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)