葉片阻尼式光纖差壓傳感系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，殼體內設置有轉動部，轉動部的相對兩側均設置有隔板，殼體的內腔由轉動部和隔板分隔為兩個檢測腔，兩個檢測腔均對應設置有檢測流體入口，一隔板的一側設置有阻尼彈簧，阻尼彈簧的一端固定，另一端固定于該隔板上，沿轉動部的轉動中心開設有通孔，通孔內固定設置有遮光片，遮光片的一側設置有入射光纖，另一側設置有接收光纖，且接收光纖的接收端面分為光纖接收部和非光纖接收部。以解決現有差壓傳感器實用性不強、局限性較大或仍處于概念期，無法得到推廣使用，而較為常見的電阻式、電容式差壓傳感器也存在自身的缺點，在很多場合并不適用，無法滿足實際壓差測量要求的問題。本實用新型屬于壓差檢測領域。
【專利說明】
葉片阻尼式光纖差壓傳感系統
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種傳感系統，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，主要用于設備測量、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。基于此，本實用新型提出了一種新型的光纖束差壓傳感器探頭。
【發明內容】
[0003] 本實用新型的目的在于：提供一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，以解決現有差 壓傳感器實用性不強、局限性較大或仍處于概念期，無法得到推廣使用，而較為常見的電阻 式、電容式差壓傳感器也存在自身的缺點，在很多場合并不適用，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:一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，包括探頭、光電轉換 器和信號處理系統，探頭包括殼體，殼體內設置有轉動部，轉動部的轉軸與殼體的中心線相 平行，二者為非同軸結構，即相對偏心，轉動部的相對兩側均設置有隔板，且隔板能隨轉動 部在殼體內相對轉動，殼體的內腔由轉動部和隔板分隔為兩個檢測腔，兩個檢測腔均對應 設置有檢測流體入口，一隔板的一側設置有阻尼彈簧，阻尼彈簧的一端固定，另一端固定于 該隔板上，沿轉動部的轉動中心開設有通孔，通孔內固定設置有遮光片，遮光片的一側設置 有入射光纖，另一側設置有接收光纖，且接收光纖的接收端面分為光纖接收部和非光纖接 收部，接收光纖與光電轉換器相連，光電轉換器與信號處理系統相連；
[0005] 該傳感器系統還包括光源、Y型耦合器和光纖，光源設置于光纖的一端用于產生光 纖信號，光纖的另一端經Y型耦合器耦合后分為入射光纖和參考光纖，入射光纖設置于遮光 片的一側，參考光纖單獨連接至一個光電轉換器，且光電轉換器均與信號處理系統相連，接 收光纖及參考光纖的光信號經光電轉換后，再經濾波、整流并由信號處理系統對信號進行 分析處理。
[0006] 接收光纖的接收端面可以通過遮擋部件進行部分遮擋以形成非光纖接收部，未被 遮擋的部分即為光纖接收部，或接收光纖的接收端面僅有部分存在光纖，則存在光纖的部 分即為光纖接收部，沒有光纖的部分即為非光纖接收部；
[0007] 檢測流體壓差時，流體流入兩檢測腔后，轉動部發生轉動帶動遮光片轉動，從而遮 光片遮擋部位發生變化，通過接收光纖中光纖接收部接收到信號的變化即可推算出轉動部 的轉動角度，從而即可推算出阻尼彈簧對隔板的施力大小，進而推算出兩個檢測腔內流體 的壓強差；
[0008] 轉動部對應隔板的位置設置有滑槽，隔板的一端均滑動設置于所對應的滑槽內， 隔板與其所在滑槽的底部之間壓設有彈簧，隔板的另一端頂緊至殼體的內壁處，且隔板與 殼體的內壁間滑動密封；
[0009] 所述阻尼彈簧為剛度較強的阻尼彈簧，自由狀態下，即兩個檢測腔內沒有流體流 入或兩檢測腔內流體壓強相同時，阻尼彈簧的形變為零，且阻尼彈簧與所對應隔板相垂直， 殼體的內壁處設置有凸點，所述阻尼彈簧的一端固定于該凸點上；
[0010]所述通孔、入射光纖和接收光纖同軸設置；
[0011]檢測流體入口處還對應設置有濾網；
[0012] 所述接收光纖的截面外徑與通孔的內徑相同，所述遮光片與接收光纖的端面相平 行，遮光片為半圓形結構，且遮光片的直徑與通孔的內徑相同，光纖接收部和非光纖接收部 均為半圓形結構，且二者軸對稱設置，即接收光纖的接收端面一半能夠接收光纖信號，另一 半無法接收光纖信號，初始狀態下，即兩個檢測腔內沒有流體流入或兩檢測腔內流體壓強 相同時，遮光片的遮擋部分恰好與非光纖接收部相重合；
[0013] 殼體具有圓筒形內腔，初始狀態下，轉動部的轉動中心線和殼體內腔的中心線均 與隔板處于同一平面；
[0014]為保證結構更為緊湊，空間利用率更高，殼體采用扁平的筒形結構；
[0015] 利用上述光纖束差壓傳感系統檢測流體壓差的方法
[0016] 流體分別由檢測流體入口流入兩個檢測腔，若兩個檢測腔內流體之間存在壓強 差，則轉動部和轉動部相對兩側的隔板相對轉動部的轉動中心發生轉動，并在設置于一隔 板一側的阻尼彈簧的作用下達到平衡，轉動的過程中遮光片也發生轉動，并使遮光片兩側 對應設置的入射光纖和出射光纖中接收光纖的光纖接收量發生變化，從而推算得出遮光片 的轉動角度，即轉動部的轉動角度，從而即可推算出阻尼彈簧對隔板的施力情況，進而推算 出兩個檢測腔內流體的壓差。
[0017] 本實用新型與現有技術相比，主要優點如下:經過結構設計、理論研究與實驗分析 可知，該傳感器具有較小的結構、較高的精確度與可靠性、較好的適應性與互換性等優點， 實用性極強，輸出信號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，該傳感器能適用于眾多壓差檢測場合。
[0018] 同時，該差壓傳感器采用轉動式結構作為壓力探測器件，在遇到流體壓力時，轉動 部及隔板偏移運動，僅需根據轉動部的偏移角度即可計算出壓力差，對于光纖傳感的要求 更低，計算和測量更為簡單，且檢測不易受外界干擾，不易損壞，使用壽命更為長久，使得傳 感器的可靠性、適應性及互換性都有了較大進步，適宜用作流體差壓的測量;傳感器的強度 補償原理更為簡單，實用性更強。
【附圖說明】
[0019] 圖1是該傳感系統的原理圖；
[0020] 圖2是該傳感系統中探頭的剖面圖；
[0021] 圖3是該圖2中A-A向的剖視圖；
[0022] 圖4是光纖設計結構圖，其中，a為入射光纖入射端面的結構示意圖，b為遮光板的 結構示意圖，c是接收光纖接收端面的結構示意圖；
[0023] 圖5壓強差與光通量的函數圖像。
【具體實施方式】
[0024] 為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將參照附圖對本實用新 型作進一步地詳細描述，
[0025] 實施例：
[0026] 參照圖1至圖4,本實施例提供一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，包括探頭1、光 電轉換器2和信號處理系統3,信號處理系統3包括整流電路、濾波電路和計算機(處理器）， 探頭1包括殼體11，殼體11采用扁平的筒形結構，且殼體11具有圓筒形內腔，殼體11內設置 有轉動部12,轉動部12的轉軸與殼體11的中心線相平行，二者為非同軸結構，即相對偏心， 轉動部12的相對兩側均設置有隔板13,且隔板13能隨轉動部12在殼體11內相對轉動，初始 狀態下，轉動部12的轉動中心線和殼體11內腔的中心線均與隔板13處于同一平面，具體為： 轉動部12對應隔板13的位置設置有滑槽121，隔板13的一端均滑動設置于所對應的滑槽121 內（隔板13與滑槽121之間滑動密封），隔板13與其所在滑槽121的底部之間壓設有彈簧19， 隔板13的另一端頂緊至殼體11的內壁處，且隔板13與殼體11的內壁間滑動密封，殼體11的 內腔由轉動部12和隔板13分隔為兩個檢測腔，兩個檢測腔均對應設置有檢測流體入口 14， 檢測流體入口 14處還對應設置有濾網141;
[0027] 其中一個隔板13的一側設置有阻尼彈簧15,殼體11的內壁處設置有凸點111，阻尼 彈簧15的一端固定于該凸點111上，另一端固定于隔板13上，阻尼彈簧15為剛度較強的阻尼 彈簧，自由狀態下，即兩個檢測腔內沒有流體流入或兩檢測腔內流體壓強相同時，阻尼彈簧 15的形變為零，且阻尼彈簧15與所對應隔板13相垂直；
[0028] 沿轉動部12的轉動中心開設有通孔122,通孔122內固定設置有遮光片16,遮光片 16的一側設置有入射光纖17,另一側設置有接收光纖18,且接收光纖18的接收端面分為光 纖接收部181和非光纖接收部182,接收光纖18與光電轉換器2相連，光電轉換器2與信號處 理系統3相連，該傳感器系統還包括光源4、Y型耦合器5和光纖6,光源4設置于光纖6的一端 用于產生光纖信號，光纖6的另一端經Υ型耦合器5耦合后分為入射光纖17和參考光纖61，入 射光纖17設置于遮光片16的一側，參考光纖61單獨連接至一個光電轉換器2,且光電轉換器 2均與信號處理系統3相連，接收光纖18及參考光纖61的光信號經光電轉換后，再經濾波、整 流并由信號處理系統3對信號進行分析處理。
[0029] 通孔122、入射光纖17和接收光纖18同軸設置，接收光纖18的截面外徑與通孔122 的內徑相同，所述遮光片16與接收光纖18的端面相平行，遮光片16為半圓形結構，且遮光片 16的直徑與通孔122的內徑相同，光纖接收部181和非光纖接收部182均為半圓形結構，且二 者軸對稱設置，即接收光纖18的接收端面一半能夠接收光纖信號，另一半無法接收光纖信 號，初始狀態下，即兩個檢測腔內沒有流體流入或兩檢測腔內流體壓強相同時，遮光片16的 遮擋部分恰好與非光纖接收部182相重合；
[0030]接收光纖18的接收端面可以通過遮擋部件進行部分遮擋以形成非光纖接收部 182,未被遮擋的部分即為光纖接收部181，或接收光纖18的接收端面僅有部分存在光纖，則 存在光纖的部分即為光纖接收部181，沒有光纖的部分即為非光纖接收部182,檢測流體壓 差時，流體分別由檢測流體入口 14流入兩個檢測腔，若兩個檢測腔內流體之間存在壓強差， 則轉動部12和轉動部12相對兩側的隔板13相對轉動部12的轉動中心發生轉動，并在設置于 一隔板13-側的阻尼彈簧15的作用下達到平衡，轉動的過程中遮光片16也發生轉動，并使 遮光片16兩側對應設置的入射光纖17和出射光纖18中接收光纖18的光纖接收量發生變化， 從而推算得出遮光片16的轉動角度，即轉動部12的轉動角度，從而即可推算出阻尼彈簧15 對隔板13的施力情況，進而推算出兩個檢測腔內流體的壓差。
[0031] 該傳感器探頭數學模型的計算
[0032] 在計算過程中我們設出殼體11內腔的高度取值為50mm，半徑為R，隔板13兩側腔室 具有壓力差，且重新達到平衡位置后，接收光纖18接收到的光纖強度的變化量為ΔΡ，隔板 13距離殼體11的中心的偏心距為e，阻尼彈簧勁度系數為k，阻尼彈簧與轉動部12軸心的距 離為d，上葉片側面面積(轉動部12-側隔板13的端面面積)SSi，下葉片側面面積(轉動部 12另一側隔板13的端面面積)為&，上葉片長度(圖1所示其中一個隔板13的長度)為1^，下葉 片長度（圖1所示另一個隔板13的長度)SL 2，葉片偏轉角（隔板13的偏轉角度）Θ，小輪半徑 (轉動部12的半徑)r2，小輪孔半徑(通孔122的半徑) ri。
[0033] 流體進入時，由于壓力差，隔板產生不同的扭矩，其中Ti為流體產生的扭矩，T2為阻 礙扭矩得式(1)
[0034] Ti_T2 = d · F彈=kdx (1)
[0035] 可以求出X，又因為T= AP*T*L，變換得出（2)
[0036]
[0037] 從而可以求出變化量 [0038
[0039
[0040
[0041] 所以可以計算出通光量的表達式為：
[0046] bi = bU(,Ll-K2； b2 = t)U(,L2-K2； (.8；[0047] 則可求出光強度變化量的表達式為：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0048]
[0049] 為便于計算，我們取其中R = 5〇mm, ε = 1，e = 10mm，k = 100d = 40mm，Θ取值為〇~1 度，9 = (〇:〇.1:1)，由于0角很小山、1^、31、32可以近似認為不變，則令3 1 = 2〇〇〇!11111，32 = 1000mm，Li = 60mm，L2 = 40mm,并畫出（Δ P、f)曲線如圖5。當兩側壓強差為0時，接收的光通 量為0,此時葉片（隔板13)處于起始位置。而隨著兩側壓強差的增加時，葉片平衡被打破實 現偏轉，光通量隨之改變，并具有良好的線性關系。
【主權項】
1. 一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，包括探頭（1)、光電轉換器(2)和信號處理系統 (3)，其特征在于:探頭（1)包括殼體（11)，殼體（11)內設置有轉動部（12)，轉動部（12)的轉 軸與殼體（11)的中心線相平行，轉動部（12)的相對兩側均設置有隔板（13)，且隔板（13)能 隨轉動部（12)在殼體(11)內相對轉動，殼體(11)的內腔由轉動部（12)和隔板(13)分隔為兩 個檢測腔，兩個檢測腔均對應設置有檢測流體入口（14)，一隔板（13)的一側設置有阻尼彈 簧(15)，阻尼彈簧(15)的一端固定，另一端固定于該隔板(13)上，沿轉動部（12)的轉動中心 開設有通孔（122)，通孔（122)內固定設置有遮光片（16)，遮光片（16)的一側設置有入射光 纖（17)，另一側設置有接收光纖（18)，且接收光纖(18)的接收端面分為光纖接收部（181)和 非光纖接收部（182)，接收光纖（18)與光電轉換器(2)相連，光電轉換器(2)與信號處理系統 (3)相連。2. 根據權利要求1所述一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，其特征在于:該傳感器系統 還包括光源(4)、Y型耦合器(5)和光纖(6)，光源(4)設置于光纖(6)的一端用于產生光纖信 號，光纖(6)的另一端經Υ型親合器(5)親合后分為入射光纖（17)和參考光纖(61)，入射光纖 (17) 設置于遮光片（16)的一側，參考光纖(61)單獨連接至一個光電轉換器(2)，且光電轉換 器(2)均與信號處理系統(3)相連，接收光纖（18)及參考光纖(61)的光信號經光電轉換后， 再經濾波、整流并由信號處理系統(3)對信號進行分析處理。3. 根據權利要求1所述一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，其特征在于:轉動部（12)對 應隔板（13)的位置設置有滑槽（121)，隔板（13)的一端均滑動設置于所對應的滑槽（121) 內，隔板(13)與其所在滑槽(121)的底部之間壓設有彈簧(19)，隔板(13)的另一端頂緊至殼 體(11)的內壁處，且隔板(13)與殼體(11)的內壁間滑動密封。4. 根據權利要求1所述一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，其特征在于：自由狀態下， 即兩個檢測腔內沒有流體流入或兩檢測腔內流體壓強相同時，阻尼彈簧（15)的形變為零， 且阻尼彈簧（15)與所對應隔板（13)相垂直，殼體（11)的內壁處設置有凸點（111)，所述阻尼 彈簧(15)的一端固定于該凸點（111)上。5. 根據權利要求1所述一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，其特征在于：所述通孔 (122)、入射光纖(17)和接收光纖(18)同軸設置。6. 根據權利要求1所述一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，其特征在于:檢測流體入口 (14)處還對應設置有濾網（141)。7. 根據權利要求1所述一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，其特征在于:所述接收光纖 (18) 的截面外徑與通孔（122)的內徑相同，所述遮光片（16)與接收光纖（18)的端面相平行， 遮光片（16)為半圓形結構，且遮光片（16)的直徑與通孔（122)的內徑相同，光纖接收部 (181)和非光纖接收部（182)均為半圓形結構，且二者軸對稱設置，即接收光纖（18)的接收 端面一半能夠接收光纖信號，另一半無法接收光纖信號，初始狀態下，即兩個檢測腔內沒有 流體流入或兩檢測腔內流體壓強相同時，遮光片（16)的遮擋部分與非光纖接收部（182)相 重合。8. 根據權利要求1所述一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，其特征在于:殼體（11)具有 圓筒形內腔，初始狀態下，轉動部（12)的轉動中心線和殼體（11)內腔的中心線均與隔板 (13)處于同一平面。9. 根據權利要求1所述一種葉片阻尼式光纖差壓傳感系統，其特征在于:殼體（11)為扁
【文檔編號】G01L13/00GK205655956SQ201620499328
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年5月30日 公開號201620499328.7, CN 201620499328, CN 205655956 U, CN 205655956U, CN-U-205655956, CN201620499328, CN201620499328.7, CN205655956 U, CN205655956U
【發明人】胡浩, 孫澤坤, 粟杰, 王錚, 鐘麗瓊
【申請人】貴州大學