一种单光纤束探头差压传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种传感器，属于光纤传感技术领域。
【背景技术】
[0002] 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】
[0003] 本发明的目的在于：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。 本发明的方案如下：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。
[0004] 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。
[0005] 为了避免弹簧对传感器的影响，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； 为保证光纤探头的传感效果，保证两端光纤探头与反光片之间的距离平衡，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； 作为优选的结构，所述光纤探头通过螺纹旋紧固定于通孔内，以保证光纤探头定位的 牢固和精确； 为保证弹簧的固定以及防止弹簧使用时发生偏移长度方向的伸缩变形，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； 为保证活塞的密封效果，防止流体经活塞边缘流入弹簧所在腔室，活塞与壳体的内壁 之间设置有活塞密封圈； 为保证传感器的使用寿命和使用效果，活塞的材质优选硬质合金； 为防止流体内的杂质进入传感器探头，所述流体通孔上均设置有滤网。
[0006] 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。
[0007] 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〇;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。
[0008] 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?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：A为光源输出的光功率；尋为入射光纤的透过率；￥丨为接收光纤的透过率；4 为参考光纤的透过率；从、巧为光探测器的灵敏度为耦合比；为该侧探头调制函 数。
[0009] 又差压传感器的两探头结构相同，其调制函数为： 芎.麗:已:纪旅 (2) 式中：#为反射率，为探头所受到的外界压力差.为入射光纤与接 曜光節的穀_孔投八为発潍_闸_遞离:i,?筘_樂径，"为接收光截蠱、遽： 为光纤束与反光片的调定距离> 巴||制函致^带人上式！ ^：.：
因为传感器光纤東与探头结构在设计阶段既能确定，所以其结构参数D、 ：?,： ：?：. ip；；iji；ia：ii：§；iM：t}^：^ 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。
[0010] 二、传感器数学模型 2. 1强度调制数学模型 本发明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77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 束中的接收光纤你端面。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成:生变化时，根据反射定理，随着#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，随着碰一步的增大，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來是你接收的光通量与77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；A为反射 光锥端面的半径。
[0011] 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，5为反射光锥端面和接收光纤端重合面积。
[0012] 则光强调制函数劝：
(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4直的大小主要由 ^与f的比值确定。
[0013] (3)式中反射光锥端面半径胃由下式计算：
(4) 式中：曳为发射光纤半径，M为光纤的数值孔径。
[0014] (3)式中反射光锥端面和接收光纤端重合面积5可由下式计算：
式中：Z为发射光纤与接收光纤的中心距，为接收光纤半径，轉、轉为光锥底端与接收 光纤端面相交后形成的圆心角，
[0015] 为了使本发明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刹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 收光纤端重合面积戏J(5)式中的第二式，那么本发明传感器单侧强度调制模型为：
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赛、赛， 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，即备汉； 若压差使活塞向右移动么^，活塞两侧阻尼弹簧产生的力分别为：
式中：为弹簧初始形变量(设计为〇)，:&为活塞位移量，|、|为两侧弹簧刚度系数， 又两侧弹簧相同，所以知-歎。
[0016]根据受力平衡，也：巧+.巧+&+.1^二:(i，