CN201177542Y - 双通道光纤气压传感器 - Google Patents

Abstract

一种双通道光纤气压传感器，包括：双膜盒，是由两个膜盒组成的大气压变化的敏感元件，膜盒的中央有反射镜面；面对反射镜面距离为d处设有光纤位移探头，检测反射镜面随气压变化引起d的位移变化量；光纤位移探头内平行设置一根投射光纤和两根接收光纤，投射光纤的终端连接光源，将光源发出的探测光束投射到反射镜面上；两根接收光纤的终端分别连接光电探测器，接收反射镜面的反射光束，并将接收到的光信号传送到各自连接的光电探测器上，该反射光束的光强度与所述d的位移变化量有关。测量气压时具有无电气连接产生的附加电容影响、无电磁干扰、无边缘效应、不存在由于接触带来的附加应力、也没有电气装配方面的影响、制作过程简单的优点。

Description

双通道光纤气压传感器

技术领域

本实用新型涉及一种气压传感器，尤其是指利用双通道光纤位移传感器的膜盒形变进行检测气压的一种传感器。

背景技术

大气压力测量是气象要素观测中的重要一环。目前，在自动气象站中常用振动筒或电容膜盒传感器检测大气压力的变化。

振动筒式气压传感器有时会停止工作，导致观测失败。此外，这种振动筒式气压传感器还易受环境污染的影响，容易老化。

电容膜盒式气压传感器是基于气压传感元件的形变产生电容变化实现气压测量，在电容膜盒式气压传感器中，膜盒的两个电极只有一个电极接地，导致存在电容干扰，如果采用电极屏蔽法是可以避免导线内在电容的影响，但却引入了新的附加并联电容。当气压缓慢变化时，电容膜盒极板间电容的变化与附加的并联电容相比非常小，气压检测分辨率较低。电容膜盒式气压传感器存在导线焊接引起的附加应力，导致焊接工艺产生的参数离散性。当大气压变化较大时，膜盒有效电容的极板不是理想平面，且边缘效应不可忽略。

将硅扩散电桥或电阻应变片用于检测气压传感器膜盒形变，气压传感器的性能得到一定改善，但仍然存在附加应力引起的测量误差。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述现有技术中的诸多不足，提供一种测量气压时无电气连接产生的附加电容影响，无电磁干扰，无边缘效应，不存在由于接触带来的附加应力，也没有电气装配方面的影响，制作过程简单，能够改善和优化气压传感器性能的一种双通道光纤气压传感器。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型的双通道光纤气压传感器，包括：

双膜盒，是由两个膜盒组成的大气压变化的敏感元件，每个膜盒由两个膜片焊接而成为一个密闭的空腔，两个膜盒之间用固定小圆柱杆连接，在双膜盒的最后一个膜片的中央有反射镜面；

所述双膜盒的固定小圆柱杆的初始端通过膜盒固定部件固定于膜盒固定架上；

面对所述双膜盒的反射镜面距离为d处设有光纤位移探头，光纤位移探头检测所述双膜盒的反射镜面随气压变化引起d的位移变化量；

在所述光纤位移探头内平行设置一根投射光纤和两根接收光纤，所述投射光纤和所述接收光纤各自的中心轴分别与双膜盒中央的反射镜面的反射面垂直，所述投射光纤与两根接收光纤之间的距离不同；

所述投射光纤的终端连接光源，投射光纤将所述光源发出的探测光束投射到所述反射镜面上；

所述两根接收光纤的终端分别连接一个光电探测器，两根接收光纤分别接收来自反射镜面的部分反射光束，该反射光束的光强度与所述随气压变化引起d的位移变化量有关，两根接收光纤将接收到的光信号分别传送到各自连接的光电探测器上；

所述光纤位移探头固定于一个光纤探头固定板上；

所述膜盒固定架和所述光纤探头固定板之间由平板连接柱连接固定。

本实用新型的效果：

本实用新型的双通道光纤气压传感器，由于是利用双通道光纤位移传感器检测膜盒形变对气压进行检测的一种气压传感器，因此，测量气压时具有无电气连接产生的电容影响，无电磁干扰，无边缘效应，不存在由于接触带来的附加应力，也没有电气装配方面的影响，制作过程简单的优点。此外，本实用新型由于采用双通道方式测量气压，测量精度不受探测光束强度变化和环境光干扰，测量范围覆盖了500-1060hpa，分辨率能达到0.2hpa，其精度接近±0.2hPa，进一步优化结构参数，可使其满足气象观测的要求。

为进一步说明本实用新型的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1为本实用新型的双通道光纤气压传感器的一个实施例的结构图；

图2为本实用新型的双通道光纤气压传感器中固定双膜盒及光纤位移探头的结构示意图；

图3为本实用新型的双通道光纤气压传感器中连接膜盒固定架与光纤探头固定板的结构示意图；

图4为图1中实施例的双通道光纤气压传感器的信号传送示意图；

图5为光纤位移探头的输出特性曲线；

图6为特性参数Φ随气压的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的双通道光纤气压传感器的具体实施方式进行详细说明。

本实用新型的光纤气压传感器的结构示于图1-图3。图1为本实用新型的双通道光纤气压传感器的一个实施例的结构图(采用双通道)；图2为本实用新型的双通道光纤气压传感器中固定双膜盒及光纤位移探头的结构示意图；图3为本实用新型的双通道光纤气压传感器中连接膜盒固定架与光纤探头固定板的结构示意图。

下面对图1-图3所示的实施例中光纤气压传感器的主要组成部分进行详细说明。

双膜盒10，是由两个膜盒组成的大气压变化的敏感元件，每个膜盒由两个齿形膜片101和102(103和104)焊接而成为一个密闭的空腔，两个膜盒之间用固定小圆柱杆11连接。

双膜盒10的中央有反射镜面12，该反射镜面12可以是在双膜盒10本身的中央被研磨成光滑平面而成，也可以在双膜盒10的中央粘贴一个小反射镜而成。当被测气压变化时，双膜盒10中的四个膜片均产生变形，导致该双膜盒10中央的双膜盒10的中央产生位移。由于一个膜盒随气压变化产生的形变不够明显，采用固定小圆柱杆11将两个膜盒连接，可以增加膜盒随气压变化的变形量，使反射面位移量明显。

所述双膜盒10的固定小圆柱杆11的初始端通过膜盒固定部件21固定于膜盒固定架20上，本实施例的膜盒固定部件21是固定在膜盒固定架20上的一个固定套，双膜盒10的固定小圆柱杆11的初始端套在该膜盒固定套内被固定。膜盒固定部件21最好是置于膜盒固定架20的中央位置，

面对双膜盒10的反射镜面12距离为d处设有光纤位移探头40，用光纤位移探头40检测双膜盒10中央的反射镜面12随气压变化引起d的位移变化量。光纤位移探头40内平行设置一根投射光纤61和两根接收光纤62、63，投射光纤61和接收光纤62、63各自的中心轴分别与双膜盒10中央的反射镜面12的反射面垂直。投射光纤61与两根接收光纤62、63之间的距离不同。投射光纤61的终端连接光源80，光源80发出探测光束，投射光纤61将光源80发出的探测光束投射到反射镜面12上；两根接收光纤62、63的终端分别连接光电探测器72和73，接收光纤62、63分别接收来自反射镜面12的部分反射光束，并把接收的光信号分别传送到光电探测器72和73。两根接收光纤62、63接收到的光强度是与反射镜面12和光纤位移探头40的端面间的距离d有关。当大气压力变化时，反射镜面12产生位移，致使两根接收光纤62、63接收到的光强度变化，导致与两根接收光纤分别连接的光电探测器72、73输出的电信号发生变化，从而使大气压力的变化被转换为电信号的变化。

所述光纤位移探头40固定于一个光纤探头固定板50上，光纤探头固定板50上置有一个螺孔51，光纤位移探头40采用螺帽或小法兰盘80被固定于该螺孔51内。

所述膜盒固定架20和光纤探头固定板50之间由平板连接柱30连接固定。下面对双膜盒10的特性进行说明。

用于测量大气压力的双膜盒10有四个膜片101-104，每个膜片是锯齿形弹性薄片，在均匀压力作用下，每个膜片中央最大弯曲位移w_max为：

$w_{\max }=\frac{3p(1-{\mathrm{\μ}}^2)R^4}{16E{h}^3}$ 公式(1)

其中：p是均匀压力，R是膜片的半径，h是膜片厚度，μ是膜片材料的泊松系数，E为膜片材料的弹性模量。

根据公式(1)，双膜盒10的四个膜片101-104共同作用，使反射镜面12所在的膜片中央的最大弯曲位移w_dmax应是w_max的4倍，即为：

$w_{d\max }=\frac{3p(1-{\mathrm{\μ}}^2)R^4}{4E{h}^3}$ 公式(2)

如果弹性膜片中央弯曲位移w足够大，则w＞＞h，双膜盒10的中央弯曲位移必须满足公式3的关系：

$\frac{p{R}^4}{E{h}^4}=\frac{4w}{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)h}+\frac{1}{42}\·\frac{23-9\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}\·\frac{w^3}{h^3}$ 公式(3)

一般情况下，双膜盒10的中央的弯曲位移w与压力成正比，即公式(2)式得到满足。

下面对本实用新型的双通道光纤气压传感器的特性进行分析。

双通道光纤气压传感器的信号传送示意图示于图4中。上述光纤位移探头40中的投射光纤61到两根接收光纤62、63的距离分别为l_B和l_C，l_B不等于l_C，投射光纤61、接收光纤62、63的纤芯直径均为2a，考虑投射光纤61(A)在反射镜面12的镜像A’，接收光纤62(B)、63(C)接收到来自反射镜面12的光强分别为PB和P_C，定义代表传感器输出特性参数Φ为

$\mathrm{\Φ}=\frac{P_C}{P_B}$ 公式(4)

特性参数Φ的值与反射镜面12到光纤位移探头40间的距离d有关，即与压力的变化有关。因此，通过测量参数Φ即可测量压力。

下面对上述光纤位移探头40的输出特性进行分析：

考虑到投射光纤61的光强度分布有两种极端情况，一是近场分布情况，另一种是远场分布，适当选择光纤探头的结构参数，使接收光纤62、63接收到光场为远场分布。在稳定情况下，光场的远场输出光强分布形态与光纤芯折射率分布一致，由下面的公式给出

公式(5)

其中P(0°)是光纤轴向单位立体角，P(θ)是偏离光纤芯轴θ角远场条件下的光强度，N.A_max是光纤芯的数值孔径，参数g是光纤的折射率分布因子。若g≥10，光纤芯的折射率分布接近阶跃分布，而当g＝2，纤芯折射率分布为抛物线型。图4中，接收光纤62对O点所张立体角为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Ω}}_B=\frac{\mathrm{\π}{a}^2\·2d}{{(l_B^2+4d^2)}^{3/2}}$ 公式(6)

接收光纤63对O点为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Ω}}_C=\frac{\mathrm{\π}{a}^2\·2d}{{(l_C^2+4d^2)}^{3/2}}$ 公式(7)

由公式(5)、(6)和(7)得到，接收光纤62、63接收到的光强度分别为P_B和P_C，由下列两式给出：

公式(8)

公式(9)

根据光纤头结构的几何关系，P_B和P_C可分别表示为：

公式(10)

公式(11)

按照参数Φ的定义，Φ可以改写为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{{[1-\frac{l_C^2}{l_C^2+4d^2}\·\frac{1}{{(N.A_{\max })}^2}]}^{2/g}\·{(l_B^2+4d^2)}^{3/2}}{{[1-\frac{l_B^2}{l_B^2+4d^2}\·\frac{1}{{(N.A_{\max })}^2}]}^{2/g}\·{(l_C^2+4d^2)}^{3/2}}$ 公式(12)

公式(12)是双通道光纤位移传感器的特征方程。代表传感器输出特性参数Φ由光纤位移探头的结构特性和位移确定，公式中的d是反射镜面12与光纤位移探头40之间的距离，随着测量大气压力的变化，d产生变化，即使初始的反射镜面12与光纤位移探头40之间的距离产生位移，由于投射光纤发出光束被限制在一定立体角内，因此当d的位移小于一定距离时，接收光纤62、63接收的光强度为零，由于第二接收光纤63比第一接收光纤62离投射光纤61远些(即l_B＜l_C)。因此，首先第二接收光纤63接收不到投射光纤61的投射光束，当第二接收光纤63恰好能够接收到投射光时的最短距离为d₀。对于渐变折射率光纤d₀可表示为：

$d_0=\frac{l_C}{2}{(\frac{1}{{(N.A_{\max })}^2}-1)}^{1/2}$ 公式(13)

对于阶跃折射率光纤的d₀可表示为：

$d_0=\frac{l_C-2a}{2\tan \left[\arcsin (N.A)\right]}$ 公式(14)

因为光纤截面是有限的，当位移满足以下条件时，

$\frac{l_C-a}{2}{(\frac{1}{{(N.A_{\max })}^2}-1)}^{1/2}\≤d\≤\frac{l_C+a}{2}{(\frac{1}{{(N.A_{\max })}^2}-1)}^{1/2}$ 公式(15)

第二接收光纤63端面部分被反射光束照明，因此，公式(11)的右边需乘于因子k(d)，k(d)满足以下公式：

$k\left(d\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\{\arccos (1-\frac{\mathrm{\δ}}{a})-(1-\frac{\mathrm{\δ}}{a})\sin \left(\arccos (1-\frac{\mathrm{\δ}}{a})\right)\},$ 公式(16)

其中δ＝2dtan[arcsin(N.A_max)]-(l_C-2a)，在以上分析中假定接收光纤端面上的光强度分布近似均匀。

在实施例中，投射光纤61和接收光纤62、63的光纤芯的数值孔径N.A_max均为0.22，纤芯直径2a为100μm，第一接收光纤62到投射光纤61的距离l_B为1.0mm，第二光纤63到投射光纤61的距离l_C为1.5mm，发出探测光束的光源80选用半导体发光管(LED)，将投射光纤61环绕直径15cm的环进行扰模，以便使投射光纤61输出光斑图像稳定。由于光纤纤芯较粗，投射光纤61输出光斑图像中心小区域为暗斑。为了便于确定气压传感装置的工作点，需参见图5，图5为光纤位移探头40的输出特性曲线，如图5所示，代表传感器输出特性参数Φ与反射镜面12的位移的关系，有一个良好的线性区，线性区的中点对应光纤位移探头40的端面离反射镜面12的距离d约为2.06mm处，选择该点为气压是一个标准大气压时，气压传感器的初始状态，将图1所示结构置于刚性气舱内，对气压传感器进行标定，改变气舱内的压力测得特性参数Φ随气压的变化如图6所示。气体压力在450-1200hpa内变化，根据***给出的参数Φ和标准气压计的精度得到此装置气压测量分辨率达到0.2hpa，多次测量重复精度σ为±0.2hPa.

因此，本实用新型中，P_B、P_C是光纤62(B)和光纤63(C)接收到的光功率。测量方法首先用一个标准气压计标定传感器特性参数Φ与气压的关系曲线，然后，用测得的光功率P_C、P_B计算参数Φ，由该关系曲线确定气压值。

本实用新型的双通道光纤位移传感器是利用检测双膜盒的形变量，实现大气压力的测量。适当选择光纤探头的几何结构参数，可获得较大的测量线性范围及特性参数随压力单值变化；根据理论分析，此压力传感器的灵敏度主要决定于光纤探头的结构参数。由于采用双通道方式，因此本测量装置的精度不受探测光束强度变化和环境光干扰。测量范围覆盖了500-1060hpa，分辨率能达到0.2hpa，其精度接近±0.2hPa，进一步优化结构参数，可使其满足气象观测的要求。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (7)

1、一种双通道光纤气压传感器，其特征在于包括以下部件：

双膜盒，是由两个膜盒组成的大气压变化的敏感元件，每个膜盒由两个膜片焊接而成为一个密闭的空腔，两个膜盒之间用固定小圆柱杆连接，在双膜盒的最后一个膜片的中央有反射镜面；

所述双膜盒的固定小圆柱杆的初始端通过膜盒固定部件固定于膜盒固定架上；

面对所述双膜盒的反射镜面距离为d处设有光纤位移探头，光纤位移探头检测所述双膜盒的反射镜面随气压变化引起d的位移变化量；

在所述光纤位移探头内平行设置一根投射光纤和两根接收光纤，所述投射光纤和所述接收光纤各自的中心轴分别与双膜盒中央的反射镜面的反射面垂直，所述投射光纤与两根接收光纤之间的距离不同；

所述投射光纤的终端连接光源，投射光纤将所述光源发出的探测光束投射到所述反射镜面上；

所述两根接收光纤的终端分别连接一个光电探测器，两根接收光纤分别接收来自反射镜面的部分反射光束，该反射光束的光强度与所述随气压变化引起d的位移变化量有关，两根接收光纤将接收到的光信号分别传送到各自连接的光电探测器上；

所述光纤位移探头固定于一个光纤探头固定板上；

所述膜盒固定架和所述光纤探头固定板之间由平板连接柱连接固定。

2、如权利要求1所述的双通道光纤气压传感器，其特征在于：

所述膜盒的膜片是齿形膜片。

3、如权利要求1所述的双通道光纤气压传感器，其特征在于：

所述反射镜面是在双膜盒的最后一个膜片的中央被研磨成光滑平面而成。

4、如权利要求1所述的双通道光纤气压传感器，其特征在于：

所述反射镜面是在双膜盒的最后一个膜片的中央粘贴一个反射镜而成。

5、如权利要求1所述的双通道光纤气压传感器，其特征在于：

所述膜盒固定部件置于所述膜盒固定架的中央位置。

6、如权利要求1或5所述的双通道光纤气压传感器，其特征在于：

所述膜盒固定部件是固定在所述膜盒固定架上的一个固定套，所述固定小圆柱杆的初始端套在所述固定套内被固定。

7、如权利要求1所述的双通道光纤气压传感器，其特征在于：

所述光纤探头固定板上置有螺孔；所述光纤位移探头被固定于所述螺孔内。

Images