专利名称：一种光纤f-p压力传感器及其压力液位传感装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种压力传感器，尤其涉及一种光纤F-P压力传感器及其压力液 位传感装置。
背景技术：
关于F-P腔的设计有许多种，应用于液位测量的F-P腔压力液位传感器的设计主 要集中于敏感位移及其对应压力的弹性元件的设计。已有的方案包括早期的硅片、殷钢片 和波登管，以及近期出现的大线性范围的波纹管。
硅片、殷钢片的缺点是线性弹性范围小，结构复杂，量程受限；而波纹管虽然较好
地解决了大量程的问题，但是在测量精度上又显不足。
而采用压力仪表常用的压力膜盒/片的设计尚未见过报道。
发明内容本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种光纤F-P压
力传感器及其压力液位传感装置。 本实用新型的目的是这样实现的 1、设计原理 (1)利用压力膜盒/片将液体压强转换为线性位移 假定在密度均匀的条件下(对于大多数成品油储运罐/车是合理的)，液体内部的 压强与其深度成正比，如果能测量出液体底部的压强，那么可以反推液体底部与液面的距 离，从而测量出液位。液体的内部压强与深度的关系为 p= Pgh错误!未找到引用源。 式中p为液体的密度，g为重力加速度，p为液体内深为h处的压强。 当液体密度p—定时，将压力传感器置于容器底部，通过检测压强就可以获得容
器内液体高度的信息。
(2)通过光纤F-P腔测出该微位移从而获得液位的高度 光纤F-P腔是基于波动光学中的双光束干涉原理。为方便说明问题，我们假设两 表面反射光的光强度相等，两反射面的反射率较小，则可把F-P腔看作低精细度装置，近似 为双光束干涉，则双光束反射叠加后的光强输出为 /"。COS(7 + 。错误！未找到引用源。
乂 式中，A为光源的波长，S为F-P腔两反射面相应反射光束的初始光程差。 弹性片会因该处的压强变化产生微位移，由此产生相应的光程差，测量出该光程 差，即可得到压强的变化量，进而计算得到液位值。 2、工艺结构方面 本实用新型采用常规压力仪表中通用的压力膜盒/片做敏感元件，工艺成熟，不
3仅克服了现有硅晶片、波登管(Bourdon tube)等敏感元件弹性范围和工艺的限制，更提高 产品的稳定性，降低了成本。 具体地说， 一种光纤F-P压力传感器的结构是 本传感器包括压力注入孔、压力膜盒/片、支撑件、光纤固定孔、传导光纤和气压 平衡孔； 中心设置有压力注入孔的压力膜盒/片与支撑件开口的周边密封连接；在支撑件
底面的中心设置有光纤固定孔和气压平衡孔，光纤固定孔连接有传导光纤； 在传导光纤的端面和压力膜盒/片的中心平面间构成一个非本征F-P腔。
其工作原理是 将传感器的压力注入孔和被测液体连通，压力膜盒/片在液体压力的作用下发生 形变(下凹)，从而改变F-P腔上下两个反射端面的间距，即F-P腔的腔长发生改变。从传 导光纤输入激光，使从F-P腔两个端面反射回来的同频激光发生干涉，再测量输出光强的 相位变化量，经过换算得到相对应的液位高度。 本实用新型具有下列优点和积极效果 ①传感器结构简单，体积小，方便安装，压力分辨率高，非常适合量程较小而精度 高的测量需求； ②根据量程非常方便地调换敏感元件以适用于不同的测量需求； ③成本低廉，对光源波长没有特殊要求。 本实用新型适用于中小型化学储液、油罐，化学品/油储运罐车以及各种类型的 液态储运设备的储运量计量。
图1是光纤F-P压力传感器结构示意图； 图2是基于光纤F-P压力传感器的压力液位传感装置结构方框图； 图3是功率控制单元结构方框图。 其中 10-光纤F-P压力传感器(简称传感器)，11-压力注入孔， 12-压力膜盒/片，13-支撑件， 14-光纤固定孔， 15-光纤， 16-压力平衡孔； 20-窄线宽光源； 30-功率控制单元， 31-模数转换器(A/D) ， 32-单片机， 33-数模转换器(D/A); 40-3dB耦合器； 50-光电探测器； 60-信号处理与显示单元。 英译汉 F-P :Fabry-Perot，法布里-珀罗，光干涉； DFB -distributed feedback Bragg，分布反馈布拉格式； PIN :positive-intrinsic-negative， p型_本征型_n型；具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明 —、光纤F-P压力传感器(简称传感器)10 1、总体 如图l，本传感器10包括压力注入孔11、压力膜盒/片12、支撑件13、光纤固定孔 14、传导光纤15和气压平衡孔16 ; 中心设置有压力注入孔ll的压力膜盒/片12与支撑件13开口的周边密封连接； 在支撑件13底面的中心设置有光纤固定孔14和气压平衡孔16，光纤固定孔14连接有传导 光纤15 ; 在传导光纤15的端面和压力膜盒/片12的中心平面间构成一个非本征F-P腔。 2、功能块 1、压力注入孔11 压力注入孔11是一种设置在压力膜盒/片12上面的短管，通过橡胶管和被测液 体连通。 2、压力膜盒/片12 压力膜盒/片12是一种常规压力仪表用弹性元件，特殊的波纹结构设计，保证中 心点处的位移与压力成线性关系，即保证压力(液位)与F-P腔上下两个反射端面间距光 干涉相位变化为线性关系。 3、支撑件13 支撑件13是一种与压力膜盒/片12同材质的金属圆盖，设置有光纤固定孔14和 气压平衡孔16，具有固定光纤15、形成F-P腔和平衡气压的作用。 4、光纤固定孔14 光纤固定孔14是一种圆柱形突出于支撑件13底面的开孔；其功能是调节光纤15 的端面位置以获得最佳干涉效果，并固紧传导光纤15防止由于机械作用导致干涉光功率 的变化。 4、传导光纤15 传导光纤15是一种在普通通信光纤顶端进行了特殊处理(镀膜或者增加准直器) 的光纤；其功能是与压力膜盒/片12反射面中心一起形成F-P腔和光传导。 16、气压平衡孔16 气压平衡孔16是支撑件13底部设置的小孔，和大气连通，起平衡气压的作用。 二、基于光纤F-P压力传感器的压力液位传感装置(简称传感装置) 1、总体 如图2，本传感装置包括传感器10、窄线宽光源20、功率控制单元30、3dB耦合器 40、光电探测器50和信号处理与显示单元60 ; 功率控制单元30和窄线宽光源20连接； 窄线宽光源20的输出端和3dB耦合器40的输入端连接；3dB耦合器40的输出端
分别与传感器10和光电探测器50连接； 光电探测器50和信号处理与显示单元60连接。[0073] 其工作原理是 窄线宽光源20发出光功率为I。的光，经3dB耦合器40后，分别到达传感器10中 的光纤15的端面和压力膜盒/片12的中心面并被反射，两束反射光经3dB耦合器40合光
后发生干涉，干涉光经下光路到达光电探测器50的光功率/ = /。0)3(了/ + 。，其中，A为
乂
光源的波长，S为F-P腔两反射面相应反射光束的初始光程差。经信号处理与显示单元60
计算得到压力值，再通过液体内部压强-液位的关系即可求出液位值。 2、功能块 1、传感器10 传感器10即光纤F-P压力传感器，结构如图1，已述。 2、窄线宽光源20 窄线宽光源20是一种窄线宽激光光源；保证F-P腔长满足相干长度的要求； 选用中心波长为1550nm的半导体DFB激光器。 窄线宽光源20中有内置光电探测器，内置光电探测器是一种通用光电二极管，完
成光信号到电信号的转换，提供电输出引脚。 3、功率控制单元30 功率控制单元30是一种光功率反馈控制电路，根据窄线宽光源20监测光功率的
变化，实时控制注入电流的大小，以确保窄线宽光源20输出功率的稳定。 功率控制单元30为自制设备，放置在窄线宽光源20控制板上。 如图3，功率控制单元30包括模数转换器(A/D)31、单片机32和数模转换器(D/
A) 33，和窄线宽光源20组成反馈控制； 窄线宽光源20、模数转换器(A/D)31、单片机32、数模转换器(D/A) 33和窄线宽光 源20前后依次闭环连接。 其工作原理是当窄线宽光源20由于温度等因素导致输出光功率变动时，首先经 由窄线宽光源20中的内置光电探测器光电转换，再经由模数转换器(A/D)31模数转换，后 被单片机32识别，并通过数模转换器(D/A)33数模转换，控制窄线宽光源20的供给电流来
保持输出光功率的稳定。 (1)模数转换器(A/D)31 模数转换器(A/D)31是一种将模拟信号转换为数字信号的通用器件；用于将光电 转换来的电信号转换为单片机32需要的数字信号，供单片机32处理； 选用美国ADI公司的AD7708芯片。 (2)单片机32 单片机32是一种通用可编程中央处理器；实现对窄线宽激光器功率变动的判断 和控制； 选用ARM7系列440DX芯片。 (3)数模转换器(D/A)33 数模转换器(D/A) 33是一种将数字信号转换为模拟信号的通用器件；用于将单片 机33的输出控制命令转换为控制激光器20的电流信号； 选用美国ADI公司的AD5663芯片。
6[0097] 4、3dB耦合器40 3dB耦合器40是一种常用光功率分配器，将窄线宽光源20的光分为两路一路和 传感器10连接；一路和光电探测器50连接； 本实用新型选用1X2型、分光比为50 : 50的光纤耦合器。 5、光电探测器50 光电探测器50是一种低噪声高灵敏度光电转换器； 本实用新型选用同轴尾纤型PIN光电探测器。 6、信号处理与显示单元60 信号处理与显示单元60是一种常用的包括微处理器、放大、滤波、模数转换和显 示电路；微处理器选用FPGA系列。
权利要求一种光纤F-P压力传感器，其特征在于本传感器(10)包括压力注入孔(11)、压力膜盒/片(12)、支撑件(13)、光纤固定孔(14)、传导光纤(15)和气压平衡孔(16)；中心设置有压力注入孔(11)的压力膜盒/片(12)与支撑件(13)开口的周边密封连接；在支撑件(13)底面的中心设置有光纤固定孔(14)和气压平衡孔(16)，光纤固定孔(14)连接有传导光纤(15)；在传导光纤(15)的端面和压力膜盒/片(12)的中心平面间构成一个非本征(F-P)腔；所述的F-P为光干涉。
2. 按权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器，其特征在于 压力膜盒/片(12)是一种中心点处的位移与压力成线性关系的弹性元件。
3. 按权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器，其特征在于支撑件(13)是一种与压力膜盒/片(12)同材质的金属圆盖，设置有光纤固定孔(14) 和气压平衡孔(16)。
4. 按权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器，其特征在于光纤固定孔(14)是一种便于调节光纤的位置、夹角与固定的圆柱形突出于支撑件 (12)底面的开孔。
5. 按权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器，其特征在于 传导光纤(15)是一种在普通通信光纤顶端进行镀膜或者增加准直器的光纤。
6. 基于权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器的压力液位传感装置，其特征在于本传感装置包括传感器(10)、窄线宽光源(20)、功率控制单元(30)、3dB耦合器(40)、 光电探测器(50)和信号处理与显示单元(60); 功率控制单元(30)和窄线宽光源(20)连接；窄线宽光源(20)的输出端和3dB耦合器(40)的输入端连接；3dB耦合器(40)的输出 端分别与传感器(10)和光电探测器(50)连接；光电探测器(50)和信号处理与显示单元 (60)连接。
7. 按权利要求6所述的压力液位传感装置，其特征在于窄线宽光源(20)是一种窄线宽激光光源，选用中心波长为1550nm的半导体DFB激光 器；窄线宽光源(20)中有内置光电探测器。
8. 按权利要求6所述的压力液位传感装置，其特征在于功率控制单元(30)的结构是 窄线宽光源(20)、模数转换器(31)、单片机(32)、数模转换器(33)和窄线宽光源(20)前后依次闭环连接组成反馈控制电路。
9. 按权利要求6所述的压力液位传感装置，其特征在于 3dB耦合器(40)选用1X2型、分光比为50 : 50的光纤耦合器。
10. 按权利要求6所述的压力液位传感装置，其特征在于信号处理与显示单元(60)是一种常用的包括微处理器、放大、滤波、模数转换和显示 的电路，微处理器选用FPGA系列。
专利摘要本实用新型公开了一种光纤F-P压力传感器及其压力/液位传感装置，涉及一种压力传感器。本传感器的结构是中心设置有压力注入孔的压力膜盒/片与支撑件开口的周边密封连接；在支撑件底面的中心设置有光纤固定孔和气压平衡孔，光纤固定孔连接有传导光纤；在传导光纤的端面和压力膜盒/片的中心平面间构成一个非本征F-P腔。本传感器结构简单，体积小，方便安装，压力分辨率高，非常适合量程较小而精度高的测量需求；根据量程非常方便地调换敏感元件以适用于不同的测量需求；成本更低廉，对光源波长没有特殊要求；适用于中小型化学储液、油罐，化学品/油储运罐车以及各种类型的液气态储运设备的储运量计量。
文档编号G01F23/24GK201508266SQ20092008774
公开日2010年6月16日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者李玉林, 童斌, 黎敏 申请人:武汉光子科技有限公司