光纖壓力傳感器--【漢魅HanMei―課程講義論文分享】

1、2005年第24卷第12期 傳感器技術（Journal of Transducer Technology ）=設計與制造光纖壓力傳感器趙中華，高應俊，駱宇鋒（暨南大學光電工程研究所，廣東廣州510632）摘 要：提出一種記數法布里（F-P ）腔的干涉條紋的光纖壓力傳感器，可以用于易燃、易爆的環(huán)境。闡述了它的設計原理、參數的設置和誤差的討論及改進。試驗結果表明：光纖F-P 腔脈沖計數壓力傳感器結構簡單、成本低、抗干擾能力強，具有很大的測量范圍和分辨力，分別達到10m 和0. 02%。關鍵詞：光纖壓力傳感器；法布里珀羅腔；干涉條紋中圖分類號：TP212. 14 文獻標識碼：A 文章編號：1000-

2、9787（2005）12-0049-03Fiber-optic pressure sensorZHAO Zhong-hua ，GAO Ying-jun ，LUO Yu-feng（Inst of Photoelectricity Engin ，Jinan University ，Guangzhou 510632，China ）Abstract ：A fiber-optic pressure sensor by counting interference stripe of Fabry-Perot （F-P ）cavity is introduced ，which can be used in s

3、ome inflammable and explosive circumstance. The principle and the configuration parameters design of the sensor are described. Factors of error and future improvements are discussed. Experiment result shows the fiber-optic sensor with F-P cavity is simple in design ，low in cost ，excellent in anti-in

4、terference ability and precise in pressure detecting. It can reach 10m in measurement range and 0. 02%in accurancy.Key words ：fiber-optic pressure sensor ；Fabry-Perot （F-P ）cavity ；interference stripe0 引 言光纖F-P 傳感器作為微位移傳感器具有尺寸小、結構簡單、測量精度高和靈敏度極高的特點，已得到了廣泛的應用。多種應力、應變的相關傳感器得以研究和實現。例如：新型光纖壓力傳感器1和光纖F-P 腔

5、液位傳感器等。但是，利用測量干涉光的光強變化來感應外在參量的方法也有自身的局限性，因為影響光強變化的因素非常多，傳感器在結構上要求相當精密，對光源和環(huán)境的要求高，成本代價昂貴。本文在此基礎上，提出利用對干涉條紋的計數來實現測量壓力的光纖F-P 液位傳感器，在保持光纖壓力傳感器的本質安全等獨特優(yōu)點的同時，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到很大的提高，成本大幅度降低，對環(huán)境的要求大大降低，向實用化方向邁進了一大步。試驗表明：它也具有很高的靈敏度和測量精度，適用于易燃、易爆的環(huán)境，如，大型油罐、燃氣、油庫環(huán)境中的壓力和液位的監(jiān)測，也可以采用網絡化連接，對多個目標進行系統(tǒng)化管理，是今后自動化管理的發(fā)展方向，很有發(fā)展和

6、應用潛力。1 光纖F-P 壓力傳感器測量基本原理F-P 腔傳感頭結構如圖1所示。彈性合金薄片作為F-P收稿日期：2005-06-21腔的一個端面，并將其拋光的一面作為反射面，光纖對準彈性合金片的中心，光纖端面直接作為另一個反射面，并且，選擇2個面的合適的反射比2。這樣，在合金片與光纖端面之間就形成了F-P 腔。當壓力作用于F-P 腔的合金薄片時，會產生彈性形變，不同的壓強在傳感器上具有不同的壓力，彈性合金薄片受此壓力產生的形變大小與壓力有關。合金薄片的變形使得F-P 腔的腔長發(fā)生改變，當入射光射到F-P 腔后，反射回的光由于光程差改變使干涉條紋發(fā)生一系列的移動變化，測量干涉條紋的變化數就可得到

7、相應壓力的大小。圖1 F-P 液位傳感器結構示意圖Fig 1 Structure schematic diagram of F-P cavity liquidlevel sensor光纖F-P 傳感器是基于波動光學中的多光束干涉原理，多光束反射光疊加后的光強公式為3，49 4傳 感 器 技 術 第24卷 I =I 0sin 212N sin 212，（1）式中 I 0為每束光的振幅；N 為光束的總數；為各相鄰光束之間的相位差。設為激光在F-P 腔內反射一次后因光程差引起的相位差，那么，彈性片微位移引起的相位為=2（2n L ）/，（2）式中 L 為F-P 腔的腔長變化量。光程差引起的干涉條紋移

8、動的條數為N =/2=2n L /，（3）式中 n 為空氣的折射率；為入射光的波長。由式（1）、式（2）、式（3）可以看出：輸出光強I 是腔長L 的周期變化的正弦函數，其變化周期為/2，即彈性薄片的形變量L 每變化/2，則相位變化一個周期。當彈片在壓力的作用下連續(xù)做微小的位移，在光纖的輸出就可以觀察到干涉條紋的移動，通過對移動條紋的計數，可以得到彈性片的位移大小，也就是可以得到壓力的變化情況。本系統(tǒng)的測試壓強范圍為00. 1MPa ，采用波長為405nm 的藍光光源，彈性片的最大移動應為1. 0mm ，本文作者先后試選了硅片、二氧化硅和彈性合金片3J53為彈性感應片，雖然硅片和二氧化硅片的熱膨

9、脹系數很小，和基座也很匹配，但是，考慮到材料的屈服極限s 值、加工工藝、成本、量程和其他的綜合性能要求，為此，本文選擇高彈性合金片3J53為感應材料5，其楊氏模量E =1. 85×1011N /m 2，泊松比=0. 3，適合在實際中應用。由彈性薄板的載荷和撓度之間的線性關系6=3pR 4（1-v 2）16Eh 3，（4）式中 載荷p 為液體壓強；R 為彈片的半徑；v 為彈性片的泊松比；h 為彈性片的厚度。從式（4）中，可以任意選擇一定的厚度和半徑就可以滿足需要的撓度，但是，彈性片的內力在彎曲過程中與半徑和厚度有著復雜的非線性關系，經過篩選和試驗，找到彈性薄片的半徑和厚度的最佳組合關系

10、，即彈性薄片厚度h =0. 4mm ，彈性薄片的圓半徑R =28. 9mm 時，彈性片中心最大撓度能夠滿足傳感器的測量要求和安全系數。毫無疑問，F-P 腔的光學諧振腔長度顯然要大于彈性片中心在滿量程時候能夠產生的最大形變量，否則，諧振腔的2個面在此之前就會接觸上。因此，在選擇F-P 腔光學諧振腔的初始長度L 時，要注意，首先，L 要大于1. 0mm ，以便彈性片有足夠的變形空間，其次，初始長度L 所給的自由光譜范圍應大于光源的光譜寬度。腔長為L 的F-P 腔的自由光譜范圍為7=22L 0. （5）因此，還要求F-P 腔光學諧振腔的初始長度L 滿足下式L 0<22. （6）考慮到初始長度不

11、小于1. 0mm ，那么，對光源的自由光譜要求不大于0. 08nm 才可以滿足式（6）。在應用中，可以采用光纖光柵濾波來滿足這個要求。2 試驗系統(tǒng)和信號的處理2. 1 試驗系統(tǒng)結構試驗系統(tǒng)結構如圖2所示。圖2 試驗系統(tǒng)結構圖Fig 2 Structure diagram of experiemental system2. 2 條紋的接收和處理由于信號光的波長為405nm ，波長比較短，采用光電池接收比較合適，再通過前置放大器放大、整形。利用施密特電路8把連續(xù)變化的輸入信號轉換成矩形波，從而很好地解決干擾問題。在施密特觸發(fā)電路中，當輸入信號由低向高變化時，若其電壓值到達某一閾值電壓，觸發(fā)電路將輸

12、出一個脈沖信號，使輸入由高低之間的緩慢變化過程變成輸出只有高和低，即只有“0”態(tài)和“1”態(tài)，這正是數字電路所要求的。應用施密特電路的這種特性，就能解決由于干涉條紋變化緩慢，使之狀態(tài)不穩(wěn)定而形成的干擾問題。圖3是施密特觸發(fā)電路的輸出隨輸入信號變化的示意圖。圖3 施密特觸發(fā)電路的輸出信號Fig 3 Output signal of trigger circuitV 0和V min 分別表示電路信號電壓閾值和最小值，從波形可以看出其變化是緩慢的。在信號電壓超過閾值電壓，都會觸發(fā)輸出一個矩形脈沖。這樣，在一個波長的周期里，設計的電路可以觸發(fā)出一個脈沖信號，計數電路再對這種“0”或“1”的脈沖信號進行計

13、數。在應用中，為了加強干擾，施密特觸發(fā)器觸發(fā)的閾值設定在信號電壓中值附近的一個區(qū)段里，在此電壓的范圍里，都認為是可以觸發(fā)脈沖。這樣，可以大大加強本試驗系統(tǒng)對噪音和隨機外來干擾信號的能力。05第12期 趙中華等：光纖壓力傳感器 2. 3 壓力的測量在各種利用干涉條紋測量位移的系統(tǒng)中，難以解決的問題就是只能夠進行相對測量以及難以確定條紋的移動方向，使得在應用中遇到很大的困難。通過設計一種判斷條紋移動方向的電路，確定條紋的移動方向9，采用單片機技術的存儲和計算功能，就可以對壓力進行準確的測量。3 試驗結果和誤差分析從圖4可以看出：壓力值剛開始增加時，線性度比較差，這是傳感頭焊接加工時對膜片的應力影響

14、所致；在壓力繼續(xù)增大后，條紋數與壓力值有很好的線性關系，減壓時的重復性也很好，但是，與理論計算值平均有30個條紋的偏差，是由于傳感頭參量半徑R 和厚度h 的實際值與理論值有差異所致。本文作者仍在試驗用其他不同的彈性材料做彈性感應元件，以滿足更好的線性度。圖4 壓力與條紋的關系Fig 4 Relation of pressure and stripe考慮彈性片的半徑R 0、厚度h 以及楊氏彈性模量E 等由于溫度變化引起的撓度相對變化量，將式（4）作變分得w w =4R 0R 0-3h h -EE. （7）由熱膨脹系數及彈性模量溫度系數的定義=1E 0E t =1E 0E -E 0t -t 0.（

15、8）式（8）化為ww=t -t . （9）已知彈性片材料=8.5×10-6/，=-10. 0×10-6/，彈性模量溫度系數對撓度的影響起主要作用。如果假設傳感器的環(huán)境溫度變化50，那么，彈性片撓度的相對變化量為w /w =0. 0009?？梢妼τ跍囟茸兓?0，由于彈性模量溫度系數造成的彈性片撓度相對誤差已經是目標分辨精度的9倍，不能忽視彈性模量E 因溫度的變化情況而造成的影響，將在處理電路和軟件上加以修正。根據材料的熱性質，對于長度為d ，熱膨脹系數為的材料，當溫度變化T 時，材料線變化d =Td 。若是設定腔長為1. 0mm ，腔壁材料使用熱膨脹系數=0. 55×

16、;10-6/的石英，溫度變化50º所產生的腔長度變化為30. 25nm ，采用光源波長為405nm 的光源，腔長每改變203nm ，才可以影響到一個條紋的移動，所以，溫度對條紋誤差的影響是相當小的，可以忽略?？諝獾恼凵渎实淖兓矔绊懝獬滩?，在正常情況下，空氣的折射率變化n <10-5。腔長L =1. 0mm ，則光程差小于10nm ，遠遠小于一個條紋的光程差203nm 。光源波長隨溫度的線性變化所帶來的誤差不可忽略，在數據處理中加以修正。修正值與標準值比較如圖5。圖5 修正值與標準值的比較Fig 5 Comparison of modified and standard va

17、lues從修正后的試驗曲線可知，在開始階段1m 以內，線性度仍較差，仍然是焊接工藝、材料應力和加工的精度問題所至。在繼續(xù)加壓后，具有很好的線性度，并與標準值基本吻合，符合理論設計值，但是，超過8m 量程后，在極限值附近，誤差越來越大，達到0. 6%，這是材料和設計的局限所至，這將是以后需要解決的問題。系統(tǒng)的穩(wěn)定性受傳感頭制作工藝影響較大，在制作中，需要注意：（1）傳感頭支撐座需選用低溫膨脹系數的材料；（2）彈性合金薄片與其支撐座需剛性連接，選擇焊接工藝，保證彈性片產生彈性形變；（3）因為彈性片面積比較大，光纖的封裝要保證光纖端面與彈性片嚴格平行，從而組成F-P腔，并且，保證光纖對準彈性合金片的

18、圓心。4 結 論將一種傳統(tǒng)的條紋技術應用在新型的壓力傳感器上，是對一種成熟技術的新發(fā)展和挖掘，很好地解決了壓力測量過程中的穩(wěn)定性和安全性問題。與其他光纖壓力傳感器相比，本傳感器對光源的強度穩(wěn)定性要求很低，溫度的影響也相當小，在分析中可以看出：在光強衰減后，需要對閾值重新設置，對光源的色散也有較高的要求，可采用光柵濾波來滿足。但是，對激光光源其他要求大大降低，是一種抗干擾能力強、成本低、高性能的壓力傳感器。（下轉第54頁）15傳 感 器 技 術 第24卷“時”、“周”。（1）時間調校：正常情況下，液晶顯示屏LCD 顯示的是正常走時狀態(tài)。按住“校時”鍵，同時，分別按“周”鍵，調校星期；按“時”鍵，

19、調校小時；按“分”鍵，調校分；（2）定時調校：按1次“定時”鍵，液晶顯示屏LCD 開始顯示定時狀態(tài)。這時，可設定每只發(fā)射機每天的每次測溫開始時間“ON ”和結束時間“OFF ”。連續(xù)按“時”鍵，調校時；連續(xù)按“分”鍵，調校分。當調校完第1次測溫的開始時間“1ON ”后，再按一次“定時”鍵，依照相同的方法調校第1次測溫的結束時間“1OFF ”。依次再按“定時”鍵，分別調校每天的第2次測溫的開始時間和結束時間，第3次測溫的開始時間和結束時間等。當9個時間段中只用其中幾個時段時，其余按“復位”鍵將它們凍結起來。連續(xù)按“周”鍵，調校每周的控制形式。4 測試驗證保持被測試點的溫度不變，不同的接收距離接收

20、到的溫度如圖4所示。圖4 不同接收距離的溫度曲線Fig 4 Temperature curve at different receiving distance曲線表明：在有效距離內，其接收溫度與接收距離沒有關系。接收距離固定在60m 時，被測試點的實際溫度與接收到的溫度如圖5所示。圖5 60m 接收距離時的溫度曲線Fig 5 Temperature curve at 60m of receiving distance從圖中的曲線可以看出：在2050，接收到的溫度與實際溫度誤差很小。這是因為本系統(tǒng)對33作了校準，對25及40也作了反復調校。在低于20及高于50的區(qū)間，其誤差都有不同程度的變化，其誤差主要來源于傳感器的精度，測試的結果都在允許的誤差范圍內。5 結 論本文給出的多路無線測溫系統(tǒng)不僅克服了有線測溫的種種不便及傳輸導線給溫度測量帶來的影響，而且，實現了多路循環(huán)測量。測量精度能夠達到糧庫等倉儲的要求，并可在因溫度超限需要報警時，進行正確地報警控制。有效地提升了糧庫等倉儲日常管理的技術水平。參考文獻：1 蔡可健. 節(jié)電器智能電路設計J . 電工技術，2005，（2）：60-61.2 何希才. 新型集成電路及其應用