光纤压力传感器--【汉魅HanMei―课程讲义论文分享】

1、2005年第24卷第12期 传感器技术（Journal of Transducer Technology ）=设计与制造光纤压力传感器赵中华，高应俊，骆宇锋（暨南大学光电工程研究所，广东广州510632）摘 要：提出一种记数法布里（F-P ）腔的干涉条纹的光纤压力传感器，可以用于易燃、易爆的环境。阐述了它的设计原理、参数的设置和误差的讨论及改进。试验结果表明：光纤F-P 腔脉冲计数压力传感器结构简单、成本低、抗干扰能力强，具有很大的测量范围和分辨力，分别达到10m 和0. 02%。关键词：光纤压力传感器；法布里珀罗腔；干涉条纹中图分类号：TP212. 14 文献标识码：A 文章编号：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 言光纤F-P 传感器作为微位移传感器具有尺寸小、结构简单、测量精度高和灵敏度极高的特点，已得到了广泛的应用。多种应力、应变的相关传感器得以研究和实现。例如：新型光纤压力传感器1和光纤F-P 腔

5、液位传感器等。但是，利用测量干涉光的光强变化来感应外在参量的方法也有自身的局限性，因为影响光强变化的因素非常多，传感器在结构上要求相当精密，对光源和环境的要求高，成本代价昂贵。本文在此基础上，提出利用对干涉条纹的计数来实现测量压力的光纤F-P 液位传感器，在保持光纤压力传感器的本质安全等独特优点的同时，使系统的稳定性得到很大的提高，成本大幅度降低，对环境的要求大大降低，向实用化方向迈进了一大步。试验表明：它也具有很高的灵敏度和测量精度，适用于易燃、易爆的环境，如，大型油罐、燃气、油库环境中的压力和液位的监测，也可以采用网络化连接，对多个目标进行系统化管理，是今后自动化管理的发展方向，很有发展和

6、应用潜力。1 光纤F-P 压力传感器测量基本原理F-P 腔传感头结构如图1所示。弹性合金薄片作为F-P收稿日期：2005-06-21腔的一个端面，并将其抛光的一面作为反射面，光纤对准弹性合金片的中心，光纤端面直接作为另一个反射面，并且，选择2个面的合适的反射比2。这样，在合金片与光纤端面之间就形成了F-P 腔。当压力作用于F-P 腔的合金薄片时，会产生弹性形变，不同的压强在传感器上具有不同的压力，弹性合金薄片受此压力产生的形变大小与压力有关。合金薄片的变形使得F-P 腔的腔长发生改变，当入射光射到F-P 腔后，反射回的光由于光程差改变使干涉条纹发生一系列的移动变化，测量干涉条纹的变化数就可得到

7、相应压力的大小。图1 F-P 液位传感器结构示意图Fig 1 Structure schematic diagram of F-P cavity liquidlevel sensor光纤F-P 传感器是基于波动光学中的多光束干涉原理，多光束反射光叠加后的光强公式为3，49 4传 感 器 技 术 第24卷 I =I 0sin 212N sin 212，（1）式中 I 0为每束光的振幅；N 为光束的总数；为各相邻光束之间的相位差。设为激光在F-P 腔内反射一次后因光程差引起的相位差，那么，弹性片微位移引起的相位为=2（2n L ）/，（2）式中 L 为F-P 腔的腔长变化量。光程差引起的干涉条纹移

8、动的条数为N =/2=2n L /，（3）式中 n 为空气的折射率；为入射光的波长。由式（1）、式（2）、式（3）可以看出：输出光强I 是腔长L 的周期变化的正弦函数，其变化周期为/2，即弹性薄片的形变量L 每变化/2，则相位变化一个周期。当弹片在压力的作用下连续做微小的位移，在光纤的输出就可以观察到干涉条纹的移动，通过对移动条纹的计数，可以得到弹性片的位移大小，也就是可以得到压力的变化情况。本系统的测试压强范围为00. 1MPa ，采用波长为405nm 的蓝光光源，弹性片的最大移动应为1. 0mm ，本文作者先后试选了硅片、二氧化硅和弹性合金片3J53为弹性感应片，虽然硅片和二氧化硅片的热膨

9、胀系数很小，和基座也很匹配，但是，考虑到材料的屈服极限s 值、加工工艺、成本、量程和其他的综合性能要求，为此，本文选择高弹性合金片3J53为感应材料5，其杨氏模量E =1. 85×1011N /m 2，泊松比=0. 3，适合在实际中应用。由弹性薄板的载荷和挠度之间的线性关系6=3pR 4（1-v 2）16Eh 3，（4）式中 载荷p 为液体压强；R 为弹片的半径；v 为弹性片的泊松比；h 为弹性片的厚度。从式（4）中，可以任意选择一定的厚度和半径就可以满足需要的挠度，但是，弹性片的内力在弯曲过程中与半径和厚度有着复杂的非线性关系，经过筛选和试验，找到弹性薄片的半径和厚度的最佳组合关系

10、，即弹性薄片厚度h =0. 4mm ，弹性薄片的圆半径R =28. 9mm 时，弹性片中心最大挠度能够满足传感器的测量要求和安全系数。毫无疑问，F-P 腔的光学谐振腔长度显然要大于弹性片中心在满量程时候能够产生的最大形变量，否则，谐振腔的2个面在此之前就会接触上。因此，在选择F-P 腔光学谐振腔的初始长度L 时，要注意，首先，L 要大于1. 0mm ，以便弹性片有足够的变形空间，其次，初始长度L 所给的自由光谱范围应大于光源的光谱宽度。腔长为L 的F-P 腔的自由光谱范围为7=22L 0. （5）因此，还要求F-P 腔光学谐振腔的初始长度L 满足下式L 0<22. （6）考虑到初始长度不

11、小于1. 0mm ，那么，对光源的自由光谱要求不大于0. 08nm 才可以满足式（6）。在应用中，可以采用光纤光栅滤波来满足这个要求。2 试验系统和信号的处理2. 1 试验系统结构试验系统结构如图2所示。图2 试验系统结构图Fig 2 Structure diagram of experiemental system2. 2 条纹的接收和处理由于信号光的波长为405nm ，波长比较短，采用光电池接收比较合适，再通过前置放大器放大、整形。利用施密特电路8把连续变化的输入信号转换成矩形波，从而很好地解决干扰问题。在施密特触发电路中，当输入信号由低向高变化时，若其电压值到达某一阈值电压，触发电路将输

12、出一个脉冲信号，使输入由高低之间的缓慢变化过程变成输出只有高和低，即只有“0”态和“1”态，这正是数字电路所要求的。应用施密特电路的这种特性，就能解决由于干涉条纹变化缓慢，使之状态不稳定而形成的干扰问题。图3是施密特触发电路的输出随输入信号变化的示意图。图3 施密特触发电路的输出信号Fig 3 Output signal of trigger circuitV 0和V min 分别表示电路信号电压阈值和最小值，从波形可以看出其变化是缓慢的。在信号电压超过阈值电压，都会触发输出一个矩形脉冲。这样，在一个波长的周期里，设计的电路可以触发出一个脉冲信号，计数电路再对这种“0”或“1”的脉冲信号进行计

13、数。在应用中，为了加强干扰，施密特触发器触发的阈值设定在信号电压中值附近的一个区段里，在此电压的范围里，都认为是可以触发脉冲。这样，可以大大加强本试验系统对噪音和随机外来干扰信号的能力。05第12期 赵中华等：光纤压力传感器 2. 3 压力的测量在各种利用干涉条纹测量位移的系统中，难以解决的问题就是只能够进行相对测量以及难以确定条纹的移动方向，使得在应用中遇到很大的困难。通过设计一种判断条纹移动方向的电路，确定条纹的移动方向9，采用单片机技术的存储和计算功能，就可以对压力进行准确的测量。3 试验结果和误差分析从图4可以看出：压力值刚开始增加时，线性度比较差，这是传感头焊接加工时对膜片的应力影响

14、所致；在压力继续增大后，条纹数与压力值有很好的线性关系，减压时的重复性也很好，但是，与理论计算值平均有30个条纹的偏差，是由于传感头参量半径R 和厚度h 的实际值与理论值有差异所致。本文作者仍在试验用其他不同的弹性材料做弹性感应元件，以满足更好的线性度。图4 压力与条纹的关系Fig 4 Relation of pressure and stripe考虑弹性片的半径R 0、厚度h 以及杨氏弹性模量E 等由于温度变化引起的挠度相对变化量，将式（4）作变分得w w =4R 0R 0-3h h -EE. （7）由热膨胀系数及弹性模量温度系数的定义=1E 0E t =1E 0E -E 0t -t 0.（

15、8）式（8）化为ww=t -t . （9）已知弹性片材料=8.5×10-6/，=-10. 0×10-6/，弹性模量温度系数对挠度的影响起主要作用。如果假设传感器的环境温度变化50，那么，弹性片挠度的相对变化量为w /w =0. 0009。可见对于温度变化50，由于弹性模量温度系数造成的弹性片挠度相对误差已经是目标分辨精度的9倍，不能忽视弹性模量E 因温度的变化情况而造成的影响，将在处理电路和软件上加以修正。根据材料的热性质，对于长度为d ，热膨胀系数为的材料，当温度变化T 时，材料线变化d =Td 。若是设定腔长为1. 0mm ，腔壁材料使用热膨胀系数=0. 55×

16、;10-6/的石英，温度变化50º所产生的腔长度变化为30. 25nm ，采用光源波长为405nm 的光源，腔长每改变203nm ，才可以影响到一个条纹的移动，所以，温度对条纹误差的影响是相当小的，可以忽略。空气的折射率的变化也会影响光程差，在正常情况下，空气的折射率变化n <10-5。腔长L =1. 0mm ，则光程差小于10nm ，远远小于一个条纹的光程差203nm 。光源波长随温度的线性变化所带来的误差不可忽略，在数据处理中加以修正。修正值与标准值比较如图5。图5 修正值与标准值的比较Fig 5 Comparison of modified and standard va

17、lues从修正后的试验曲线可知，在开始阶段1m 以内，线性度仍较差，仍然是焊接工艺、材料应力和加工的精度问题所至。在继续加压后，具有很好的线性度，并与标准值基本吻合，符合理论设计值，但是，超过8m 量程后，在极限值附近，误差越来越大，达到0. 6%，这是材料和设计的局限所至，这将是以后需要解决的问题。系统的稳定性受传感头制作工艺影响较大，在制作中，需要注意：（1）传感头支撑座需选用低温膨胀系数的材料；（2）弹性合金薄片与其支撑座需刚性连接，选择焊接工艺，保证弹性片产生弹性形变；（3）因为弹性片面积比较大，光纤的封装要保证光纤端面与弹性片严格平行，从而组成F-P腔，并且，保证光纤对准弹性合金片的

18、圆心。4 结 论将一种传统的条纹技术应用在新型的压力传感器上，是对一种成熟技术的新发展和挖掘，很好地解决了压力测量过程中的稳定性和安全性问题。与其他光纤压力传感器相比，本传感器对光源的强度稳定性要求很低，温度的影响也相当小，在分析中可以看出：在光强衰减后，需要对阈值重新设置，对光源的色散也有较高的要求，可采用光栅滤波来满足。但是，对激光光源其他要求大大降低，是一种抗干扰能力强、成本低、高性能的压力传感器。（下转第54页）15传 感 器 技 术 第24卷“时”、“周”。（1）时间调校：正常情况下，液晶显示屏LCD 显示的是正常走时状态。按住“校时”键，同时，分别按“周”键，调校星期；按“时”键，

19、调校小时；按“分”键，调校分；（2）定时调校：按1次“定时”键，液晶显示屏LCD 开始显示定时状态。这时，可设定每只发射机每天的每次测温开始时间“ON ”和结束时间“OFF ”。连续按“时”键，调校时；连续按“分”键，调校分。当调校完第1次测温的开始时间“1ON ”后，再按一次“定时”键，依照相同的方法调校第1次测温的结束时间“1OFF ”。依次再按“定时”键，分别调校每天的第2次测温的开始时间和结束时间，第3次测温的开始时间和结束时间等。当9个时间段中只用其中几个时段时，其余按“复位”键将它们冻结起来。连续按“周”键，调校每周的控制形式。4 测试验证保持被测试点的温度不变，不同的接收距离接收

20、到的温度如图4所示。图4 不同接收距离的温度曲线Fig 4 Temperature curve at different receiving distance曲线表明：在有效距离内，其接收温度与接收距离没有关系。接收距离固定在60m 时，被测试点的实际温度与接收到的温度如图5所示。图5 60m 接收距离时的温度曲线Fig 5 Temperature curve at 60m of receiving distance从图中的曲线可以看出：在2050，接收到的温度与实际温度误差很小。这是因为本系统对33作了校准，对25及40也作了反复调校。在低于20及高于50的区间，其误差都有不同程度的变化，其误差主要来源于传感器的精度，测试的结果都在允许的误差范围内。5 结 论本文给出的多路无线测温系统不仅克服了有线测温的种种不便及传输导线给温度测量带来的影响，而且，实现了多路循环测量。测量精度能够达到粮库等仓储的要求，并可在因温度超限需要报警时，进行正确地报警控制。有效地提升了粮库等仓储日常管理的技术水平。参考文献：1 蔡可健. 节电器智能电路设计J . 电工技术，2005，（2）：60-61.2 何希才. 新型集成电路及其应用