叶片阻尼式光纤差压传感系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，壳体内设置有转动部，转动部的相对两侧均设置有隔板，壳体的内腔由转动部和隔板分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口，一隔板的一侧设置有阻尼弹簧，阻尼弹簧的一端固定，另一端固定于该隔板上，沿转动部的转动中心开设有通孔，通孔内固定设置有遮光片，遮光片的一侧设置有入射光纤，另一侧设置有接收光纤，且接收光纤的接收端面分为光纤接收部和非光纤接收部。以解决现有差压传感器实用性不强、局限性较大或仍处于概念期，无法得到推广使用，而较为常见的电阻式、电容式差压传感器也存在自身的缺点，在很多场合并不适用，无法满足实际压差测量要求的问题。本实用新型属于压差检测领域。
【专利说明】
叶片阻尼式光纤差压传感系统
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种传感系统，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，主要用于设备测量、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。基于此，本实用新型提出了一种新型的光纤束差压传感器探头。
【发明内容】
[0003] 本实用新型的目的在于：提供一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，以解决现有差 压传感器实用性不强、局限性较大或仍处于概念期，无法得到推广使用，而较为常见的电阻 式、电容式差压传感器也存在自身的缺点，在很多场合并不适用，无法满足实际压差测量要 求的问题。
[0004] 本实用新型的方案如下:一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，包括探头、光电转换 器和信号处理系统，探头包括壳体，壳体内设置有转动部，转动部的转轴与壳体的中心线相 平行，二者为非同轴结构，即相对偏心，转动部的相对两侧均设置有隔板，且隔板能随转动 部在壳体内相对转动，壳体的内腔由转动部和隔板分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应 设置有检测流体入口，一隔板的一侧设置有阻尼弹簧，阻尼弹簧的一端固定，另一端固定于 该隔板上，沿转动部的转动中心开设有通孔，通孔内固定设置有遮光片，遮光片的一侧设置 有入射光纤，另一侧设置有接收光纤，且接收光纤的接收端面分为光纤接收部和非光纤接 收部，接收光纤与光电转换器相连，光电转换器与信号处理系统相连；
[0005] 该传感器系统还包括光源、Y型耦合器和光纤，光源设置于光纤的一端用于产生光 纤信号，光纤的另一端经Y型耦合器耦合后分为入射光纤和参考光纤，入射光纤设置于遮光 片的一侧，参考光纤单独连接至一个光电转换器，且光电转换器均与信号处理系统相连，接 收光纤及参考光纤的光信号经光电转换后，再经滤波、整流并由信号处理系统对信号进行 分析处理。
[0006] 接收光纤的接收端面可以通过遮挡部件进行部分遮挡以形成非光纤接收部，未被 遮挡的部分即为光纤接收部，或接收光纤的接收端面仅有部分存在光纤，则存在光纤的部 分即为光纤接收部，没有光纤的部分即为非光纤接收部；
[0007] 检测流体压差时，流体流入两检测腔后，转动部发生转动带动遮光片转动，从而遮 光片遮挡部位发生变化，通过接收光纤中光纤接收部接收到信号的变化即可推算出转动部 的转动角度，从而即可推算出阻尼弹簧对隔板的施力大小，进而推算出两个检测腔内流体 的压强差；
[0008] 转动部对应隔板的位置设置有滑槽，隔板的一端均滑动设置于所对应的滑槽内， 隔板与其所在滑槽的底部之间压设有弹簧，隔板的另一端顶紧至壳体的内壁处，且隔板与 壳体的内壁间滑动密封；
[0009] 所述阻尼弹簧为刚度较强的阻尼弹簧，自由状态下，即两个检测腔内没有流体流 入或两检测腔内流体压强相同时，阻尼弹簧的形变为零，且阻尼弹簧与所对应隔板相垂直， 壳体的内壁处设置有凸点，所述阻尼弹簧的一端固定于该凸点上；
[0010]所述通孔、入射光纤和接收光纤同轴设置；
[0011]检测流体入口处还对应设置有滤网；
[0012] 所述接收光纤的截面外径与通孔的内径相同，所述遮光片与接收光纤的端面相平 行，遮光片为半圆形结构，且遮光片的直径与通孔的内径相同，光纤接收部和非光纤接收部 均为半圆形结构，且二者轴对称设置，即接收光纤的接收端面一半能够接收光纤信号，另一 半无法接收光纤信号，初始状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强 相同时，遮光片的遮挡部分恰好与非光纤接收部相重合；
[0013] 壳体具有圆筒形内腔，初始状态下，转动部的转动中心线和壳体内腔的中心线均 与隔板处于同一平面；
[0014]为保证结构更为紧凑，空间利用率更高，壳体采用扁平的筒形结构；
[0015] 利用上述光纤束差压传感系统检测流体压差的方法
[0016] 流体分别由检测流体入口流入两个检测腔，若两个检测腔内流体之间存在压强 差，则转动部和转动部相对两侧的隔板相对转动部的转动中心发生转动，并在设置于一隔 板一侧的阻尼弹簧的作用下达到平衡，转动的过程中遮光片也发生转动，并使遮光片两侧 对应设置的入射光纤和出射光纤中接收光纤的光纤接收量发生变化，从而推算得出遮光片 的转动角度，即转动部的转动角度，从而即可推算出阻尼弹簧对隔板的施力情况，进而推算 出两个检测腔内流体的压差。
[0017] 本实用新型与现有技术相比，主要优点如下:经过结构设计、理论研究与实验分析 可知，该传感器具有较小的结构、较高的精确度与可靠性、较好的适应性与互换性等优点， 实用性极强，输出信号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，该传感器能适用于众多压差检测场合。
[0018] 同时，该差压传感器采用转动式结构作为压力探测器件，在遇到流体压力时，转动 部及隔板偏移运动，仅需根据转动部的偏移角度即可计算出压力差，对于光纤传感的要求 更低，计算和测量更为简单，且检测不易受外界干扰，不易损坏，使用寿命更为长久，使得传 感器的可靠性、适应性及互换性都有了较大进步，适宜用作流体差压的测量;传感器的强度 补偿原理更为简单，实用性更强。
【附图说明】
[0019] 图1是该传感系统的原理图；
[0020] 图2是该传感系统中探头的剖面图；
[0021] 图3是该图2中A-A向的剖视图；
[0022] 图4是光纤设计结构图，其中，a为入射光纤入射端面的结构示意图，b为遮光板的 结构示意图，c是接收光纤接收端面的结构示意图；
[0023] 图5压强差与光通量的函数图像。
【具体实施方式】
[0024] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本实用新 型作进一步地详细描述，
[0025] 实施例：
[0026] 参照图1至图4,本实施例提供一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，包括探头1、光 电转换器2和信号处理系统3,信号处理系统3包括整流电路、滤波电路和计算机(处理器）， 探头1包括壳体11，壳体11采用扁平的筒形结构，且壳体11具有圆筒形内腔，壳体11内设置 有转动部12,转动部12的转轴与壳体11的中心线相平行，二者为非同轴结构，即相对偏心， 转动部12的相对两侧均设置有隔板13,且隔板13能随转动部12在壳体11内相对转动，初始 状态下，转动部12的转动中心线和壳体11内腔的中心线均与隔板13处于同一平面，具体为： 转动部12对应隔板13的位置设置有滑槽121，隔板13的一端均滑动设置于所对应的滑槽121 内（隔板13与滑槽121之间滑动密封），隔板13与其所在滑槽121的底部之间压设有弹簧19， 隔板13的另一端顶紧至壳体11的内壁处，且隔板13与壳体11的内壁间滑动密封，壳体11的 内腔由转动部12和隔板13分隔为两个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口 14， 检测流体入口 14处还对应设置有滤网141;
[0027] 其中一个隔板13的一侧设置有阻尼弹簧15,壳体11的内壁处设置有凸点111，阻尼 弹簧15的一端固定于该凸点111上，另一端固定于隔板13上，阻尼弹簧15为刚度较强的阻尼 弹簧，自由状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，阻尼弹簧 15的形变为零，且阻尼弹簧15与所对应隔板13相垂直；
[0028] 沿转动部12的转动中心开设有通孔122,通孔122内固定设置有遮光片16,遮光片 16的一侧设置有入射光纤17,另一侧设置有接收光纤18,且接收光纤18的接收端面分为光 纤接收部181和非光纤接收部182,接收光纤18与光电转换器2相连，光电转换器2与信号处 理系统3相连，该传感器系统还包括光源4、Y型耦合器5和光纤6,光源4设置于光纤6的一端 用于产生光纤信号，光纤6的另一端经Υ型耦合器5耦合后分为入射光纤17和参考光纤61，入 射光纤17设置于遮光片16的一侧，参考光纤61单独连接至一个光电转换器2,且光电转换器 2均与信号处理系统3相连，接收光纤18及参考光纤61的光信号经光电转换后，再经滤波、整 流并由信号处理系统3对信号进行分析处理。
[0029] 通孔122、入射光纤17和接收光纤18同轴设置，接收光纤18的截面外径与通孔122 的内径相同，所述遮光片16与接收光纤18的端面相平行，遮光片16为半圆形结构，且遮光片 16的直径与通孔122的内径相同，光纤接收部181和非光纤接收部182均为半圆形结构，且二 者轴对称设置，即接收光纤18的接收端面一半能够接收光纤信号，另一半无法接收光纤信 号，初始状态下，即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，遮光片16的 遮挡部分恰好与非光纤接收部182相重合；
[0030]接收光纤18的接收端面可以通过遮挡部件进行部分遮挡以形成非光纤接收部 182,未被遮挡的部分即为光纤接收部181，或接收光纤18的接收端面仅有部分存在光纤，则 存在光纤的部分即为光纤接收部181，没有光纤的部分即为非光纤接收部182,检测流体压 差时，流体分别由检测流体入口 14流入两个检测腔，若两个检测腔内流体之间存在压强差， 则转动部12和转动部12相对两侧的隔板13相对转动部12的转动中心发生转动，并在设置于 一隔板13-侧的阻尼弹簧15的作用下达到平衡，转动的过程中遮光片16也发生转动，并使 遮光片16两侧对应设置的入射光纤17和出射光纤18中接收光纤18的光纤接收量发生变化， 从而推算得出遮光片16的转动角度，即转动部12的转动角度，从而即可推算出阻尼弹簧15 对隔板13的施力情况，进而推算出两个检测腔内流体的压差。
[0031] 该传感器探头数学模型的计算
[0032] 在计算过程中我们设出壳体11内腔的高度取值为50mm，半径为R，隔板13两侧腔室 具有压力差，且重新达到平衡位置后，接收光纤18接收到的光纤强度的变化量为ΔΡ，隔板 13距离壳体11的中心的偏心距为e，阻尼弹簧劲度系数为k，阻尼弹簧与转动部12轴心的距 离为d，上叶片侧面面积(转动部12-侧隔板13的端面面积)SSi，下叶片侧面面积(转动部 12另一侧隔板13的端面面积)为&，上叶片长度(图1所示其中一个隔板13的长度)为1^，下叶 片长度（图1所示另一个隔板13的长度)SL 2，叶片偏转角（隔板13的偏转角度）Θ，小轮半径 (转动部12的半径)r2，小轮孔半径(通孔122的半径) ri。
[0033] 流体进入时，由于压力差，隔板产生不同的扭矩，其中Ti为流体产生的扭矩，T2为阻 碍扭矩得式(1)
[0034] Ti_T2 = d · F弹=kdx (1)
[0035] 可以求出X，又因为T= AP*T*L，变换得出（2)
[0036]
[0037] 从而可以求出变化量 [0038
[0039
[0040
[0041] 所以可以计算出通光量的表达式为：
[0046] bi = bU(,Ll-K2； b2 = t)U(,L2-K2； (.8；[0047] 则可求出光强度变化量的表达式为：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0048]
[0049] 为便于计算，我们取其中R = 5〇mm, ε = 1，e = 10mm，k = 100d = 40mm，Θ取值为〇~1 度，9 = (〇:〇.1:1)，由于0角很小山、1^、31、32可以近似认为不变，则令3 1 = 2〇〇〇!11111，32 = 1000mm，Li = 60mm，L2 = 40mm,并画出（Δ P、f)曲线如图5。当两侧压强差为0时，接收的光通 量为0,此时叶片（隔板13)处于起始位置。而随着两侧压强差的增加时，叶片平衡被打破实 现偏转，光通量随之改变，并具有良好的线性关系。
【主权项】
1. 一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，包括探头（1)、光电转换器(2)和信号处理系统 (3)，其特征在于:探头（1)包括壳体（11)，壳体（11)内设置有转动部（12)，转动部（12)的转 轴与壳体（11)的中心线相平行，转动部（12)的相对两侧均设置有隔板（13)，且隔板（13)能 随转动部（12)在壳体(11)内相对转动，壳体(11)的内腔由转动部（12)和隔板(13)分隔为两 个检测腔，两个检测腔均对应设置有检测流体入口（14)，一隔板（13)的一侧设置有阻尼弹 簧(15)，阻尼弹簧(15)的一端固定，另一端固定于该隔板(13)上，沿转动部（12)的转动中心 开设有通孔（122)，通孔（122)内固定设置有遮光片（16)，遮光片（16)的一侧设置有入射光 纤（17)，另一侧设置有接收光纤（18)，且接收光纤(18)的接收端面分为光纤接收部（181)和 非光纤接收部（182)，接收光纤（18)与光电转换器(2)相连，光电转换器(2)与信号处理系统 (3)相连。2. 根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，其特征在于:该传感器系统 还包括光源(4)、Y型耦合器(5)和光纤(6)，光源(4)设置于光纤(6)的一端用于产生光纤信 号，光纤(6)的另一端经Υ型親合器(5)親合后分为入射光纤（17)和参考光纤(61)，入射光纤 (17) 设置于遮光片（16)的一侧，参考光纤(61)单独连接至一个光电转换器(2)，且光电转换 器(2)均与信号处理系统(3)相连，接收光纤（18)及参考光纤(61)的光信号经光电转换后， 再经滤波、整流并由信号处理系统(3)对信号进行分析处理。3. 根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，其特征在于:转动部（12)对 应隔板（13)的位置设置有滑槽（121)，隔板（13)的一端均滑动设置于所对应的滑槽（121) 内，隔板(13)与其所在滑槽(121)的底部之间压设有弹簧(19)，隔板(13)的另一端顶紧至壳 体(11)的内壁处，且隔板(13)与壳体(11)的内壁间滑动密封。4. 根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，其特征在于：自由状态下， 即两个检测腔内没有流体流入或两检测腔内流体压强相同时，阻尼弹簧（15)的形变为零， 且阻尼弹簧（15)与所对应隔板（13)相垂直，壳体（11)的内壁处设置有凸点（111)，所述阻尼 弹簧(15)的一端固定于该凸点（111)上。5. 根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，其特征在于：所述通孔 (122)、入射光纤(17)和接收光纤(18)同轴设置。6. 根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，其特征在于:检测流体入口 (14)处还对应设置有滤网（141)。7. 根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，其特征在于:所述接收光纤 (18) 的截面外径与通孔（122)的内径相同，所述遮光片（16)与接收光纤（18)的端面相平行， 遮光片（16)为半圆形结构，且遮光片（16)的直径与通孔（122)的内径相同，光纤接收部 (181)和非光纤接收部（182)均为半圆形结构，且二者轴对称设置，即接收光纤（18)的接收 端面一半能够接收光纤信号，另一半无法接收光纤信号，初始状态下，即两个检测腔内没有 流体流入或两检测腔内流体压强相同时，遮光片（16)的遮挡部分与非光纤接收部（182)相 重合。8. 根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，其特征在于:壳体（11)具有 圆筒形内腔，初始状态下，转动部（12)的转动中心线和壳体（11)内腔的中心线均与隔板 (13)处于同一平面。9. 根据权利要求1所述一种叶片阻尼式光纤差压传感系统，其特征在于:壳体（11)为扁
【文档编号】G01L13/00GK205655956SQ201620499328
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年5月30日 公开号201620499328.7, CN 201620499328, CN 205655956 U, CN 205655956U, CN-U-205655956, CN201620499328, CN201620499328.7, CN205655956 U, CN205655956U
【发明人】胡浩, 孙泽坤, 粟杰, 王铮, 钟丽琼
【申请人】贵州大学