一種雙活塞光纖流體差壓傳感器及其強(qiáng)度補(bǔ)償性能

胡 浩，羅 毅，鐘麗瓊

（貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽550003）

1 引言

光纖傳感技術(shù)是隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而形成的嶄新技術(shù)，興起于上世紀(jì)的七十年代末，因?yàn)楣饫w傳感器具有一些非常優(yōu)越的性能，所以越來越受到人們的青睞。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)越來越多的應(yīng)用于不同傳感器的開發(fā)［1-7］，如光纖微彎傳感器、光纖受抑全內(nèi)反射傳感器、光纖輻射傳感器、光纖M-Z干涉儀、光纖F-P干涉儀、光纖電流傳感器、光纖布拉格光柵傳感器、分布式光纖傳感器、BOS晶體光纖電場(chǎng)傳感器等，而按工作原理區(qū)分，這些傳感器分別為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器、偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器與頻率調(diào)制型光纖傳感器。近年，也有學(xué)者把光纖傳感技術(shù)融入到差壓傳感器的開發(fā)，文獻(xiàn)［8-9］提出了一種反射式光纖差壓傳感器，文獻(xiàn)［10］提出了一種雙C型彈簧管光纖差壓傳感器，文獻(xiàn)［11］提出了一種布拉格光柵光纖差壓傳感器，但相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告不多，主要集中在光纖強(qiáng)度調(diào)制差壓傳感器與光纖光柵差壓傳感器兩方面。其中，強(qiáng)度調(diào)制型較之光纖光柵型而言，雖然精度略低，但輸出信號(hào)易于處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且能滿足大多場(chǎng)合的檢測(cè)需求，因此得到了較多的研究。但現(xiàn)有研究通常為基于敏感元件形變的光強(qiáng)檢測(cè)，其線性度較差，且對(duì)其強(qiáng)度補(bǔ)償未做深入研究，而輸入光強(qiáng)的波動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來的誤差又不容忽視。在此背景下，本文提出了一種雙活塞對(duì)稱式的光纖差壓傳感器結(jié)構(gòu)，把基于敏感元件形變的檢測(cè)轉(zhuǎn)換為對(duì)微小位移的檢測(cè)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)傳感器進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償研究，為這種新型差壓傳感器的實(shí)現(xiàn)提供一定的研究基礎(chǔ)。

2 傳感器系統(tǒng)

2.1 傳感器探頭

雙活塞光纖差壓傳感器探頭結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該傳感器探頭為左右對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，每一側(cè)均包括活塞、阻尼彈簧、端蓋、檢測(cè)腔、引流口、過濾網(wǎng)、高透玻璃、反光片、光纖探頭、通氣孔等部分，左右兩側(cè)共用外殼體與隔板。當(dāng)左右兩側(cè)檢測(cè)腔內(nèi)流體存在壓力差時(shí)，在活塞作用下，阻尼彈簧受壓縮程度會(huì)不同，從而使左右兩光纖探頭輸出的接收光強(qiáng)度大小不同，通過對(duì)接收光強(qiáng)度的比較既能判斷出左右兩檢測(cè)腔內(nèi)的流體壓力差。

圖1 傳感器探頭Fig.1 Sensor Probe

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖差壓傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)由光源、Y型耦合器、入射光纖、接收光纖、傳感器探頭、光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路、計(jì)算機(jī)等部分組成。圖示系統(tǒng)分為上下兩部分，兩部分的光路及信號(hào)處理模塊均相同，上側(cè)光源發(fā)出的光耦合進(jìn)入到入射光纖，再由Y型耦合器等分為兩路，一路為參考光，直接由光纖出射到光電探測(cè)器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。另一路為檢測(cè)光，由入射光纖進(jìn)入到傳感器探頭，照射在探頭內(nèi)活塞上的反光片上，經(jīng)反光片反射后再進(jìn)入到接收光纖內(nèi)，再經(jīng)接收光纖出射到光電探測(cè)器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。出射的參考光與檢測(cè)光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、濾波，再進(jìn)行比值運(yùn)算，從而得到上側(cè)光路的檢測(cè)輸出值；同理，下側(cè)光路通過上述過程，亦能輸出對(duì)應(yīng)的檢測(cè)值，對(duì)上下側(cè)光路的檢測(cè)值再進(jìn)行差值運(yùn)算，既能得出傳感器差壓檢測(cè)的輸出值，最后在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行顯示。

圖2 傳感器系統(tǒng)Fig.2 Sensor System

3 強(qiáng)度補(bǔ)償原理

傳感器為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，其調(diào)制原理是根據(jù)測(cè)出的光強(qiáng)變化來獲取被傳感參量變化的信息，那么光源、光纖、光纖耦合器、光電探測(cè)器等引起的光強(qiáng)變化是該傳感器的主要誤差來源，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償，以盡可能的消除誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。傳感器的強(qiáng)度補(bǔ)償原理，如圖3所示。圖中光源S1與S2發(fā)出的光耦合進(jìn)入到光纖內(nèi)，經(jīng)過耦合器Y1與Y2后，分別分為兩路，一路由入射光纖L1、L3進(jìn)入到傳感器探頭M1、M2，經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制后到達(dá)光電探測(cè)器C1、C3，另一路由參考光纖L2、L4進(jìn)入到光電探測(cè)器C2、C4，則探測(cè)器C1、C2所得光信號(hào)分別為：

圖3 傳感器強(qiáng)度補(bǔ)償原理圖Fig.3 Sensor Strength Compensation Schematic Diagram

其比值為：

探測(cè)器C3、C4所得光信號(hào)分別為：

其比值為：

那么傳感器最終輸出信號(hào)為：

從上述（2）式與（4）式不難看出，通過比值計(jì)算可以消除光源功率波動(dòng)及耦合器所引起的誤差，這部分誤差是本傳感器檢測(cè)的主要誤差來源。但不能消除光纖損耗與光電探測(cè)器靈敏度變化引起的誤差，設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量使入射光纖與參考光纖保持相同結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，并使光電探測(cè)器靈敏度穩(wěn)定，從而就能使傳感器檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

如果假設(shè)光纖損耗與光電探測(cè)器靈敏度變化引起的誤差可以忽略不計(jì)，則上述（6）式即為：

（7）式說明，此時(shí)傳感器的輸出信號(hào)R僅與傳感器兩側(cè)光纖探頭的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)相關(guān)，所以當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定以后，輸出信號(hào)R僅與傳感器兩側(cè)檢測(cè)腔壓力差有關(guān)。

4 強(qiáng)度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

利用上述傳感器系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩光源選用波長(zhǎng)相同的紅光二極管，其波長(zhǎng)為650nm，光電探測(cè)器選用光敏電阻，接入到光強(qiáng)度信號(hào)處理電路，進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換與處理，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的最終計(jì)算與顯示。強(qiáng)度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)傳感器樣機(jī)，如圖4所示。為了試制方便，在不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下，把傳感器探頭左右檢測(cè)腔進(jìn)行了分開加工。

圖4 傳感器樣機(jī)Fig.4 Sensor Prototype

實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)，為了使左右兩接收光纖輸出光強(qiáng)度相等，傳感器兩檢測(cè)腔內(nèi)均不引入壓力流體，兩檢測(cè)腔內(nèi)壓力均為零，不存在壓力差。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)光源S1與S2的輸出功率，紀(jì)錄下不同光源功率時(shí)未進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)妮敵鲭妷?，左右兩光源輸出功率分別按照100%輸出、80%輸出、60%輸出依次循環(huán)進(jìn)行，每一次循環(huán)讀取一組數(shù)據(jù)，共記錄3組9次數(shù)據(jù)，測(cè)試出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1、表2所示。表1、表2數(shù)據(jù)的曲線形式，如圖5～圖6所示。

表1 光源功率變化時(shí)輸出電壓Tab.1 Output Voltage of Light Source with Power Change

表2 強(qiáng)度補(bǔ)償后輸出值Tab.2 Output after Strength Compensation

圖5 光電探測(cè)器輸出電壓Fig.5 Output Voltage of Photodetector

圖6 強(qiáng)度補(bǔ)償輸出值Fig.6 Intensity Compensation Output Value

從上表1不難看出，當(dāng)光源S1功率發(fā)生變化時(shí)，左側(cè)光電探測(cè)器C1與光電探測(cè)器C2的輸出電壓會(huì)隨之發(fā)生較大的變化；當(dāng)光源S2功率發(fā)生變化時(shí)，右側(cè)光電探測(cè)器C3與光電探測(cè)器C4的輸出電壓也會(huì)隨之發(fā)生較大的變化，這一點(diǎn)從圖5中所示的曲線也能清楚的看出，圖中的曲線在光源功率波動(dòng)時(shí)均呈現(xiàn)規(guī)律性的鋸齒狀變化，最大輸出值比最小輸出值增大67%左右。這說明，光源的輸出功率波動(dòng)對(duì)光電探測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)影響較大，如果按照此輸出值作為最終的檢測(cè)值是不可靠的。而表2所示即為強(qiáng)度補(bǔ)償后的輸出值，從表中不難看出，經(jīng)過強(qiáng)度補(bǔ)償后，左側(cè)輸出值I12均在1附近波動(dòng)，最大輸出值僅比最小輸出值大2.5%左右；右側(cè)輸出值I34也在1附近波動(dòng)，最大輸出值比最小輸出值大3.1%左右。這說明經(jīng)過強(qiáng)度補(bǔ)償后，傳感器左右兩檢測(cè)腔的輸出值在檢測(cè)壓力不變的情況下也能維持在一個(gè)定值，不會(huì)因?yàn)楣庠垂β实牟▌?dòng)而發(fā)生變化，達(dá)到了強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)男ЧＩ蠄D6（a）的輸出值I曲線也能直觀的反映出輸出值在1附近變化，且上下偏差在±0.03范圍內(nèi)，即誤差小于±3%；上圖6（b）的最終輸出值在0值附近變化，上下偏差也在±0.03范圍內(nèi)，波動(dòng)很小，這說明了傳感器在左右兩檢測(cè)腔的壓差為0時(shí)，其最終輸出值R也為0，該輸出值可以很好的反映此時(shí)的檢測(cè)壓力差情況。

5 結(jié)論

本文首先設(shè)計(jì)了一種基于雙活塞的光纖差壓傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源、Y型耦合器、入射光纖、接收光纖、傳感器探頭、光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路、計(jì)算機(jī)等部分；同時(shí)對(duì)傳感器探頭進(jìn)行了設(shè)計(jì)，探頭為一種雙活塞左右對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，當(dāng)左右兩側(cè)檢測(cè)腔內(nèi)流體存在壓力差時(shí)，左右兩光纖探頭接收光纖出射光強(qiáng)度大小會(huì)不一樣，以此判斷出被測(cè)流體的壓力差；再進(jìn)行了傳感器的強(qiáng)度補(bǔ)償分析，通過分析可知，本文傳感器可以消除光源功率波動(dòng)及耦合器所引起的誤差，但不能消除光纖損耗與光電探測(cè)器靈敏度變化引起的誤差，設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量使入射光纖與參考光纖保持相同結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，并使用靈敏度穩(wěn)定的光電探測(cè)器，從而進(jìn)一步消除后兩種情況帶來的誤差；最后進(jìn)行了傳感器系統(tǒng)的強(qiáng)度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，當(dāng)光源功率發(fā)生變化時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電壓會(huì)隨之發(fā)生較大的變化，最大輸出值比最小輸出值增大67%左右。經(jīng)過強(qiáng)度補(bǔ)償后，傳感器左右兩檢測(cè)腔的輸出值在檢測(cè)壓力不變的情況下也能維持在一個(gè)定值，不會(huì)因?yàn)楣庠垂β实牟▌?dòng)而發(fā)生變化，達(dá)到了強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>