一种基于结构优化的光纤束压力传感器

作者:胡浩;钟丽琼;杨明; 刊名:仪表技术与传感器 上传者:王和

【摘要】对基于结构优化的光纤束压力传感器进行了设计与研究.首先对传感器系统进行了设计;再应用几何光学与优化理论对传感器光纤束结构、传感器探头结构进行优化,对传感器探头采用机械封装;并在优化研究的基础上,对传感器进行仿真试验,分析强度调制函数曲线;最后对传感器施加0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 kPa的外界压力进行检测试验,得出传感器参考光纤与接收光纤输出电压信号变化趋势.试验结果表明:传感器的检测值与仿真值相符,线性度约为3.56%,灵敏度约为0.011/0.1 kPa.研究表明,通过结构优化的光纤束压力传感器具有较好的灵敏度与线性度.

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0引言随着现代检测技术的发展,压力传感器的应用空间会被进一步拓展,对压力传感器的技术要求也会越来越高,正因如此,现今许多学者都致力于对压力传感器结构的改进与性能的提高,以期能使其更好地服务于各种领域。现在市场上拥有多种不同技术原理的压力传感器,常见的有电阻式、电容式、压电式等。随着光通讯技术的发展,光纤传感器逐渐成为相关领域中的热点,由于它具有灵敏度高、体积小、电绝缘性好、抗电磁干扰能力强、易实现遥测、能很好地适用于一些特殊行业与恶劣环境等优点得到业界广泛认可[1-8]。在此背景下,提出了一种基于优化结构的强度调制型光纤束压力传感器,在优化研究的基础上,设计了新的传感器结构,提高了传感器的灵敏度和测量精度,同时机械式封装探头结构也增强了测量稳定性与传感器的可靠性。1传感器设计1.1传感器系统设计图1为光纤束压力传感器系统图,传感器主要由光源、一分二耦合器、入射光纤、同轴型光纤束、探头、光电探测器、信号处理模块、计算机等部分组成。该传感器系统的工作原理为:光源发出的光耦合进入光纤,再经过一分二耦合器分为2路,一路光经过入射光纤同轴型光纤束到传感器探头,照射到探头中图1传感器系统图的弹性膜片上,经探头中的弹性膜片反射后的光耦合进入接收光纤再到达光电探测器;另一路光直接经过参考光纤到达光电探测器。输出的两路光信号均由光电探测器转换为电信号,再经过信号处理模块进行信号处理,最后在计算机中进行计算与显示输出。1.2传感器优化设计如图2所示,光纤束优化设计时,涉及的变量分别为入射光纤半径r1(设定50m)、接收光纤半径r2(25~50m)、入射光纤与接收光纤之间边界距离l、两接收光纤之间边界距离的2h。图2光纤束分布结构简图设计变量为X=r?2?lh=x1x2x?3目标函数:minF(X)=F(x1,x2,x3)=(2x1+x2+50)2arcsin(x1+x3x1+x2+50)180x21s.t.25x1500x22000x31000arcsin(x1x1+x2+100)?30(1)式(1)即为光纤束优化设计数学模型[9]。对式(1)的数学模型进行求解,得到使目标函数取得最小值时,设计变量X=(x1,x2,x3)的取值大小:x1=r2=25.0010,x2=l=0,x3=h=0根据上述的优化设计计算结果可知,要使传感器输出信号越强,接收光纤就应选用芯径较小的多模光纤,参数l与h也应越小,所以选用典型尺寸参数最小(503)m的多模光纤作为接收光纤。传感器的设计中,为了得到较好的线性度与灵敏度,把强度调制函数曲线[10]的后坡曲线设计为传感器的工作曲线。依据光纤强度调制理论,需要传感器工作在后坡曲线,那么传感器在没有工作的状态下,经过平面反射膜片的反射光到达光纤束端面的光斑直径R应该满足不等式:Rr1+l+2r2(2)同时考虑到增大传感器的灵敏度,就应该使R值尽量接近r1+l+2r2。再考虑到传感器的封装、后期调节与检测输出信号的强弱,即可把传感器的d(光纤束端面与弹性膜片之间的调定距离)值优化为0.5mm,如图3、图4所示(为入射光纤的出射角,=10),根据d值即可求出l值的大小。可算出,l值的取值范围应该为127.767ml177.767m(3)图3l值下限计算图图4l值上限计算图综合上述分析结论,当调定距离为0.5mm时,l值圆整可为135m,h值取0,接收光纤数量取最大为26,传感器可以获得较优的灵敏度和较好的线性度。2基于优化的传感器结构通过上述优化设计,最终确定了基于优化的传感器结构。传感器探头中光纤束为1根入射光纤与26根接收光纤的同轴型分布,光

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