一种单活塞阻尼式光纤差压传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种传感器，属于光纤传感技术领域。
【背景技术】
[0002] 差压传感器广泛应用于工业中，主要用于测量设备、部件或流体在不同位置的压 力差，其广泛应用于尾气压差、气体流量、液位高低、洁净间监测等检测领域。现今，已出现 采用不同原理的差压传感器，例如电阻式、电容式、电感式、节流器式、磁性液体式、MEMS式 等，其中电阻式、电容式较为常见，其余类型由于实用性不强、局限性较大或仍处于概念期， 并未得到推广，但电阻式、电容式差压传感器也存在自身的缺点，在很多场合不能很好的胜 任。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于；提供一种单活塞阻巧式光纤差压传感器，W解决现有差压传 感器在很多场合并不适用，实用性不强，测量精度不够，无法满足实际压差测量要求的问 题。 本发明的方案如下；一种单活塞阻巧式光纤差压传感器，包括探头结构、光敏元件和 信号处理模块，所述探头结构包括包括壳体，壳体为筒形结构，壳体内滑动设置有活塞，活 塞的两端分别设置有一个弹黃，两个弹黃的一端均固定于活塞上，壳体的两端分别密封固 定有端盖，两个弹黃的另一端分别固定于所对应的端盖上，两个端盖上的相对位置上分别 开设有一个贯通所在端盖的探头插孔，两个探头插孔内分别密封设置有透光片，两个探头 插孔内位于透光片的外侧分别设置有指向活塞的光纤探头，光纤探头均与活塞的端面相垂 直，活塞两端与光纤探头相对的位置处分别固定有反光片，壳体两端的侧壁上或两个端盖 上分别开设有一个与壳体内腔连通的流体通孔，两个光纤探头中接收光纤的出射端分别与 一个光敏元件相连，每个光敏元件对应连接有一个信号处理模块。
[0004] 优选地，光纤探头中的光纤束包括入射光纤和出射光纤，入射光纤与接收光 纤在光纤探头内相互平行设置，入射光纤共一根，接收光纤是单根尺寸参数为50 + 3 媒1卽勺多模光纤，接收光纤W入射光纤为中屯、依次紧密排布组成一圆形的光纤束结构，且入 射光纤与接收光纤之间的边界距离为130-140 ; 优选地，两个弹黃的结构及规格均相同，在流体通孔均与外部大气相连通的状态下，活 塞位于壳体的正中央位置，两个弹黃均处于自然状态，即弹黃无拉伸与压缩形变； 优选地，两个探头插孔均开设在所在端盖的正中屯、位置，两个探头插孔、活塞=者同 轴，自然状态下，其中一个光纤探头到该光纤探头所对应的反光片的距离与另一个光纤探 头到另一个反光片的距离相同； 优选地，透光片为玻璃片，透光片均设置于探头插孔位于端盖内侧的端口处； 优选地，探头插孔内设置有内螺纹，光纤探头分别旋紧固定于探头插孔内； 优选地，端盖的中部设置有伸入壳体内的凸起部，凸起部与壳体内壁之间设置有密封 圈，凸起部上沿壳体的长度方向开设有弹黃定位槽，弹黃定位槽为环形槽，且弹黃定位槽的 内径小于等于弹黃内径，弹黃定位槽外径大于等于弹黃的外径，弹黃的一端伸在并固定于 弹黃定位槽内； 优选地，凸起部是与壳体内径相匹配的圆柱形结构； 优选地，两个流体通孔分别开设于壳体两端的侧壁上，每个流体通孔与位于该端的端 盖上的凸起部相对应，凸起部上对应流体通孔的位置处开设有与弹黃定位槽相连通的通 孔，流体依次通过流体通孔和通孔流入到壳体内部的腔室内； 优选地，活塞与壳体的内壁之间设置有密封圈，端盖与壳体的内壁之间也设置有密封 圈； 优选地，活塞的材质为硬质合金； 传感器的工作原理为；入射光纤另一端与光源对接，用W禪合入射光，接收光纤出射端 与光敏元件连接，输出光强度信号，通过两个流体通孔分别通入两种待测流体，当左右两侧 检测腔内的流体压力相等时，活塞处于中部平衡位置，活塞上的轴向合力为零，活塞不产生 轴向位移；当活塞左右两侧检测腔内的流体存在压力差时，活塞失去平衡，向压力较低的一 侧滑动，从而压缩该侧阻巧弹黃，另一侧阻巧弹黃被拉伸，活塞运动到一个新的轴向合力为 零的平衡位置。活塞处于中部平衡位置时，传感器两侧相同结构的光纤束与活塞端面反光 片之距离相等，从而两光纤束接收光纤的输出光信号强度相等，光敏元件把光信号转化为 电信号，该信号经过信号处理模块放大、整流、滤波等处理环节，并配合相应的算法计算，可 W得出两检测位置的流体压力差，经光电转换及信号处理计算后输出值为1;活塞向低压 一侧滑动后，低压侧光纤束与活塞端面反光片距离减小，接收光纤的输出光信号强度减弱， 而高压侧光纤束与活塞端面反光片距离增大，接收光纤的输出光信号强度增强，经光电转 换及信号处理计算后输出值将成倍变化，从而提高了检测灵敏度。通过最终输出值大小的 变化，即可判断出传感器两检测腔内流体之间的压力差大小，实现对不同位置压力差的检 测。
[0005] -、该传感器强度补偿原理 参照图3,该方法中光源S发出的光经过?禪合器等分为两路，一路进入探头Ml侧， 经反射后到达光电探测器A，另一路进入探头侧，经反射后到达光电探测器巧2。那么 两光电探测器的输出信号分别为：
式中；S为光源输出的光功率；ir为入射光纤的透过率；為为接收光纤的透过率；巧I、^?3为光探测器的灵敏度为禪合比。
[0006] 对為、/2相除可得：
根据上式可W得出，经过计算处理的输出信号消除了光源的功率波动与禪合器的误 差。同时在设计中采用对称设计，亦可消除光纤损耗带来的误差。选用稳定的光电检测元 件，从而避免光电检测元件引入的误差。
[0007] 二、传感器数学模型 2. 1强度调制数学模型 本发明的每一侧检测腔的检测原理均与反射式强度调制光纤传感器相同，如图4所 示，光纤束中的出射光纤77发出的光照射到反射片上，经过反射片反射后，再传送到光纤 束中的接收光纤思端面。只有当反射光锥端面与接收光纤端面存在重合面积时，反射光才 能被接收光纤接收。在光纤束与反光片的距离诚:生变化时，根据反射定理，随着巧^断变 大，光锥底端从小变大，从没有进入接收光纤端面，到逐渐进入接收光纤端面，再到完全覆 盖，随着-步的增大，反射光和其覆盖面积不再变化，但强度仍因远离而不断变小。下 面对该一过程进行定量分析： 设传感器的光强调制函数为％是思接收的光通量与77发送的光通量之比，它反映出 反射式强度调制光纤传感器的强度调制特性。在该里为了数学模型的简化，W及计算的方 便，在不影响强度调制特性曲线分布规律的情况下，对光纤出射光场强度分布与反射后的 光场强度分布进行忽略，不妨假设出射光强沿径向呈均匀分布，那么在反射光锥端面上的 光照度即为：
(1) 式中巧为入射光的光功率损耗系数；&^为光源禪合到发射光纤中的光通量；货％反射 光锥端面的半径。
[0008] 又认为反射光锥端面的光照度均匀分布，那么接收光纤的输入光通量即为：
(2) 式中A为接收光纤的损耗系数，5为反射光锥端面和接收光纤端重合面积。
[000引则光强调制函数物J:
(3) 因为光功率损耗系数对于已经确定的传感器系统而言为定值，那么廚直的大小主要由 5^与7?"的比值确定。
[0010] (3)式中反射光锥端面半径佈T由下式计算：
(4) 式中；5为发射光纤半径，倘为光纤的数值孔径，巧/光纤探头与反光片之间的距离。
[0011] (3)式中反射光锥端面和接收光纤端重合面积5可由下式计算：
(5) 式中；Z为发射光纤与接收光纤的中屯、距，5为接收光纤半径，为光锥底端与接收 光纤端面相交后形成的圆屯、角
[0012]为了使本发明设计的传感器具有良好的线性度与灵敏度，设计中使传感器初始状 态工作于上述强调制函数础勺前坡曲线段的中间位置附近，此时对应的反射光锥端面和接 收光纤端重合面积公与（5)式中的第二式，那么本发明传感器单侧强度调制模型为：
2. 2传感器数学模型 下面分析传感器强度调制模型与压差之间的关系，已知两端流体的压强分别为巧、巧， 则传感器活塞两侧所受流体压力分别为：
(7) 式中；传感器活塞两侧的截面积相等，即5k=S3 =S; 又对活塞两测进行受力分析有：
(8) 式中；&为弹黃初始形变量，为活塞位移量，为两侧弹黃刚度系数，又两侧弹黃 相问，所= ^ =t。
[001引贝lj(8)式可简化为； 巧-巧(9) 联立（7)、（9)式有；
（10) 由于传感器尺寸与阻巧弹黃已经在设计阶段确定，所W上式（10)中&与S为常数，那 么活塞位移量A*：与传感器两侧压力差成正比。
[0014] 又设兩为传感器内两侧光纤束与反光片之间的初始距离；马、车为传感器内弹 黃发生变形后，两侧光纤束与反光片之间的距离，其中马为高压侧、马为低压侧。则有：
把（12)、（13)式分别代入（6)式可得到传感器在两侧检测腔出现压力差时，两侧检测 腔的强度调制函数?、如不难看出4、运为关于AP的一元函数，因为?、#中的其它参数在传 感器设计阶段就已确定，所W均为常数。为了消除光源的强度波动对传感器带来的误差，传 感器输出值为4、姿的比值，从而对传感器进行强度补偿。因此，传感器数学模型可表示为：
(14) 通过上述数学模型即可得到传感器两侧压力差AF与输出光信号大小的关系。
[0015] 立、结果与分析 根据^上理论基础和公式，选取初始值n=。-Imw、脚=〇l5、=〇獅《?、￡ = 2mm、山[:认0mm变化到0. 3mm，即是两端传输距离|||从0. 866mm到1. 166mm，ii|从0. 866mm至Ij 0. 566mm时，传感器的输出结果。经过仿真实验，对应位移增加一侧(高压侧)光通量变化如 图5所示；对应位移减小一侧(低压侧）光通量变化如图6所示； 根据图5不难看出，高压侧的光通量随着活塞的远离而呈递增趋势，且具有较好的线 性度。该是因为传感器初始状态工作于强调制函数础勺前坡曲线段中间位置附近，即反射 光锥端面与接收光纤端面处于相交状态，此时随着距离端]递增，禪合进入到接收光纤的 光强度增大，所W高压侧光通量呈递增趋势，同时保持较好的线性度。
[0016] 根据图6不难看出，低压侧的光通量随着活塞的远离而呈递减趋势，同样具有较 好的线性度。与高压侧同理，此时随着距离端]减少，会使禪合进入到接收光