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(shù)（Journal of Transducer Technology ）=設(shè)計(jì)與制造光纖壓力傳感器趙中華，高應(yīng)俊，駱宇鋒（暨南大學(xué)光電工程研究所，廣東廣州510632）摘 要：提出一種記數(shù)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(shè)計(jì)原理、參數(shù)的設(shè)置和誤差的討論及改進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：光纖F-P 腔脈沖計(jì)數(shù)壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)，具有很大的測(cè)量范圍和分辨力，分別達(dá)到10m 和0. 02%。關(guān)鍵詞：光纖壓力傳感器；法布里珀羅腔；干涉條紋中圖分類號(hào)：TP212. 14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高和靈敏度極高的特點(diǎn)，已得到了廣泛的應(yīng)用。多種應(yīng)力、應(yīng)變的相關(guān)傳感器得以研究和實(shí)現(xiàn)。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(cè)量干涉光的光強(qiáng)變化來感應(yīng)外在參量的方法也有自身的局限性，因?yàn)橛绊懝鈴?qiáng)變化的因素非常多，傳感器在結(jié)構(gòu)上要求相當(dāng)精密，對(duì)光源和環(huán)境的要求高，成本代價(jià)昂貴。本文在此基礎(chǔ)上，提出利用對(duì)干涉條紋的計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)測(cè)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(zhì)安全等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到很大的提高，成本大幅度降低，對(duì)環(huán)境的要求大大降低，向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)了一大步。試驗(yàn)表明：它也具有很高的靈敏度和測(cè)量精度，適用于易燃、易爆的環(huán)境，如，大型油罐、燃?xì)狻⒂蛶?kù)環(huán)境中的壓力和液位的監(jiān)測(cè)，也可以采用網(wǎng)絡(luò)化連接，對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)化管理，是今后自動(dòng)化管理的發(fā)展方向，很有發(fā)展和

6、應(yīng)用潛力。1 光纖F-P 壓力傳感器測(cè)量基本原理F-P 腔傳感頭結(jié)構(gòu)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(gè)端面，并將其拋光的一面作為反射面，光纖對(duì)準(zhǔn)彈性合金片的中心，光纖端面直接作為另一個(gè)反射面，并且，選擇2個(gè)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(dāng)壓力作用于F-P 腔的合金薄片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彈性形變，不同的壓強(qiáng)在傳感器上具有不同的壓力，彈性合金薄片受此壓力產(chǎn)生的形變大小與壓力有關(guān)。合金薄片的變形使得F-P 腔的腔長(zhǎng)發(fā)生改變，當(dāng)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(dòng)變化，測(cè)量干涉條紋的變化數(shù)就可得到

7、相應(yīng)壓力的大小。圖1 F-P 液位傳感器結(jié)構(gòu)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(dòng)光學(xué)中的多光束干涉原理，多光束反射光疊加后的光強(qiáng)公式為3，49 4傳 感 器 技 術(shù) 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(shù)；為各相鄰光束之間的相位差。設(shè)為激光在F-P 腔內(nèi)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(zhǎng)變化量。光程差引起的干涉條紋移

8、動(dòng)的條數(shù)為N =/2=2n L /，（3）式中 n 為空氣的折射率；為入射光的波長(zhǎng)。由式（1）、式（2）、式（3）可以看出：輸出光強(qiáng)I 是腔長(zhǎng)L 的周期變化的正弦函數(shù)，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(gè)周期。當(dāng)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(dòng)，通過對(duì)移動(dòng)條紋的計(jì)數(shù)，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(cè)試壓強(qiáng)范圍為00. 1MPa ，采用波長(zhǎng)為405nm 的藍(lán)光光源，彈性片的最大移動(dòng)應(yīng)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(yīng)片，雖然硅片和二氧化硅片的熱膨

9、脹系數(shù)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(yīng)材料5，其楊氏模量E =1. 85×1011N /m 2，泊松比=0. 3，適合在實(shí)際中應(yīng)用。由彈性薄板的載荷和撓度之間的線性關(guān)系6=3pR 4（1-v 2）16Eh 3，（4）式中 載荷p 為液體壓強(qiáng)；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(nèi)力在彎曲過程中與半徑和厚度有著復(fù)雜的非線性關(guān)系，經(jīng)過篩選和試驗(yàn)，找到彈性薄片的半徑和厚度的最佳組合關(guān)系

10、，即彈性薄片厚度h =0. 4mm ，彈性薄片的圓半徑R =28. 9mm 時(shí)，彈性片中心最大撓度能夠滿足傳感器的測(cè)量要求和安全系數(shù)。毫無疑問，F(xiàn)-P 腔的光學(xué)諧振腔長(zhǎng)度顯然要大于彈性片中心在滿量程時(shí)候能夠產(chǎn)生的最大形變量，否則，諧振腔的2個(gè)面在此之前就會(huì)接觸上。因此，在選擇F-P 腔光學(xué)諧振腔的初始長(zhǎng)度L 時(shí)，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(zhǎng)度L 所給的自由光譜范圍應(yīng)大于光源的光譜寬度。腔長(zhǎng)為L(zhǎng) 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(xué)諧振腔的初始長(zhǎng)度L 滿足下式L 0<22. （6）考慮到初始長(zhǎng)度不

11、小于1. 0mm ，那么，對(duì)光源的自由光譜要求不大于0. 08nm 才可以滿足式（6）。在應(yīng)用中，可以采用光纖光柵濾波來滿足這個(gè)要求。2 試驗(yàn)系統(tǒng)和信號(hào)的處理2. 1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of experiemental system2. 2 條紋的接收和處理由于信號(hào)光的波長(zhǎng)為405nm ，波長(zhǎng)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(hào)轉(zhuǎn)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(dāng)輸入信號(hào)由低向高變化時(shí)，若其電壓值到達(dá)某一閾值電壓，觸發(fā)電路將輸

12、出一個(gè)脈沖信號(hào)，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(shù)字電路所要求的。應(yīng)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(hào)變化的示意圖。圖3 施密特觸發(fā)電路的輸出信號(hào)Fig 3 Output signal of trigger circuitV 0和V min 分別表示電路信號(hào)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(hào)電壓超過閾值電壓，都會(huì)觸發(fā)輸出一個(gè)矩形脈沖。這樣，在一個(gè)波長(zhǎng)的周期里，設(shè)計(jì)的電路可以觸發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)電路再對(duì)這種“0”或“1”的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)

13、數(shù)。在應(yīng)用中，為了加強(qiáng)干擾，施密特觸發(fā)器觸發(fā)的閾值設(shè)定在信號(hào)電壓中值附近的一個(gè)區(qū)段里，在此電壓的范圍里，都認(rèn)為是可以觸發(fā)脈沖。這樣，可以大大加強(qiáng)本試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)噪音和隨機(jī)外來干擾信號(hào)的能力。05第12期 趙中華等：光纖壓力傳感器 2. 3 壓力的測(cè)量在各種利用干涉條紋測(cè)量位移的系統(tǒng)中，難以解決的問題就是只能夠進(jìn)行相對(duì)測(cè)量以及難以確定條紋的移動(dòng)方向，使得在應(yīng)用中遇到很大的困難。通過設(shè)計(jì)一種判斷條紋移動(dòng)方向的電路，確定條紋的移動(dòng)方向9，采用單片機(jī)技術(shù)的存儲(chǔ)和計(jì)算功能，就可以對(duì)壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。3 試驗(yàn)結(jié)果和誤差分析從圖4可以看出：壓力值剛開始增加時(shí)，線性度比較差，這是傳感頭焊接加工時(shí)對(duì)膜片的應(yīng)力影響

14、所致；在壓力繼續(xù)增大后，條紋數(shù)與壓力值有很好的線性關(guān)系，減壓時(shí)的重復(fù)性也很好，但是，與理論計(jì)算值平均有30個(gè)條紋的偏差，是由于傳感頭參量半徑R 和厚度h 的實(shí)際值與理論值有差異所致。本文作者仍在試驗(yàn)用其他不同的彈性材料做彈性感應(yīng)元件，以滿足更好的線性度。圖4 壓力與條紋的關(guān)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(duì)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(shù)及彈性模量溫度系數(shù)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(shù)對(duì)撓度的影響起主要作用。如果假設(shè)傳感器的環(huán)境溫度變化50，那么，彈性片撓度的相對(duì)變化量為w /w =0. 0009?？梢妼?duì)于溫度變化50，由于彈性模量溫度系數(shù)造成的彈性片撓度相對(duì)誤差已經(jīng)是目標(biāo)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(jù)材料的熱性質(zhì)，對(duì)于長(zhǎng)度為d ，熱膨脹系數(shù)為的材料，當(dāng)溫度變化T 時(shí)，材料線變化d =Td 。若是設(shè)定腔長(zhǎng)為1. 0mm ，腔壁材料使用熱膨脹系數(shù)=0. 55×

16、;10-6/的石英，溫度變化50º所產(chǎn)生的腔長(zhǎng)度變化為30. 25nm ，采用光源波長(zhǎng)為405nm 的光源，腔長(zhǎng)每改變203nm ，才可以影響到一個(gè)條紋的移動(dòng)，所以，溫度對(duì)條紋誤差的影響是相當(dāng)小的，可以忽略?？諝獾恼凵渎实淖兓矔?huì)影響光程差，在正常情況下，空氣的折射率變化n <10-5。腔長(zhǎng)L =1. 0mm ，則光程差小于10nm ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)條紋的光程差203nm 。光源波長(zhǎng)隨溫度的線性變化所帶來的誤差不可忽略，在數(shù)據(jù)處理中加以修正。修正值與標(biāo)準(zhǔn)值比較如圖5。圖5 修正值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較Fig 5 Comparison of modified and standard va

17、lues從修正后的試驗(yàn)曲線可知，在開始階段1m 以內(nèi)，線性度仍較差，仍然是焊接工藝、材料應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值基本吻合，符合理論設(shè)計(jì)值，但是，超過8m 量程后，在極限值附近，誤差越來越大，達(dá)到0. 6%，這是材料和設(shè)計(jì)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(shù)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(chǎn)生彈性形變；（3）因?yàn)閺椥云娣e比較大，光纖的封裝要保證光纖端面與彈性片嚴(yán)格平行，從而組成F-P腔，并且，保證光纖對(duì)準(zhǔn)彈性合金片的

18、圓心。4 結(jié) 論將一種傳統(tǒng)的條紋技術(shù)應(yīng)用在新型的壓力傳感器上，是對(duì)一種成熟技術(shù)的新發(fā)展和挖掘，很好地解決了壓力測(cè)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(duì)光源的強(qiáng)度穩(wěn)定性要求很低，溫度的影響也相當(dāng)小，在分析中可以看出：在光強(qiáng)衰減后，需要對(duì)閾值重新設(shè)置，對(duì)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(duì)激光光源其他要求大大降低，是一種抗干擾能力強(qiáng)、成本低、高性能的壓力傳感器。（下轉(zhuǎn)第54頁(yè)）15傳 感 器 技 術(shù) 第24卷“時(shí)”、“周”。（1）時(shí)間調(diào)校：正常情況下，液晶顯示屏LCD 顯示的是正常走時(shí)狀態(tài)。按住“校時(shí)”鍵，同時(shí)，分別按“周”鍵，調(diào)校星期；按“時(shí)”鍵，

19、調(diào)校小時(shí)；按“分”鍵，調(diào)校分；（2）定時(shí)調(diào)校：按1次“定時(shí)”鍵，液晶顯示屏LCD 開始顯示定時(shí)狀態(tài)。這時(shí)，可設(shè)定每只發(fā)射機(jī)每天的每次測(cè)溫開始時(shí)間“ON ”和結(jié)束時(shí)間“OFF ”。連續(xù)按“時(shí)”鍵，調(diào)校時(shí)；連續(xù)按“分”鍵，調(diào)校分。當(dāng)調(diào)校完第1次測(cè)溫的開始時(shí)間“1ON ”后，再按一次“定時(shí)”鍵，依照相同的方法調(diào)校第1次測(cè)溫的結(jié)束時(shí)間“1OFF ”。依次再按“定時(shí)”鍵，分別調(diào)校每天的第2次測(cè)溫的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，第3次測(cè)溫的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等。當(dāng)9個(gè)時(shí)間段中只用其中幾個(gè)時(shí)段時(shí)，其余按“復(fù)位”鍵將它們凍結(jié)起來。連續(xù)按“周”鍵，調(diào)校每周的控制形式。4 測(cè)試驗(yàn)證保持被測(cè)試點(diǎn)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(nèi)，其接收溫度與接收距離沒有關(guān)系。接收距離固定在60m 時(shí)，被測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際溫度與接收到的溫度如圖5所示。圖5 60m 接收距離時(shí)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(shí)際溫度誤差很小。這是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)對(duì)33作了校準(zhǔn)，對(duì)25及40也作了反復(fù)調(diào)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(cè)試的結(jié)果都在允許的誤差范圍內(nèi)。5 結(jié) 論本文給出的多路無線測(cè)溫系統(tǒng)不僅克服了有線測(cè)溫的種種不便及傳輸導(dǎo)線給溫度測(cè)量帶來的影響，而且，實(shí)現(xiàn)了多路循環(huán)測(cè)量。測(cè)量精度能夠達(dá)到糧庫(kù)等倉(cāng)儲(chǔ)的要求，并可在因溫度超限需要報(bào)警時(shí)，進(jìn)行正確地報(bào)警控制。有效地提升了糧庫(kù)等倉(cāng)儲(chǔ)日常管理的技術(shù)水平。參考文獻(xiàn)：1 蔡可健. 節(jié)電器智能電路設(shè)計(jì)J . 電工技術(shù)，2005，（2）：60-61.2 何希才. 新型集成電路及其應(yīng)用