CN108663158A - 推挽式光纤差压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对温度不敏感，测量范围可调、抗强电磁干扰、防燃防爆、多路复用、远程测量、成本低廉、性能稳定的推挽式光纤差压传感器。该推挽式光纤差压传感器，包括光纤适配器、光纤自聚焦透镜固定装置、平面反射镜固定装置、支撑柱、平衡梁、传动柱、封装壳、弹性金属波纹管、法兰盘、通压导管；采用该推挽式光纤差压传感器，成本低廉、性能稳定、易于更换及维修。在使用过程中，多个传感器可共同使用一套宽光谱光源、光电探测器，实现多点准分布测量；能够与光纤传输***组成遥测网络，实现远程实时监测与测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种推挽式光纤差压传感器。
背景技术
众所周知的：差压传感器是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差。差压传感器在微流量测量、泄漏测试、洁净间监测、环境密封性检测、气体流量测量、液位高低测量等许多高精度测量场合都有着广泛的应用。
例如，在密封件检测领域中，已对差压传感器应用于发动机喷油嘴密封性检测、汽车制动主缸的密封性检测等进行了研究；在流体流动研究和流体输送工程中领域，差压传感器可以用来精确测量流体流经两点之间的微小压力差；以及在液体的液位高度精确测量领域中，差压传感器可应用于如自来水水位的测量和控制，油田、炼油厂的油罐和储油槽的油位测量等。
目前，差压传感器主要有压阻式和电容式两种，压阻式传感器突出的优点是结构简单，工作端面平整。但这种传感器也具有很多不足，其灵敏度与频率响应之间存在着比较突出的矛盾，且温度对此种传感器的性能影响也比较大。电容式传感器具有结构简单，灵敏度高，动态响应特性好，抗过载能力强，对高温、辐射和强烈振动等恶劣条件适应性强等优点，使它成为了一种有发展前途的传感器。但由于它存在的缺点和问题，如输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响以及与传感器连接的电路比较复杂等，影响到其应用可靠性，需要采取一定的补偿和校正措施，因此限制了它的广泛应用。
由于光纤传感技术具有防火、防爆、精度高、损耗低、体积小、质量轻、寿命长、性价比高、复用性好、响应速度快、抗电磁干扰、频带范围宽、动态范围大、易与光纤传输***组成遥测网络等诸多优点，基于光纤传感技术的差压传感器也展开了相应的研究。日本的Seiichiro KINUGASA提出了一种基于强度调制的光纤差压传感器KINUGASASeiichiro.Fringe Amplitude Modulation Method for Differential Pressure Sensor[C]//IEEE SENSORS，EXCO Daegu，Korea，2006:22－25.。该类传感器的原理为入射光纤射出的光直接照射在反射体上，接收光纤所收到的反射光信号随反射体与接收光纤端之间距离的变化而变化，因而反射体的位移或转角的大小可通过检测接收光的强弱来确定。这种光纤传感器有两个主要缺点：一是光源强度的波动会给测量带来较大的误差，二是反射器表面的反射率随时间和使用环境的变化也导致测量的不准确性。中国台湾的Hao-JanSHENG等人设计出一种基于光纤布拉格光栅的差压传感器SHENG Hao-Jan，LIU Wen-Fung，LIN Kuei-Ru，et al.High-sensitivity Temperature-independent DifferentialPressure Sensor using Fiber Bragg Gratings[J].Optics Express，2008，16(20):16014－16018.以及申请人于2016年公开的一种光纤差压风速传感器中国专利：201620800354.9，光纤布拉格光栅差压传感器主要根据光纤布拉格光栅受力发生轴向应变从而使输出光的波长发生改变，通过对比两段光栅的反射光波长值推导出压力差。由于该类传感器是根据单根光纤轴向应变来实现压力测量，虽然灵敏度很高，但测量范围较小，且易受振动干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对温度不敏感，测量范围可调、抗强电磁干扰、防燃防爆、多路复用、远程测量、成本低廉、性能稳定的推挽式光纤差压传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：推挽式光纤差压传感器，包括光纤适配器、光纤自聚焦透镜固定装置、平面反射镜固定装置、支撑柱、平衡梁、传动柱、封装壳、弹性金属波纹管、法兰盘、通压导管；
所述封装壳具有内腔；所述光纤适配器设置在封装壳的顶部；所述光纤自聚焦透镜固定装置设置在封装壳内腔的顶部；所述光纤适配器与光纤自聚焦透镜固定装置通过光纤连接；所述支撑柱竖向设置在封装壳的内腔内，且所述支撑柱的下端位于内腔下表面的中间位置；所述支撑柱的上端设置有平衡梁，所述平衡梁的中间位置与支撑柱铰接；
所述支撑柱的两侧均设置有弹性金属波纹管；所述弹性金属波纹管顶部设置有传动柱，所述传动柱的上端与平衡梁的一端连接；所述传动柱的上端设置有平面反射镜固定装置；所述平面反射镜固定装置位于光纤自聚焦透镜固定装置的正下方；
所述弹性金属波纹管底部通过法兰盘固定在内腔下表面；所述弹性金属波纹管底部设置有通压导管。
进一步的，所述平面反射镜固定装置包括螺柱、调角螺丝、橡胶圈、平面反射镜以及上安装板和下安装板；
所述螺柱设置在上安装板的顶部；所述橡胶圈设置在上安装板和下安装板之间；
所述上安装板上设置有横向槽；所述上安装板上设置有两颗调角螺丝，两个调角螺丝分别位于螺柱的两侧；其中一颗调角螺丝由上安装板***延伸到下安装板内，且与下安装板螺纹配合；另一颗调角螺丝的一端通过横向槽***到安装板内，且与下安装板螺纹配合；所述平面反射镜安装在下安装板的下底面。
进一步的，所述的光纤自聚焦透镜固定装置包括光纤自聚焦透镜、第二调角螺丝、橡胶圈、固定座；所述固定座上设置有聚焦透镜安装座，所述橡胶圈位于固定座与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝的一端依次穿过法兰、橡胶圈***到固定座内，且与固定座螺纹配合。
进一步的，所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝；所述光纤自聚焦透镜安装在安装凸台顶部。
本发明的有益效果是：本发明所述的推挽式光纤差压传感器，具有以下优点：
1)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，有源与无源器件相互分离设计使其能够在强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境下工作。
2)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，传感器所使用的弹性金属波纹管可根据实际需求进行更换，实现测量范围及灵敏度可调。
3)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，成本低廉、性能稳定、易于更换及维修。
进一步的，在使用过程中：
4)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，多个传感器可共同使用一套宽光谱光源、光电探测器，实现多点准分布测量。
5)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，扫描位移台上宽谱光的空间传输会带来温度误差，但其空间传输距离不会超过15cm，所以温度带来的误差可以忽略不计。
6)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，能够与光纤传输***组成遥测网络，实现远程实时监测与测量。
附图说明
图1是本发明实施例中推挽式光纤差压传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中为光纤自聚焦固定装置的立体图；
图3是本发明实施例中推反射镜固定装置的主视图；
图4是本发明实施例中推反射镜固定装置的俯视图；
图5是本发明实施例中推挽式光纤差压传感器的测量***图；
图6是本发明实施例中实验数据图；
图中标示：1-宽光谱光源；2-光电探测器；3-光纤耦合器；4-第一光纤跳线；5-第二光纤跳线；6-扫描位移台；8-推挽式光纤差压传感器；9-光纤适配器；10-光纤自聚焦透镜固定装置；11-平面反射镜固定装置；12-支撑柱；3-平衡梁；14-传动柱；15-封装壳；16-弹性金属波纹管；17-法兰盘；18-通压导管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图6所示，本发明所述的推挽式光纤差压传感器，包括光纤适配器9、光纤自聚焦透镜固定装置10、平面反射镜固定装置11、支撑柱12、平衡梁13、传动柱14、封装壳15、弹性金属波纹管16、法兰盘17、通压导管18；
所述封装壳15具有内腔；所述光纤适配器9设置在封装壳15的顶部；所述光纤自聚焦透镜固定装置10设置在封装壳15内腔的顶部；所述光纤适配器9与光纤自聚焦透镜固定装置10通过光纤连接；所述支撑柱12竖向设置在封装壳15的内腔内，且所述支撑柱12的下端位于内腔下表面的中间位置；所述支撑柱12的上端设置有平衡梁13，所述平衡梁13的中间位置与支撑柱12铰接；
所述支撑柱12的两侧均设置有弹性金属波纹管16；所述弹性金属波纹管16顶部设置有传动柱14，所述传动柱14的上端与平衡梁13的一端连接；所述传动柱14的上端设置有平面反射镜固定装置11；所述平面反射镜固定装置11位于光纤自聚焦透镜固定装置10的正下方；
所述弹性金属波纹管16底部通过法兰盘17固定在内腔下表面；所述弹性金属波纹管16 底部设置有通压导管18。
为了更好地理解该测量方法，我们针扫描位移台上自聚焦透镜71的移动距离X与待测压力差的线性关系做出详细地解释与说明。
如图1所示，对该传感器的左侧的金属波纹管16输入压力F1，右侧金属波纹管16输入压力F2，由于该传感器使用的是一种完全对称结构，且采用相同的材料，所以温度的影响可以相互抵消忽略不计。假设压力F1大于压力F2，则在压力F1和压力F2的共同作用下左侧金属波纹管16发生轴向拉伸，右侧金属波纹管16发生轴向压缩，形变量相同且与压力F1 和压力F2的压力差a呈线性关系，设为ax。由于金属波纹管的变化使得该传感器光程差同样发生axn1的变化，其中n1为差压传感器所处的环境折射率。
为使该传感器的两臂光程再次相等，移动自聚焦透镜71在扫描位移台上的位置，直至在光电探测器2中再次观察到白光干涉条纹主极大，此时移动距离为X，光程变化Xn2，其中n2为位移台所处环境的折射率。
则白光干涉原理得：
axn1＝Xn2
当传感器与扫描位移台所处环境相同时，得到：
ax＝X
因此，我们可以根据扫描位移台的移动距离X得到待测压力差a。
在具体的应用过程中：
步骤一、***搭建。按图5连接各器件形成推挽式光纤差压传感器的测量***；该测量***包括宽光谱光源1、光电探测器2、光纤耦合器3、第一光纤跳线4、第二光纤跳线5、扫描位移台6、光纤自聚焦透镜7、光纤差压传感器8；宽光谱光源1和光电探测器2分别与光纤耦合器3的a端和b端相连，c端和d端分别连接第一光纤跳线4和第一自聚焦透镜71，第一光纤跳线4的另一端与光纤差压传感器8中的光纤适配器9相连。第一自聚焦透镜71与第二自聚焦透镜72对准且均在扫描位移台6上，第二自聚焦透镜72位置固定，第一自聚焦透镜71位置可调，第二自聚焦透镜72通过第二光纤跳线5连接到光纤适配器9。
具体的，所述的宽光谱光源1是LED光源、SLD/SLED光源、ASE光源中的一种。
所述推挽式光纤差压传感器8在平衡状态下，光纤耦合器3的c端、d端分别到平面反射镜114镜面的光程相等，且此时第一自聚焦透镜71在扫描位移台6有效移动距离的中心位置左右。
所述的光纤跳线4和光纤跳线5的长度可以短至几厘米，也可以长至数公里或者更长。
上述推挽式光纤差压传感器主要是利用光纤白光干涉原理来实现压力差的测量，传感器内部两个波纹管6在不同压力作用下发生相应的轴向形变，进而导致Michelson白光干涉仪两臂光路光程发生变化，测量***中通过扫描位移台6的移动再次得到干涉条纹，此时位移台的移动距离与压力差存在线性关系，通过数据分析进而可以得出待测压力差的数值大小。
本实施例中使用的弹性金属波纹管的内径为50mm，高度100mm。光纤跳线4长度为3m，考虑到扫描位移台6的移动有效距离为0.2m，故跳线5的长度设计为2.9m。光纤差压传感器 8内部的光纤自聚焦透镜分别固定在两个光纤自聚焦固定装置10的相同位置，保证两透镜镜面高度相同，尾端分别接光纤适配器9。镀银平面反射镜通过硅橡胶粘贴在反射镜固定装置 11上，且镀银面朝上。
步骤二、光路准直。通过调节反射镜固定装置11和光纤自聚焦透镜固定装置10的调角螺丝来确保平面反射镜面水平且高度相同、自聚焦透镜的镜面水平且高度相同，光线垂直出射到反射镜面中心并原路反射回自聚焦透镜。通过调整扫描位移台6上第一自聚焦透镜71和第二自聚焦透镜72的角度，保证自第一自聚焦透镜71的出射光基本完全入射到第二自聚焦透镜72中。
步骤三、测量初始化。光纤的第二自聚焦透镜72固定在扫描位移台6一端，调整扫描位移台6上的第一自聚焦透镜71的位置直至在光电探测器中显示白光干涉条纹的中心极大值，记录此时第一自聚焦透镜71的位置并标定为零。
步骤四、传感器测量测试。本实施例中将三通橡胶管一端与光纤差压传感器8中一个导管181相连接，三通橡胶管另外两端分别接加压气囊和市场购买的气压表，光纤差压传感器另一导管182与大气压相通。开启扫描位移台6后逐步加压，记录出现白光干涉条纹中心主极大时第一自聚焦透镜71的位置和对应的压强。将三通橡胶管接至导管182，导管181通大气压，再次重复试验后得图6。
综上所述，本发明所述的推挽式光纤差压传感器，具有以下优点：
1)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，有源与无源器件相互分离设计使其能够在强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境下工作。
2)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，传感器所使用的弹性金属波纹管可根据实际需求进行更换，实现测量范围及灵敏度可调。
3)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，成本低廉、性能稳定、易于更换及维修。
进一步的，在使用过程中：
4)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，多个传感器可共同使用一套宽光谱光源、光电探测器，实现多点准分布测量。
5)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，扫描位移台上宽谱光的空间传输会带来温度误差，但其空间传输距离不会超过15cm，所以温度带来的误差可以忽略不计。
6)本发明所述的一种推挽式光纤差压传感器，能够与光纤传输***组成遥测网络，实现远程实时监测与测量。
具体的，所述平面反射镜固定装置11包括螺柱111、调角螺丝112、橡胶圈113、平面反射镜114以及上安装板115和下安装板；
所述螺柱111设置在上安装板的顶部；所述橡胶圈113设置在上安装板和下安装板之间；
为了便于平面反射镜114角度的调节，同时简化结构，进一步的，所述上安装板115上设置有横向槽116；所述上安装板115上设置有两颗调角螺丝112，两个调角螺丝112分别位于螺柱111的两侧；其中一颗调角螺丝112由上安装板115***延伸到下安装板内，且与下安装板螺纹配合；另一颗调角螺丝112的一端通过横向槽116***到安装板内，且与下安装板螺纹配合；所述平面反射镜114安装在下安装板的下底面。
为了便于光纤自聚焦透镜101角度的调节，同时简化结构，进一步的，所述的光纤自聚焦透镜固定装置10包括光纤自聚焦透镜101、第二调角螺丝103、橡胶圈104、固定座105；所述固定座105上设置有聚焦透镜安装座，所述橡胶圈104位于固定座105与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜101安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝103设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝103的一端依次穿过法兰、橡胶圈104***到固定座105内，且与固定座105螺纹配合。
为了便于光纤自聚焦透镜101的安装和更换，进一步的，所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝102；所述光纤自聚焦透镜101安装在安装凸台顶部。
Claims (4)
1.推挽式光纤差压传感器，其特征在于：包括光纤适配器(9)、光纤自聚焦透镜固定装置(10)、平面反射镜固定装置(11)、支撑柱(12)、平衡梁(13)、传动柱(14)、封装壳(15)、弹性金属波纹管(16)、法兰盘(17)、通压导管(18)；
所述封装壳(15)具有内腔；所述光纤适配器(9)设置在封装壳(15)的顶部；所述光纤自聚焦透镜固定装置(10)设置在封装壳(15)内腔的顶部；所述光纤适配器(9)与光纤自聚焦透镜固定装置(10)通过光纤连接；所述支撑柱(12)竖向设置在封装壳(15)的内腔内，且所述支撑柱(12)的下端位于内腔下表面的中间位置；所述支撑柱(12)的上端设置有平衡梁(13)，所述平衡梁(13)的中间位置与支撑柱(12)铰接；
所述支撑柱(12)的两侧均设置有弹性金属波纹管(16)；所述弹性金属波纹管(16)顶部设置有传动柱(14)，所述传动柱(14)的上端与平衡梁(13)的一端连接；所述传动柱(14)的上端设置有平面反射镜固定装置(11)；所述平面反射镜固定装置(11)位于光纤自聚焦透镜固定装置(10)的正下方；
所述弹性金属波纹管(16)底部通过法兰盘(17)固定在内腔下表面；所述弹性金属波纹管(16)底部设置有通压导管(18)。
2.如权利要求1所述的推挽式光纤差压传感器，其特征在于：所述平面反射镜固定装置(11)包括螺柱(111)、调角螺丝(112)、橡胶圈(113)、平面反射镜(114)以及上安装板(115)和下安装板；
所述螺柱(111)设置在上安装板的顶部；所述橡胶圈(113)设置在上安装板和下安装板之间；
所述上安装板(115)上设置有横向槽(116)；所述上安装板(115)上设置有两颗调角螺丝(112)，两个调角螺丝(112)分别位于螺柱(111)的两侧；其中一颗调角螺丝(112)由上安装板(115)***延伸到下安装板内，且与下安装板螺纹配合；另一颗调角螺丝(112)的一端通过横向槽(116)***到安装板内，且与下安装板螺纹配合；所述平面反射镜(114)安装在下安装板的下底面。
3.如权利要求1所述的推挽式光纤差压传感器，其特征在于：所述的光纤自聚焦透镜固定装置(10)包括光纤自聚焦透镜(101)、第二调角螺丝(103)、橡胶圈(104)、固定座(105)；所述固定座(105)上设置有聚焦透镜安装座，所述橡胶圈(104)位于固定座(105)与聚焦透镜安装座之间，所述光纤自聚焦透镜(101)安装在聚焦透镜安装座上端，所述聚焦透镜安装座具有法兰；所述第二调角螺丝(103)设置在法兰上，且至少具有三颗；所述第二调角螺丝(103)的一端依次穿过法兰、橡胶圈(104)***到固定座(105)内，且与固定座(105)螺纹配合。
4.如权利要求3所述的推挽式光纤差压传感器，其特征在于：所述聚焦透镜安装座上设置有安装凸台，所述安装凸台上套装有安装套；所述安装套上设置有紧固螺丝(102)；所述光纤自聚焦透镜(101)安装在安装凸台顶部。
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