一种小型光纤流体压力传感器的设计.docx

一种小型光纤流体压力传惑器的设计周胜军李玉权 (解放军理工大学通信工程学院光纤教研室，南京，210016)摘要：本文论述一种小型光奸漉体压力传感嚣的设计方法．这种传感嚣拥两桩光纤分别作为光信号的发射器和接收器，在一根导警内焉序放置多十传感嚣．从而实现小型复杂结构的压力准确测量．该 传蓐嚣的体积小、重量轻、对电磁场和化学反应不般感．在解决压力的实时监控有重萎的应用价值．文 章首先介绍了小型流体压力传尊嚣的设计要求和现有的设计方案．说明了藏体压力传赔嚣中光纤的方向性对传感器设计的影响，提出了采用硅凝胶作为压力变送元件的设计方案．并肌静态特性和动态特性两 十方面验证了选种方案．1引言小型光纤流体压力传感器的输出信号不会受到环境电磁辐射的干扰．体积小，而且无 需其他复杂技术就可以实现准确的压力测量．由于光纤技术的不断发展和这种传感器的 特殊性(传感器光信号发射器和接收器是组合在一起的)．目内外对这种传感器的研究不 断深入．2小型流体压力传感器的设计要求单个传感器的最大尺寸为Imm,采用有机玻璃多模光纤．它的最大直径为125p．m．这个直径使传感器的尺寸仅受光纤机械强度的限制．传赙器的压力测量范圈应从．5”女井5”a’这种传感器的精度要求高．大约在士1％以内，带宽要求为40Hz,以避免信号失真：最小弯曲半径为50ram,这样使用上既比较灵活又不损失测量的精度．3现有传感器的设计现在市场上有多种类型的光纤压力传感器．这些光纤压力传感器所采用的变换元件 可以将光纤搽涮到的压力变化转化为变换元件本身的物理特性的改变．我们采用置于光纤柬末端导瞥内的硅凝胶作为变换元件．传感器要求单个压力传感 器具有较小的尺寸．在一根导管内可以顺序放置多个传黪器．测量要求传摩嚣的位置尽 可能地准确．而且要求光纤的数目尽可能地少．光纤压力传感器的指标是信号的分辨率和是技度．传感嚣系统要求换能嚣能够探涮 到微小的流体压力变化．为了使导瞥能档容纳下变换元件．要求变换元件在尺寸上尽可 能地减少、极薄且富有弹性．4光纤压力传感器的设计4．1传感器中光纤的方向性研究表明，光纤传感器主要采用两个波长来测量压力，采用这两个峰值波长的揉测 器的输出光信号是不相同的．压力的变化将导致两个不同峰值波长的探测器的输出幅值 发生改变。采用两根接收光纤代替一根接收光纤可以补偿光纤中光信号的损失。我们可 以通过圈1来了解光纤压力传感器调制的光信号幅度的变化情况。反射撅^，，●iy．1图1(a)使用一根发射光纤和一根接收光纤的光纤压力传感器 (b)该光纤压力传感器的输出信号特征这种光纤压力传感器由一根发射光纤和两根接收光纤组成。在信号幅度上，这将会 产生三个不同的区域(如图lb所示区域l、区域2、区域3)．区域1是死区，它产生于 光纤太靠近反射面的位置。在死区内．光线在反射面的投影不会被反射回来；区域2的 信号产生于反射光线通过接收光纤的表面．光线在反射面的投射会部分被反射回来一而 且信号的增益比较大，所以适合于测量反射面的距离比较小的压力变化．区域2的宽度 是纤芯尺寸的函数；区域3是适台于设计压力传感器的理想区域，不仅它的宽度比较合适，而且光纤的工作状态不是在临界状态．这种情况可以用平方反定律来说明。接收光 是接收光纤的横向区域面积和发射光纤有效区域面积的比值．在区域3内选择适当的工作特性区是非常重要的．它是保证传感器的特性不会发生 漂移到其它区域的重要手段(见图lb)：接收光纤太接近反射面，传感器的读数将会落入 区域2或区域1。如果采用两根接收光纤排列内在传感器的导管中的同一位置．压力测量 结果将是相同的．我们通常采用两根接收光纤在传感器导管的位置不一致的方法(如图 2)，这样将确保测量的准确性．反射面图2用于克服光纤徽弯而引起的输出幅值偏移的光纤压力传感器 通过平方反比定律可得出·I的光强为L的关系为：松网1x为发射光纤到反射面的距离，L-+x为接收光纤的反射距离，这个表达式不可能为0． 如果x的距离太小设计为区域3的一半以上，那么传感器的输出特性落在区域2和区域I 的可能性就会被避免。设计过程中的第二个重要环节是辅助光纤的位置和离反射面的距离。传感器用于压 力测量时，我们希望它能弯曲90度，如果两根接收光纤都位于光纤中的同一位置，它们 的弯曲半径也差不多，光信号的损失也比较相近；当光纤不被弯曲得太厉害时，两根光 纤中的光信号比值应该保持不变，第二根接收光纤的位置设计尤为重要，如果它离反射 面太远，那么接收到的信号太弱．作为参考信号的质量将会受到影响．如果离反射面太 近，那么它与主接收光纤的信号差异太小，这将导致预放大阶段的信号不稳定．从而引 起噪声．主接收光纤和辅助接收光纤的光信号强度分别用下式表示：‘“南r幢’62912≈(2X+岛)2(3)两者之间的比值为量。当f!墨±生!：Lx,(