一种基于Sagnac干涉仪的光纤液压增敏型传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于Sagnac干涉仪的光纤液压增敏型传感器。

背景技术：

随着机电液一体化技术的进步和故障诊断技术的提高，人们对液压传感器的测量精度和响应速度的要求也越来越提高。液压传感器在多个领域得到广泛应用如工业安全生产，海洋作业检测，水利水电，石油液位检测及航空航天等领域。其中，液位是控制过程中的参数之一。油罐需要进行油位高度的监测，如果压强过高，会发生爆裂，容易引起火灾等安全隐患；海下压力超过一定范围时，会对水下作业产生一定影响；水库的水位超过堤坝承受的范围时，会发生堤坝崩塌等安全事故；锅炉水压过大会发生爆炸危及人们生命。因此，高精度的液压传感器对于液位的实时检测，安全生产等方面具有十分重要的意义。

自上世纪七十年代以来，光纤传感器技术发展迅速。光纤传感器与其他的传感器相比，具有一系列独特的优点如本征安全、抗电磁辐射、可在高温、高压、高腐蚀、易燃、易爆或有毒的环境条件下长期稳定工作、测量精度高，响应速度快，在众多安全监测领域占据不可取替的地位。光纤干涉技术是光纤传感技术中最为敏感的技术之一，可以对多种物理量的变化进行实时测量，将光纤传感技术应用到液压系统中，具有巨大的潜在价值。

目前国内外也有很多关于光纤液压传感器的研究和报道。J.Srll等人利用 Sagnac干涉仪结构构成了传感器，实现了温度和压力的同时测量但灵敏度不够高；全战等人提出一种液压传感器的压力增敏方法，将光纤激光器封装在一种复合结构中将外界液压转化为腔内双折射，但压力响应不够。曾庆良等人研制出了安全型液压多功能传感器动态测试采煤机液压系统的压力、流量和温度于一体，但同样存在灵敏度不高的问题。

技术实现要素：

本实用新型鉴于现有技术的不足，提出了一种基于Sagnac干涉仪的光纤液压增敏型传感器，其结构简单、灵敏度可根据测量求进行适当调节。

本实用新型包括如下内容：

一种基于Sagnac干涉仪的光纤液压增敏型传感器。包括半导体激光器(1)，光隔离器(2)，2*2光纤耦合器(3)，光偏振控制器一(4)，参考光纤绕环(5)，光偏振控制器二(6)，光纤液压增敏传感探头(7),光电探测器(8)，上位机解调系统(9)。半导体激光器(1)发出的光通过光隔离器(2)后进入2*2光纤耦合器(3)，耦合器将光波分成两束沿相反方向传输的波，其中顺时针方向传输的光分别通过环路中的光偏振控制器一(4)、参考光纤绕环(5)、光偏振控制器二(6)和光纤液压增敏传感探头(7)，逆时针的光反向依次通过上述各模块。两束光经过环路后再次到达耦合器(3)相干输出。耦合器的输出端接入光电探测器(8)进行光电转换，光电探测器(8)与上位机解调系统(9)相连。

本实用新型的原理是利用光纤的光弹效应，泊松效应和应变效应。当光纤长度发生变化，纤芯的物理性质变化引起纤芯折射率的改变，最后使光的相位发生变化。利用杠杆原理F₁l₁＝F₂l₂可调节力臂长度实现增敏的效果。另将参考光纤和传感光纤长度相差15％,会产生游标效应，对应的是两个不同周 期的刻度尺，参考光纤相当于标尺，传感光纤对应游尺，利用周期性的滤波特性的谐振峰漂移放大，将游标效应与相位解调联系在一起，实现相位灵敏度的倍增。

光纤通过光纤保护套管(701)后将传感光纤绕环(702)缠绕在空心敏感柱体(703)上，空心敏感柱体(703)与密封托盘(704)固定在一起放置于真空的密封舱内(705)，杠杆与舱口间隙放有密封护套(708)，右侧液油舱(713)顶部放置粉末合金(711)，舱内是液体(712)和高密度油(715)，中间是加有润滑油的密封活塞(714)，下面是连通空气的导油管(716)，整个探头结构放置于底座(717)之上。令右侧液油舱(713)内上方液体(712)密度ρ₁为0.8g/ml，液位高度h₁为100cm,下面高密度油(715)密度ρ₂为0.93g/ml，液位高度h₂为60cm则液体压强P₁＝ρ₁gh₁＝8×10⁵Pa,高密度油压强P₂＝ρ₂gh₂＝5.58×10⁵Pa，右侧液油舱(713)内上下形成压强差P＝P₁-P₂＝ρ₁gh₁-ρ₂gh₂＝2.42×10⁵Pa，令液油舱(713)的横截面积为10πcm²。当上面液体液位高度h₁不断变大，压强差发生改变，从而使中间的密封活塞(714)受到了向下的力产生运动F₂＝(P₁-P₂)S＝(ρ₁gh₁-ρ₂gh₂)S＝2.42×10²πN。将密封活塞(714)加入足够多的润滑油，使摩擦力造成的影响对整个系统结构可忽略不计。右侧联动装置与活塞连通并带动杠杆右侧下移，令杠杆左臂长为l₁，右臂长为l₂(l₁＜l₂)。根据杠杆原理条件，有F₁l₁＝F₂l₂，则杠杆左侧受到向上的力F₁＝F₂l₂/l₁,左侧联动装置(706)带动与之相连的空心敏感柱体(703)发生压缩。杠杆(709)的支撑杆(707)可在滑动卡槽内(710)移动并调节力臂长度。对于空心敏感柱体V＝πD²h/4(h为空心敏感柱体的高度。D为空心敏感柱体的直径，V为空心敏感柱体的体积)由于光纤长度与空心敏感柱体具 有如下关系L＝NπD所以令光纤硬度长度之积为k_fn＝E_f.A(E_f为光纤杨氏模量，A为光纤包层横截面积)，假设空心敏感柱体本身无能量损耗，则缠绕有光纤的空心敏感柱体的复合刚度系数为 (N为缠绕的圈数)当空心敏感柱体(703)受到力 最后得由此光纤液压增敏传感探头的受力大小与光纤的长度变化量成正比，由光纤的应力应变效应可知传输在其中的光的相位信号与光纤的拉伸量成正比。空心敏感柱体(703)发生压缩，从而缠绕在柱体上的传感绕环(702)上的光纤长度发生变化，进而引起光纤中传输光的相位发生变化，最后通过对光强信号的解调可以实现液体压强的测量。最后，通过光电探测器(8)将探测到的光强信号传递给上位机解调系统(9)软件将相位变化信息解调出来得到光纤长度的变化，即反演成压强信号的变化。

高双折射光纤Sagnac干涉仪入射光透射光的输出函数表达式:

根据光波传播能量守恒定律R+T＝1。当所处环境发生变化时，高双折射光纤的双折射会发生变化ΔB，此时传感光纤引起的相位差可表示为

其中B是高双折射光纤的双折射，L是高双折射光纤的长度，λ为工作波长。

每次向液体舱中加入500ml液体并记录读数与加入液体容量的关系，每加 500ml液体液位高度会增长1.1cm,将加入液体的容量换算成液位并将计数值换算成相位值，实验中光纤每拉伸30um记录一次数据，光纤总共拉伸长度为1.20mm。计数值每更改8个数值，相位变化2π，换算后可得伸长量与相位之间的变化可以表达式为最终得出液位高度变化量与相位变化量的表达式为

本实用新型主要创新点在于提出了一种基于Sagnac干涉仪的光纤液压增敏型传感器，通过一个可以改变力臂的杠杆结构使左右侧舱内的运动联系在一起，当右侧舱内油与液体形成的压强差发生变化时，杠杆带动左侧使左侧密封舱内的空心敏感柱体发生压缩使其缠绕在柱体上的光纤长度发生变化进而使光的相位发生改变，进而通过软件解调转变为压强的变化。同时，通过中间的可滑动调节力臂长度的装置对杠杆右侧的力臂可进行长度调节，利用杠杆原理F₁l₁＝F₂l₂使左右力臂可调节。另将参考光纤和传感光纤长度相差15％,会产生游标效应，对应的是两个不同周期的刻度尺，参考光纤相当于标尺，传感光纤对应游尺，利用周期性的滤波特性的谐振峰漂移放大，将游标效应与相位解调联系在一起，实现相位灵敏度的倍增。

本实用新型的有益效果：

与现有技术相比，一种基于Sagnac干涉仪的光纤液压增敏型传感器具有以下优点：1)具有抗电磁、抗腐蚀性；2)采用Sagnac干涉仪的结构，精度灵敏度较高；3)应用力学杠杆结构，起到了增敏的效果；4)系统及其结构比较简单，易于集成并投入实际应用。5)系统可靠性强，可进行长距离传输，使用寿命长，6)可实现液压高精度的测量。

附图说明

图1光纤干涉液压传感器系统框图。

图2光纤干涉液压传感器结构图。

图3光纤液压增敏传感探头结构图。

图中标记：

1.半导体激光器，2.光隔离器，3.2*2光纤耦合器，4.光偏振控制器一，5.参考光纤绕环，6.光偏振控制器二，7.光纤液压增敏传感探头，701.光纤保护套管，702.传感光纤绕环，703.空心敏感柱体，704.密封托盘，705.密封舱，706.杠杆联动装置,707.支撑杆，708.密封护套，709.杠杆，710.滑动卡槽，711.粉末合金，712.液体，713.液油舱，714.密封活塞，715.高密度油，716.导油管(连通空气)，717.底座，8.光电探测器，9.上位机解调系统。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种基于Sagnac干涉的液位传感器的系统框图。该实用新型包括半导体激光器，光隔离器，2*2光纤耦合器，光偏振控制器一二，参考光纤绕环，光纤液压增敏传感探头，光电探测器，相位解调系统这九大部分。半导体激光器发出的光通过光隔离器后进入2*2光纤耦合器，耦合器将光波分成两束沿相反方向传输的波，两路光分别通过传感臂和参考臂并形成相位差，回到耦合器发生干涉，输出端与光电检测电路相连，光电检测电路的输出信号进入相位解调系统中进行解调。最后，通过解调出来的相位差变化反演得出液压的变化。

实施例2

如图2所示，基于Sagnac干涉的光纤液压传感器结构图。该传感器结构包括1.半导体激光器，2.光隔离器，3.2*2光纤耦合器，4.光偏振控制器一，5.参考光纤绕环，6.光偏振控制器二，7.光纤液压增敏传感探头，8.光电探测 器，9.上位机解调系统。半导体激光器1与光隔离器2相连，光隔离器2的输出端与2*2光纤耦合器3相连，耦合器的两个输出端分为两路光并沿着相反方向传输，一路光依次通过光偏振控制器一4，参考光纤绕环5，光偏振控制器二6，光纤液压增敏传感探头7，另一路光则反向传输。两束光经耦合器后发生干涉，将耦合器的输入端端口与光电探测器8相连，光电探测器8的输出信号由数据采集卡采入上位机解调系统9。与空心敏感柱体(703)相连的结构装置是整个敏感结构的设计，下面将详细介绍。

此光纤干涉型液压传感器利用Sagnac干涉和力学杠杆原理特性制成的。

实施例3

如图3所示，为此Sagnac光纤干涉型液压传感器的压力敏感探头的结构图。由图3可知，右侧液油舱(713)上方放置粉末合金(711)，舱内上面液体(712)与密封活塞(714)下面的高密度油(715)会产生压强差，油舱有与空气连通的导油管(716)，当压强差发生变化时，密封活塞(714)会发生移动，带动上面杠杆联动装置发生移动，从而通过可一个可调节力臂的杠杆(709)(杠杆支撑杆(707)可在卡槽(710)内移动来调节力臂长度)带动左侧密封舱(705)内联动装置(706)向上移动，使密封托盘(704)上相连的空心敏感柱体(703)发生压缩，从而缠绕在柱体上的传感绕环(702)上的光纤长度发生变化，光纤再通过光纤保护套管(701)绕出去。其中密封护套(708)使在左右舱与杠杆之间间隙中起到密封的作用，整个探头装置放置于底座(717)之上。光纤的长度的伸缩从而使得Sagnac干涉系统中的参考臂和信号臂间的相对长度发生变化，进而引起光纤中传输光的相位发生变化，最后通过对光强信号的解调可以实现液体压强的测量。

在光纤液压增敏传感探头中，传感光纤绕环(702)上涂有硅胶层，防止在没 有压力时缠绕的传感光纤位置错乱。另缠绕在空心敏感柱体(703)上的传感光纤的匝数可以根据不同量程的需求进行更改。

实施例4

在上述实施例1-3中，所提到的导光光纤和传感光纤均为纤芯直径为9μm,包层直径为125μm的单模普通光纤，半导体激光器(1)的中心波长为1550nm，为高相干光源。光隔离器(2)损耗为0.5dB，隔离度可达60dB。2*2光纤耦合器(3)分光比为49.9：50.1，插入损耗小于0.5dB,回波损耗70dB。光偏振控制器一(4)二(6)采用三环片状装置。光纤液压增敏传感探头中空心敏感柱体的硅胶层所用硅胶在0-100摄氏度之间弹性模量基本稳定。另外，杠杆左侧密封舱及右侧油液舱采用树脂硅胶材料封装，厚度为0.3cm，长度为5cm,宽度为3cm。利用此光纤液压增敏传感探头对100cm液位高度的液体测量了20组数据，每加500ml液体液面上升1.1cm,初始精度可达到2.1cm,并对杠杆进行调节，使支撑杆向左滑动并调节力臂使之移动10cm测量精度可达到1cm,可检测到0.01m的液位变化。