一种单活塞阻尼式光纤差压传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种传感器，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] 本实用新型的目的在于：提供一种单活塞阻尼式光纤差压传感器，以解决现有差 压传感器在很多场合并不适用，实用性不强，测量精度不够，无法满足实际压差测量要求的 问题。
[0004] 本实用新型的方案如下：一种单活塞阻尼式光纤差压传感器，包括探头结构、光敏 元件和信号处理模块，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。
[0005] 优选地，光纤探头中的光纤束包括入射光纤和出射光纤，入射光纤与接收光 纤在光纤探头内相互平行设置，入射光纤共一根，接收光纤是单根尺寸参数为50±3 _的多模光纤，接收光纤以入射光纤为中心依次紧密排布组成一圆形的光纤束结构，且入 射光纤与接收光纤之间的边界距离为130-140 ;
[0006] 优选地，两个弹簧的结构及规格均相同，在流体通孔均与外部大气相连通的状态 下，活塞位于壳体的正中央位置，两个弹簧均处于自然状态，即弹簧无拉伸与压缩形变；
[0007] 优选地，两个探头插孔均开设在所在端盖的正中心位置，两个探头插孔、活塞三者 同轴，自然状态下，其中一个光纤探头到该光纤探头所对应的反光片的距离与另一个光纤 探头到另一个反光片的距离相同；
[0008] 优选地，透光片为玻璃片，透光片均设置于探头插孔位于端盖内侧的端口处；
[0009] 优选地，探头插孔内设置有内螺纹，光纤探头分别旋紧固定于探头插孔内；
[0010] 优选地，端盖的中部设置有伸入壳体内的凸起部，凸起部与壳体内壁之间设置有 密封圈，凸起部上沿壳体的长度方向开设有弹簧定位槽，弹簧定位槽为环形槽，且弹簧定位 槽的内径小于等于弹簧内径，弹簧定位槽外径大于等于弹簧的外径，弹簧的一端伸在并固 定于弹簧定位槽内；
[0011] 优选地，凸起部是与壳体内径相匹配的圆柱形结构；
[0012] 优选地，两个流体通孔分别开设于壳体两端的侧壁上，每个流体通孔与位于该端 的端盖上的凸起部相对应，凸起部上对应流体通孔的位置处开设有与弹簧定位槽相连通的 通孔，流体依次通过流体通孔和通孔流入到壳体内部的腔室内；
[0013] 优选地，活塞与壳体的内壁之间设置有密封圈，端盖与壳体的内壁之间也设置有 密封圈；
[0014] 优选地，活塞的材质为硬质合金；
[0015] 传感器的工作原理为：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，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，传感器两侧相同结构的光纤束与活塞端面 反光片之距离相等，从而两光纤束接收光纤的输出光信号强度相等，光敏元件把光信号转 化为电信号，该信号经过信号处理模块放大、整流、滤波等处理环节，并配合相应的算法计 算，可以得出两检测位置的流体压力差，经光电转换及信号处理计算后输出值为1 ;活塞向 低压一侧滑动后，低压侧光纤束与活塞端面反光片距离减小，接收光纤的输出光信号强度 减弱，而高压侧光纤束与活塞端面反光片距离增大，接收光纤的输出光信号强度增强，经光 电转换及信号处理计算后输出值将成倍变化，从而提高了检测灵敏度。通过最终输出值大 小的变化，即可判断出传感器两检测腔内流体之间的压力差大小，实现对不同位置压力差 的检测。
[0016] -、该传感器强度补偿原理
[0017] 参照图3,该方法中光源放发出的光经过?耦合器等分为两路，一路进入探头 鹎侧，经反射后到达光电探测器_:，另一路进入探头_侧，经反射后到达光电探测器_: 。那么两光电探测器的输出信号分别为：
[0019] 式中：免为光源输出的光功率为入射光纤的透过率；心为接收光纤的透过 率；1?为光探测器的灵敏度；jr为耦合比。
[0021] 根据上式可以得出，经过计算处理的输出信号消除了光源的功率波动与耦合器的 误差。同时在设计中采用对称设计，亦可消除光纤损耗带来的误差。选用稳定的光电检测 元件，从而避免光电检测元件引入的误差。
[0022] 二、传感器数学模型
[0023] 2· 1强度调制数学模型
[0024] 本实用新型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4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 〇不断变大，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-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：
[0025] 设传感器的光强调制函数为凇是你接收的光通量与r/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：
[0026]
[0027] 式中为入射光的光功率损耗系数;为光源親合到发射光纤中的光通量；为 反射光锥端面的半径。
[0028] 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：
[0029]
[0030] 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。
[0031] 则光强调制函数靡3 :
[0032]
[0033] 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^与夕的比值确定。
[0034] (3)式中反射光锥端面半径师T由下式计算：
(4)
[0036] 式中：?丨为发射光纤半径，M为光纤的数值孔径，功光纤探头与反光片之间的距 离。
[0037] (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：
[0038]
[0039] 式中：Z为发射光纤与接收光纤的中心距，为接收光纤半径，疼、每为光锥底端与 接收光纤端面相交后形成的圆心角，
[0040] 为了使本实用新型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/(5)式中的第二式，那么本实用新型传感器单侧强度调制模型 为：
[0042] 2. 2传感器数学模型
[0043] 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# 芎，则传感器活塞两侧所受流体压力分别为：
[0045] 式中：传感器活塞两侧的截面积相等，即多；
[0046] 又对活塞两测进行受力分析有：
[0048] 式中：?为弹簧初始形变量，:&为活塞位移量，为两侧弹簧刚度系数，又两侧
弹簧相同，所以I。
[0049] 则（8)式可简化为
[0050] 联立（7)、（9)式有 ）
[0051] 由于传感器尺寸与阻尼弹簧已经在设计阶段确定，所以上式（10)中:t与犮为常 数，那么活塞位移量与传感器两侧压力差成正比。
[0052] 又设今为传感器内两侧光纤束与反光片之间的初始距离；今、礓为传感器内弹 簧发生变形后，两侧光纤束与反光片之间的距离，其中崦为高压侧、《为低压侧。则有：
[0056] 把（12)、（13)式分别代入（6)式可得到传感器在两侧检测腔出现压力差时，两侧 检测腔的强度调制函数i|、i。不难看出典、《I为关于AP的一元函数，因为ft、病中的其它参数 在传感器设计阶段就已确定，所以均为常数。为了消除光源的强度波动对传感器带来的误 差，传感器输出值为魏、的比值，从而对传感器进行强度补偿。因此，传感器数学模型可表 示为：
[0058] 通过上述数学模型即可得到传感器两侧压力差Μ:与输出光信号大小的关系。 [0059] 三、结果与分析
[0060] 根据以上理论基础和公式，选取初始值
从 Omm变化到 0. 3mm，即是两端传输距离^[从 0. 866mm到 I. 166mm，(|从 0. 866mm 到0. 566mm时，传感器的输出结果。经过仿真实验，对应位移增加一侧（高压侧)光通量变化 如图5所示：对应位移减小一侧(低压侧）光通量变化如图6所示；
[0061] 根据图5不难看出，高压侧的光通量随着活塞的远离而呈递增趋势，且具有较好 的线性度。这是因为传感器初始状态工作于强调制函数刹的前坡曲线段中间位置附近，即 反射光锥端面与接收光纤端面处于