一种对称式光纤束差压传感器结构及性能

作者:胡浩;钟丽琼; 刊名:中国机械工程 上传者:马继红

【摘要】对一种对称式光纤束差压传感器的结构及性能进行了研究.提出了一种两相同结构检测探头与桥式光路组成的对称式光纤束差压传感器,传感器探头采用机械式封装;对传感器进行理论研究,建立了强度调制数学模型,并对其进行仿真计算与分析;最后试制出实验样机,进行实验研究,实验结果表明:探头与膜片在不同设计尺寸下,传感器具有不同的量程、输出灵敏度、检测分辨率、线性度与重复性精度.研究结果表明,光纤束差压传感器具有较好的检测性能,能满足不同检测场合的需要.

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0引言 随着现代工业技术的发展与进步,差压传感器在许多高精度检测场合得到了越来越多的应用。从微流量测量、泄漏测试、洁净间监测、环境密封性检测到压力场分布的测量、风量的测量、人工呼吸器呼吸量的测量、房间之间的超微压差测量等领域,无一不需要稳定可靠的差压传感器。并且,随着现代检测技术的发展,差压传感器的应用空间会进一步拓展,对差压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差压传感结构的改进与性能的提高,以期能使其更好地服务于现代工业检测领域[1-5]。现今差压传感器主要为压阻式与电容式两种。压阻式差压传感器的灵敏度与频率响应之间存在着比较突出的矛盾,且温度对这种传感器的性能影响较大; 电容式差压传感器的缺点是寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度有影响,以及与传感器连接的电路比较复杂等。正是由于传统差压传感器的诸多不足,国内外学者开始对一些新型的差压传感器进行研究。 光纤传感器技术因具有诸多传统传感器无法比拟的优点,在现代传感器研究中吸引了越来越多的关注[6-11]。近年来,不断有学者致力于光纤差压传感器的研究,SHENG等[12]、ARIAS等[13]分别提出了一种基于布拉格光栅的光纤差压传感器结构;KINUGASA[14]提出了一种反射式光纤差压传感器;佟成国等[15]设计了一种基于弹簧管结构的光纤差压传感器。但目前人们对传感器的实现、探头结构的合理性、反射面的工作状态、误差的补偿等许多关键因素未做深入研究。在此背景下,本文在对传统差压传感器工作原理、性能及优缺点进行分析的基础上,结合光纤传感技术,提出了一种对称式光纤束差压传感器,并对其结构及工作性能进行研究,以期使差压传感器的研发 得到进一步的拓展。 1传感器结构 本文中的传感器采用压力检测探头与桥式光路组成的对称式结构,如图1所示,图中D1、D2表示光电探测器,D1左侧方框与D2右侧方框表示信号处理模块,传感器系统两光源S1、S2交替发光,每次发光时间相等,光源S1经Y型耦合器分为两路,一路传送到D2,另一路传送到检测探头1,经反射后再传送到D1;光源S2经Y型耦合器分为两路,一路传送到D2,另一路传送到检测探头2,经反射后再传送到D1,D1、D2把接收的光强信号转变为电信号输出。该传感器结构能消除因光源功率不稳定、入射光纤传输损耗等带来的误差,很好地实现对光的强度补偿。同时,该对称式双探头结构具有以下优点:可自由选择需要检测的位置进行检测;探头可直接固定于检测位置,而不用进行引流;能根据检测需要来使用几何尺寸与检测范围不同的探头,用以满足一些特殊需求等。 对传感器探头采用机械式封装方法进行封装。如图2所示,该结构在检测腔内安装了具有杯状空腔的玻璃体,以减少流体的扰动。端盖与壳体采用螺纹连接,通过端盖与挡圈固定弹性膜片,光纤束固定在端盖中孔的螺纹套内,螺纹套与端盖亦采用螺纹连接,螺纹套表面标注尺寸刻度,通过螺纹套与端盖的旋进来调整光纤束与弹性膜 片的距离。加工时保证传感器壳体、端盖、螺纹套等的圆度与同轴度。该机械式封装结构形成的暗腔还能避免背景光带来的噪声。 2传感器理论模型 2.1数学模型 本文在传感器光纤束探头设计中,采用同轴式光纤束分布形式,这种分布形式紧凑、规则、易于加工实现。本文利用解析法原理,建立了传感器探头的强度调制模型,假设光纤出射光场强度为均匀分布。图3为输出光纤与反射面同轴分布的结构简图,图中lAC、lBD为边界出射光线长度,lCE、lDF分别为其发生曲面反射后的光线长度,而反射光光锥端面EF与接收光纤端面之间的位置关系如图4所示,其中,TF表示输出光纤

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