的輸出信號分別為：
[0019] 式中：免為光源輸出的光功率為入射光纖的透過率；心為接收光纖的透過 率；1?為光探測器的靈敏度；jr為耦合比。
[0021] 根據上式可以得出，經過計算處理的輸出信號消除了光源的功率波動與耦合器的 誤差。同時在設計中采用對稱設計，亦可消除光纖損耗帶來的誤差。選用穩定的光電檢測 元件，從而避免光電檢測元件引入的誤差。
[0022] 二、傳感器數學模型
[0023] 2· 1強度調制數學模型
[0024] 本實用新型的每一側檢測腔的檢測原理均與反射式強度調制光纖傳感器相同，如 圖4所示，光纖束中的出射光纖77發出的光照射到反射片上，經過反射片反射后，再傳送到 光纖束中的接收光纖你端面。只有當反射光錐端面與接收光纖端面存在重合面積時，反 射光才能被接收光纖接收。在光纖束與反光片的距離成:生變化時，根據反射定理，隨著 〇不斷變大，光錐底端從小變大，從沒有進入接收光纖端面，到逐漸進入接收光纖端面，再到 完全覆蓋，隨著-步的增大，反射光和其覆蓋面積不再變化，但強度仍因遠離而不斷變 小。下面對這一過程進行定量分析：
[0025] 設傳感器的光強調制函數為凇是你接收的光通量與r/發送的光通量之比，它反 映出反射式強度調制光纖傳感器的強度調制特性。在這里為了數學模型的簡化，以及計算 的方便，在不影響強度調制特性曲線分布規律的情況下，對光纖出射光場強度分布與反射 后的光場強度分布進行忽略，不妨假設出射光強沿徑向呈均勻分布，那么在反射光錐端面 上的光照度即為：
[0026]
[0027] 式中為入射光的光功率損耗系數;為光源親合到發射光纖中的光通量；為 反射光錐端面的半徑。
[0028] 又認為反射光錐端面的光照度均勻分布，那么接收光纖的輸入光通量即為：
[0029]
[0030] 式中為接收光纖的損耗系數，5為反射光錐端面和接收光纖端重合面積。
[0031] 則光強調制函數靡3 :
[0032]
[0033] 因為光功率損耗系數對于已經確定的傳感器系統而言為定值，那么4直的大小主 要由^與夕的比值確定。
[0034] (3)式中反射光錐端面半徑師T由下式計算：
(4)
[0036] 式中：?丨為發射光纖半徑，M為光纖的數值孔徑，功光纖探頭與反光片之間的距 離。
[0037] (3)式中反射光錐端面和接收光纖端重合面積5可由下式計算：
[0038]
[0039] 式中：Z為發射光纖與接收光纖的中心距，為接收光纖半徑，疼、每為光錐底端與 接收光纖端面相交后形成的圓心角，
[0040] 為了使本實用新型設計的傳感器具有良好的線性度與靈敏度，設計中使傳感器初 始狀態工作于上述強調制函數剎的前坡曲線段的中間位置附近，此時對應的反射光錐端面 和接收光纖端重合面積戲/(5)式中的第二式，那么本實用新型傳感器單側強度調制模型 為：
[0042] 2. 2傳感器數學模型
[0043] 下面分析傳感器強度調制模型與壓差之間的關系，已知兩端流體的壓強分別為# 芎，則傳感器活塞兩側所受流體壓力分別為：
[0045] 式中：傳感器活塞兩側的截面積相等，即多；
[0046] 又對活塞兩測進行受力分析有：
[0048] 式中：?為彈簧初始形變量，:&為活塞位移量，為兩側彈簧剛度系數，又兩側
彈簧相同，所以I。
[0049] 則（8)式可簡化為
[0050] 聯立（7)、（9)式有 ）
[0051] 由于傳感器尺寸與阻尼彈簧已經在設計階段確定，所以上式（10)中:t與犮為常 數，那么活塞位移量與傳感器兩側壓力差成正比。
[0052] 又設今為傳感器內兩側光纖束與反光片之間的初始距離；今、礓為傳感器內彈 簧發生變形后，兩側光纖束與反光片之間的距離，其中崦為高壓側、《為低壓側。則有：
[0056] 把（12)、（13)式分別代入（6)式可得到傳感器在兩側檢測腔出現壓力差時，兩側 檢測腔的強度調制函數i|、i。不難看出典、《I為關于AP的一元函數，因為ft、病中的其它參數 在傳感器設計階段就已確定，所以均為常數。為了消除光源的強度波動對傳感器帶來的誤 差，傳感器輸出值為魏、的比值，從而對傳感器進行強度補償。因此，傳感器數學模型可表 示為：
[0058] 通過上述數學模型即可得到傳感器兩側壓力差Μ:與輸出光信號大小的關系。 [0059] 三、結果與分析
[0060] 根據以上理論基礎和公式，選取初始值
從 Omm變化到 0. 3mm，即是兩端傳輸距離^[從 0. 866mm到 I. 166mm，(|從 0. 866mm 到0. 566mm時，傳感器的輸出結果。經過仿真實驗，對應位移增加一側（高壓側)光通量變化 如圖5所示：對應位移減小一側(低壓側）光通量變化如圖6所示；
[0061] 根據圖5不難看出，高壓側的光通量隨著活塞的遠離而呈遞增趨勢，且具有較好 的線性度。這是因為傳感器初始狀態工作于強調制函數剎的前坡曲線段中間位置附近，即 反射光錐端面與接收光纖端面處于