当前位置：文档之家 › 光纤压力传感器_赵中华

光纤压力传感器_赵中华

  • 格式：pdf
  • 大小：225.64 KB
  • 文档页数：4

下载文档原格式

  / 4

合集下载

光纤压力传感器--【汉魅HanMei—课程讲义论文分享】

光纤压力传感器--【汉魅HanMei—课程讲义论文分享】

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珀罗（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：1000-9787（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 some 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-interference 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。

光纤压力传感器

光纤压力传感器

特点：结构简单、容易装配，造价低；
但是机械设计复杂，加速度效应也会使其性 能恶化。
3、反射型光纤压力传感器
结 束！
光纤压力传感器原理及 特点
1、光纤F-P压力传感器
F-P腔传感头如图所示 弹性合金薄片作为F-P腔的一个端面，并将其抛光的面作为
反射面，光纤对准弹性合金面的中心，光纤端面直接作为另一 个反射面，并且选择两个面合适的反射比。这样就在光纤端面 与合金片之间形成了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有不同的压力，弹性 合金薄片受此压力产生的形变大小与所受压力有关。
合金薄片的变形使得F-P腔的腔长发生变化，当入射光射到 F-P腔后，反射回的光由于光程差改变使得干涉条纹发生 一系列的移动变化，测Βιβλιοθήκη 干涉条纹数就可得到相应的压力 大小。
（暨南大学 光电工程研究所 赵中华、高应俊、骆宇锋）
2、微弯型光纤压力传感器
微弯结构由一对机械周期为A的齿形板组成，敏感光纤从 齿形板中间穿过，在齿形板的作用力F下产生周期性的弯曲。 当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度发生变化，从而导 致输出光的功率发生变化。通过光检测器检测到的光功率变 化来间接测量外部压力的大小。通过对光载波强度的检测， 就能确定与之成比例的变形器的位移，并确定压力大小。

一种光纤F-P腔压力与温度测量系统

一种光纤F-P腔压力与温度测量系统

1 F-P 腔的压力与 光纤压力和温度监测系统由光纤 F-P 腔式压力 传感器、 光纤 Bragg 光栅式温度传感器、 光缆、 地面光 纤传感器解调仪 （光端机） 及解调系统软件几部分构 成。 光纤传感器系统的基本工作原理是地面光端机 中波长扫描激光器发出连续波长扫描激光， 激光经 过信号光纤传递到 F-P 腔压力传感器和 FBG 温度传 感器， 经过 F-P 腔和 FBG 反射后， 携带传感器附近的 压力和温度信息的光谱信号通过同一条光纤传回光 端机， 并由光端机将光谱信号发送给计算机， 计算机 按照解调程序计算出压力和温度值， 并按需要的数 据库格式进行实时显示、 存储或远程发送。 1.2 光纤压力和温度传感器工作原理 光纤压力和温度传感器系统的核心器件是由在 一根光纤端部相邻串联的一个光纤 F-P 腔压力传感 元件和一个光纤布拉格光栅 （FBG） 温度传感器元件
第 25 卷 第 4 期
刘丹： 一种光纤 F-P 腔压力与温度测量系统
41
的熔融石英材料， E = 74GPa ， μ= 0.17 。 从上式可以看出腔长变化△d 正比于施加压强 P。因此， 通过对 F-P 腔传感器腔长值进行压力标 定， 通过测量腔长就可以测得外界的压强变化。此 外， 上式表明通过调整传感器的毛细管内径 ri、 外径 ro 和标距 Lg 这三个几何参数， 可以在一定范围内调 整压力传感器的测量灵敏度和动态范围。 F-P 腔长的精确解调过程首先是由计算机采集 扫描激光波长解调仪的光谱数据， 将测得的光谱数 据进行数字滤波处理后， 用 F-P 干涉仪理论进行实 时拟合运算， 得到 F-P 腔的绝对长度值 ， 然后根据
构成， 下面分别简要介绍这两种传感元件的基本工 作原理。 （1） 光纤 F-P 腔压力传感器工作原理 光纤压力传感器采用非本征 F-P 干涉仪作为压 力传感元。F-P 干涉仪 （又叫 F-P 腔） 的基本结构是 两个平行的平面反射镜， 光经过反射镜时会在两个 反射镜之间发生多次反射， 经历不同反射次数的光 束之间会发生干涉效应， 而干涉光谱特征与两个反 射镜之间的距离有确定的对应关系。如图 1 所示， 光纤 F-P 腔是由光导入/导出光纤、 反射光纤和准直 毛细管构成， 光纤与毛细管采用专用激光熔接机热 熔键合固定， 光学 F-P 腔是由光纤的两个相对的端 面构成， 两个端面之间的空气隙长度即为腔长 。 F-P 腔光纤传感器压力传感机理可描述为当环 境静压加载到 F-P 腔结构上时， 石英毛细管产生形 变， 引起传感器腔长发生变化， 进而引起反射光谱特 征发生变化， 通过 F-P 光纤传感器信号解调系统测 得的光谱信号变化解调计算出 F-P 腔长的变化， 即 可以得到压强变化的信息。 设构成 F-P 腔的石英毛细管的内径为 为 ， 由外界施加压强 可以表示为： （1） 式中： Lg ──F-P 腔光纤传感器热熔键合点间 的距离即标距； E──毛细管材料的杨氏模量； μ──毛细管材料泊松比。对于所使用 ， 外径 引起的传感器腔长变化

国内首次研制成功可在高温高压油井下使用的光纤压力传感器

国内首次研制成功可在高温高压油井下使用的光纤压力传感器

究 了传 感器及光 缆的 密封技 术 ， 国内首次建立 了第 在
一
个 固 定 式 光 纤 温 度 压 力监 测 油 井 示 范 工程 ， 内 首 国
［ 编辑
朱
伟 ］
＜． ｜
《． ｜
＜． 砻
《． ｜
国内首次研制成 功可在高温高压油井下使用 的光纤压力传感器
由山东省科 学院激光研 究所承担 的 “ 纤高温 高 光
压 井筒测 试技 术 ” 题 于 ２ １ 课 ０ ０年 ３月 ３ 日通 过 科 技
次 实现 了采用 Ｆ Ｇ技 术对振 动进行 高灵敏度 、 Ｂ 大动 态 范 围监测 ， 解决 了油 井温度压 力的长期在 线监 测问题 ， 推 动 了光纤传感技 术在 油田行 业的应 用。利 用这一技
Ｐｒ ｓ， ９ ４． ｅｓ１９
［ ３］ 罗英俊 ． 采油技术手册 ［ ］． Ｍ ３版 ． 北京 ： 油工业 出 石
版 社 ．０ ５ ２０．
Ｌ Ｏ Ｙｎｊｎ Ｏｌｅｏ ｅ ｃｎ ｌ ｙｈｎ ｂｏ （ｒ ｉ Ｕ ｉｇ ． ｉｒ ｖｒ ｔ ｈ ｏ ｇ ａ ｄｏｋ ３ ｅ － ｕ ｃ ｙ ｅ ｏ ｄ ｄ
油 田现 场 实施 ４井次 ， 工 成 功率 １０ 平 均 提 高 施 ０％， 单 井 泵 效 ２％ 以上 （ 表 １ｏ另外 ， 检 泵作 业 中 ０ 见 在 不动 油管柱 ， 只通过 起下 抽油 杆完 成检 泵作业 ， 约 节 了工期 ， 降低 了作业成 本 。
表 １ 现场实施前后效果对 比
７ ０
石 油钻 采工 艺 ２ １ ０ ０年 ３月 （ ３ 第 ２卷 ） ２期 第
到 Ｇ ／一１６７ ０ １抽油泵及其组件规范 》 ＢＴ ８０—２ ０《 中所 封性 较好 ， 可接近 零漏失 ， 油井泵效 大大 提高 。 使 规定各项指标 ， 完全满足现场施工的要求。 （） 以在不起 油管 的情况 下 ， 固定 阀捞 出 ， ２可 将 更 换 皮碗 和 阀 球后 重 复 使 用 ， 少 了作业 时间 和作 业 减 ３ 现 场 应 用 费用 ， 高 了油井 时效 。不 需配 泄油 器 ， 固定 阀捞 提 将 Ｆ ｅｄａ ｐ ｃ ｆｏ ｉｌ ｐ ｆ ａ ｎ ｉ ｉ 出即可实现 油套连 通 ， 到泄油 目的。 达 ２０ ０８年 ７月 ， 捞 固定 阀软 柱 塞 抽 油 泵 在 ＤＱ 可 （） 泵对 于不 出砂或极 少 出砂 的油井有较好 的 ３该

一种F-P光纤爆炸压力传感器设计

一种F-P光纤爆炸压力传感器设计
（１．军 委 后 勤 保 障 部 工 程 兵 科 研 三 所 ，河 南 洛 阳 ４７１０２３； ２．河南省特种 防护材料重点实验室 ，河南 洛阳 ４７１０００）
摘 要 ：设计 了一种支撑式光纤法布里一珀罗 （Ｆ－Ｐ）爆炸压力 传感 器 ，传感器采用 支撑式结构 ，采用 三波长 法进行解调 ，量程 ５０￣５００ＭＰａ。压力加载试验 表明 ：研制 的 Ｆ．Ｐ压力传 感器线性 度较好 ，回程误差 小 ，具 有较高的频响特性 ，在实际 的爆炸测试 中不受 电磁 干扰影响 ，可用 于爆 炸动压测量 。 关键词 ：法布里一珀罗 ；压力传感器 ；爆 炸测量 中图 分 类 号 ：ＴＰ２１２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０００－ ９７８７（２０１８）０２－ ０ ０９９－ ０３
为此 ，基 于 Ｆ－Ｐ原理 ，本文设计 了一种可用 于大压力测 量的爆炸压力传感器 ，即支撑式结构 的光纤 Ｆ—Ｐ传感器 。
１ 传感器封 装结构 传感器 Ｆ—Ｐ腔结构 如图 １所 示 ，由 ２个 镀膜 的 陶瓷插
芯 端 面 构 成 ，图 中 上 部 的 陶 瓷 插 芯 由插 芯 托 柄 固 定 封 装 于 支撑 圆柱体上 ，其 端面镀有反射率约为 ３０％的介质 膜作为 Ｆ．Ｐ的一个反射 面 ，下部 的陶瓷插 芯 内有 光纤 ，其上光 纤端 面镀 有反射率约为 ８％ 的介质膜 。当支撑 圆柱受到 压力作 用压缩变形时 ，两陶瓷插芯端面形成 的 Ｆ—Ｐ腔腔长变小 ，即 被测 外 界 压 力 引 起 了 Ｆ．Ｐ腔 腔 长 的变 化 。
２０１８年 第 ３７卷 第 ２期
传感器 与微 系统 （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
９９
ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１８）０２－００９９－０３

一种改进型光纤压力传感器设计

一种改进型光纤压力传感器设计

一种改进型光纤压力传感器设计杨永亮1， 张羽2， 李雪佳1， 于振2， 关丙火1， 吴则功3（1. 中国神华能源股份有限公司 神东煤炭分公司，陕西 榆林　719315；2. 天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州　213015；3. 齐鲁工业大学（山东省科学院） 山东省科学院激光研究所，山东 济南　250104）摘要：针对现有光纤压力传感器压力监测范围小、灵敏度低、成本高的问题，设计了一种改进型光纤压力传感器。

在悬臂梁粘贴一支应变光纤光栅，悬空一支温度光纤光栅（使其不受应力）。

悬臂梁下方的限位罩将弹簧、波纹管压罩、波纹管罩于其内部，限位罩内侧上平面与弹簧上平面接触，弹簧下平面与波纹管压罩接触。

当外界压力通过波纹管底部的管道到达波纹管时，高压使其产生轴向的形变，进而压缩弹簧，最终弹簧发生形变，将力传至悬臂梁，改变应变光纤光栅的受力情况。

在单层波纹管增加了劲度系数更大的弹簧，以限制外界产生压力时单层波纹管发生形变，使波纹管与弹簧共同传递压力到悬臂梁。

实验结果表明：改进后传感器的压力监测量程为0~5 MPa ，相比改进前提升5倍，传感器的灵敏度为0.379 98 nm/MPa ，测量误差在0.02 MPa 之内。

将改进后的压力传感器应用于某井下输水管道进行验证，结果表明：与高精度电子压力计测量结果相比，该传感器的压力解调误差在0.02 MPa 之内。

关键词：光纤压力传感器；应变光纤光栅；温度光纤光栅；单层波纹管；悬梁臂；限位罩；弹簧中图分类号：TD326.2 文献标志码：ADesign of an improved fiber optic pressure sensorYANG Yongliang 1, ZHANG Yu 2, LI Xuejia 1, YU Zhen 2, GUAN Binghuo 1, WU Zegong 3(1. Shendong Coal Branch, China Shenhua Energy Company Limited, Yulin 719315, China ；2. Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China ；3. Laser Institute, Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences), Jinan 250104, China)Abstract : In response to the problems of small pressure monitoring range, low sensitivity, and high cost of existing fiber optic pressure sensors, an improved fiber optic pressure sensor is designed. A strain fiber optic grating is stuck on the cantilever beam and a temperature fiber optic grating is suspended (to make it stress free).The limit cover below the cantilever beam places the spring, corrugated pipe pressure cover, and corrugated pipe cover inside it. The inner upper plane of the limit cover contacts the upper plane of the spring, and the lower plane of the spring contacts the corrugated pipe pressure cover. When external pressure reaches the corrugated pipe through the pipeline at the bottom of the corrugated pipe, the high pressure causes it to undergo axial deformation.The deformation in turn compresses the spring. Finally, the spring undergoes deformation and transmits force to the cantilever beam, changing the stress situation of the strain grating. A spring with a larger stiffness coefficient is added to the single-layer corrugated pipe to limit its deformation when external pressure is generated, allowing the corrugated pipe and spring to jointly transmit pressure to the cantilever beam. The experimental test results收稿日期：2023-05-29；修回日期：2023-12-03；责任编辑：王晖，郑海霞。

光纤压力传感器FOP-M260在颅内压监护仪中的应用

光纤压力传感器FOP-M260在颅内压监护仪中的应用

光纤压力传感器FOP-M260在颅内压监护仪中的应用加拿大FISO是知名的神经外科产品和手术器械供应商之一，FISO致力于为神经外科医生提供品质一流，配套齐全的神经外科系列产品，在过去多年以来是神经外科产品行业的佼佼者。

加拿大FISO公司生产的光纤压力传感器- FOP-M260，检测脑组织、脑室、硬膜下压力，为临床医生提供如下益处：操作简单、安全、损失小；精准清晰的屏幕显示，ICP颅内压波形及数字显示；趋势分析，提供最近的连续12-24小时ICP数值；ICP高压报警，如颅内压超过所设定的上限，机器即会报警，为颅脑损伤、颅内感染、中毒、颅内肿瘤等所致颅内高压病人提供了安全有效的监控。

将颅内压数据输入到NicoletOne monitor脑功能监护仪，可以对神经外科病人的术后和术中病人提供脑功能的全面监测和评价。

正常成人颅内压力为80～180mmHg。

颅内压增高（颅高压），系指颅腔内容物对颅腔壁所产生的压力超过200mmHg时所产生的一系列临床表现。

颅高压是神经内科一种很常见的综合征和急症，是导致神经系统危重症患者病情恶化、预后不良或死亡的最常见原因之一。

引起颅高压的原因很多，神经内科常见的疾病有以下几类：（1）脑血管疾病，包括脑出血、蛛网膜下腔出血、大面积脑血栓形成、脑栓塞和颅内静脉窦血栓形成等。

（2）颅内感染性疾病，包括病毒、细菌、结核、真菌等引起的脑膜炎、脑炎、脑脓肿等。

（3）脑积水，包括各种原因引起的交通性和非交通性脑积水。

（4）未得到有效控制的癫痫持续状态。

（5）各种原因引起的缺血缺氧性脑病。

（6）其它神经系统疾病，包括脱髓鞘性疾病、颅脑损伤和占位性病变等。

（7）全身性疾病也可产生不同程度的颅高压，包括各种全身性疾病引起的代谢性脑病、高血压脑病和中毒性脑病等。

颅内压监护仪的目的：1、为治疗决策提供依据.2、避免无谓地使用可能导致严重副作用的脱水药和其他降颅压措施.3、有助于及时发现颅内占位病变.4、有助于判断预后.5、植入脑室的导管还可引流脑脊液降低ICP.最后小编给大家介绍一款应用在颅内压监护仪中的光纤压力传感器，那就是由著名传感器线上商城工采网ISweek 从加拿大进口的一款优秀的光纤传感器，那就是光纤压力传感器- FOP-M260，FOP-M260光纤压力传感器是专为医疗领域涉及的小体积，高精度的传感器。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

金片 3J53为感应材料 [5 ] ,其杨氏模量 E = 1. 85 ×1011 N /m2 , 泊松比 γ = 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 ]
ω
=
3pR40 ( 1 - ν2 16Eh3
)
,
(4)
式中 载荷 p为液体压强 ; R 为弹片的半径 ;ν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 ,即弹性薄片厚度 h = 0. 4 mm ,弹性薄片的圆半径 R =
的周期变化的正弦函数 ,其变化周期为 λ/2,即弹性薄片的
形变量 ΔL 每变化 λ/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 0 ～0. 1 M Pa,采用波长为
0 引 言 光纤 F2P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 F2P腔液位传感器等 。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 。
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 Δλ应大于光源的光谱宽度 。腔长为 L 的 F2P腔
的自由光谱范围 Δλ为 [7 ]
λ2
Δλ = 0 .
(5)
2L0
因此 ,还要求 F2P腔光学谐振腔的初始长度 L 满足下
式
λ2
L0
<
0
2Δλ
.
(6)
考虑到初始长度不小于 1. 0 mm ,那么 ,对光源的自由
F iber2optic pressure sen sor
ZHAO Zhong2hua, GAO Ying2jun, LUO Yu2feng
( In st of Photoelectr ic ity Eng in, J inan Un iversity, Guangzhou 510632, Ch ina )
图 4 压力与条纹的关系
F ig 4 Rela tion of pressure and str ipe
考虑弹性片的半径 R0、厚度 h以及杨氏弹性模量 E等
图 1 F2P液位传感器结构示意图 F ig 1 Structure schema tic d iagram of F2P cav y liqu id
level sen sor
光纤 F2P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, 4 ]
收稿日期 : 2005 - 06 - 21
光谱 Δλ要求不大于 0. 08 nm 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 F ig 2 Structure d iagram of exper iem en ta l system
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 。
相位差 ,那么 ,弹性片微位移引起的相位为
Δφ = 2π ( 2nΔL ) /λ ,
(2)
式中 ΔL 为 F2P腔的腔长变化量 。
光程差引起的干涉条纹移动的条数为
N =Δφ/2π = 2nΔL /λ ,
(3)
式中 n为空气的折射率 ;λ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
405 nm 的蓝光光源 ,弹性片的最大移动应为 1. 0 mm ,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胀系数很小 ,和基座
也很匹配
,但是
,考虑到材料的屈服极限
σ 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
腔长为 1. 0mm,腔壁材料使用热膨胀系数 α = 0. 55 ×10- 6 / ℃ 的石英 ,温度变化 50°所产生的腔长度变化为 30. 25 nm ,采 用光源波长为 405 nm 的光源 ,腔长每改变 203 nm ,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 Δn < 10 - 5。腔长 L = 1. 0mm ,则光程差 Δδ小于 10 nm ,远远小于一个条纹的光 程差 203 nm。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。
50 传 感 器 技 术 第 24卷
sin2 1 Nφ
I = I0
2, sin2 1φ
(1)
2
式中 I0 为每束光的振幅 ; N 为光束的总数 ;φ为各相邻光 束之间的相位差 。
设 Δφ为激光在 F2P腔内反射一次后因光程差引起的
2. 2 条纹的接收和处理 由于信号光的波长为 405 nm ,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 。
第 12期 赵中华等 :光纤压力传感器 51
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
Abstract: A fiber2op tic p ressure sensor by counting interference stripe of Fabry2Perot( F2P) cavity is introduced, which can be u sed in som e inflamm able and exp lo sive circum stance. The p rincip le and the configuration param eters design of the senso r are described. Facto rs of error and future imp rovem ents are discussed. Experim ent result show s the fiber2op tic sensor w ith F2P cavity is simp le in design, low in cost, excellent in anti2 interference ability and p recise in p ressure detecting. It can reach 10 m in m easurem ent range and 0. 02 % in accu rancy. Key words: fiber2op tic p ressure sensor; Fabry2Perot( F2P) cavity; interference stripe
28. 9 mm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 , F2P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 F2P腔光学
谐振腔的初始长度 L 时 ,要注意 ,首先 , L 要大于 1. 0 mm ,以
图 3 施密特触发电路的输出信号 F ig 3 O utput signa l of tr igger c ircu it V0 和 Vm in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 。
2005年 第 24卷 第 12期 传感器技术 (Journal of Transducer Technology)