專利名稱：光纖壓力傳感頭的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于液體或氣體壓力測量儀器的傳感元件。
70年代后期已經開始研制光纖壓力傳感頭，感受的壓力通過光強衰減變化作信號供測壓儀器測定。傳感機理主要有彈性膜片反射式、動柵式、干涉式、雙折射式和周期性微彎式。各種型式性能各有優點，但在產品開發方面以反射式和周期性微彎式占多數。膜片反射式結構簡單，響應速度快，但長期使用，光纖端面和膜片反射面均易受污染，影響儀器的檢測靈敏度和準確度。周期性微彎式與本傳感頭在原理上較相近，都是利用光纖彎曲變形引起光強衰減來測量壓力。周期性微彎壓力傳感頭靈敏度較高，但它允許光纖的變形量很小，通常只有幾百微米之內，這就限制了測壓范圍。此外，這類傳感頭設計制造復雜，要有制造精度很高的鋸齒板，且無法與傳統的彈性元件相聯。因此雖有較多的開發研究者，但至今尚無成熟的實用化商品。
本實用新型的目的是提供一種結構簡單，制造容易，不怕污染，使用方便，測壓范圍寬，感受靈敏的光纖壓力傳感頭，用它制造的測壓儀器可代替傳統機械壓力表，特別適用于易燃、易爆環境下工作，便于進行遙控遙測。
本實用新型結構方案是將作為壓力傳感元件的光纖繞成中空螺旋型工作光纖環，把它裝在一普通壓力表用的單圈彈簧管上。當被測壓力通入彈簧管內，彈簧管有變圓和伸直趨向，彈簧管的伸直位移引起工作光纖環的壓縮，使光纖環彎曲變形，導致光纖內光強衰減，與壓力對應的光強衰減信號輸入測壓儀器檢測電路，便可測定被測壓力。
為減小電源波動和環境溫度變化的影響，還增設一個參考光纖環，要求工作光纖環和參考光纖環的直徑和環的圈數相同。
工作光纖環在單圈彈簧管上的安裝位置很重要，因彈簧管上各點位移量各不相同，管子自由端位移量最大，越靠近固定端位移量越小。另一方面，彈簧管上不同位置，其壓力一位移轉換的線性度不一樣，位移量大的部位線性差，反之，位移量小的部位線性好。根據測壓范圍和測壓準確度的要求，本方案確定在距單圈彈簧管固定端120°～150°處安裝工作光纖環。
光纖環的直徑大小和圈數多少直接關系到壓力傳感頭的靈敏度、滯后和重復性。減小光纖環直徑及增加圈數有利于提高傳感頭感受壓力的靈敏度，但光纖環中傳輸光強的衰減也增大，給光信號的檢測帶來困難。而且過多圈數，靈敏度提高并不多，反而會增大滯后，降低重復性。而過小光纖環直徑不僅制作困難，光纖易折斷，疲勞壽命也會降低。經反復試驗，本方案提出光纖環直徑為φ5～φ10毫米，光纖環圈數以3～6圈為宜。
參考光纖環安裝在固定支架上，不感受壓力。工作光纖環和參考光纖環直接耦合在一只發光二極管LED上，兩條輸出經測壓儀器檢測電路最后在計算機內相除，以達到減小電源波動和環境溫度變化影響的目的。
圖1為本實用新型結構方案示意圖；圖2是圖1的A－A剖面圖；圖3是圖1的B－B剖面圖。
如圖1所示，光纖壓力傳感頭主要由單圈彈簧管4、上反向器1、下反向器2、工作光纖環3、參考光纖環7和固定支架5組成。由圖2可知，工作光纖環3由專用夾片9夾在上反向器1和下反向器2之間，上反向器安裝在固定支架5上，下反向器安裝在普通壓力表用的單圈彈簧管4上，被測壓力經接管頭6通入彈簧管內，彎曲的彈簧管有截面由扁圓變圓和管子伸直的趨向，管子的伸直移動便帶動下反向器2向上移動，從而壓縮工作光纖環3，使其彎曲變形，通過它的光強即發生衰減。如圖3所示，參考光纖環7被繞在螺栓8上，并由螺栓8安裝在固定支架5上。
申請人已制作出光纖環圈數為4、直徑為7毫米的光纖壓力傳感頭，配上相應的檢測電路和微機控制系統，組成了智能化的測壓裝置，用標準活塞壓力計(精度為0.05％)，在室溫19℃條件下進行測試，結果見附表。
本實用新型的優點1.由于采用中空螺旋形光纖環作為壓力傳感元件，光纖在傳感頭中連續，不存在暴露的光學面，因而不怕污染。
2.測壓動態范圍大，因光纖環變形量大，可達幾毫米。
3.結構簡單，制造容易，使用方便。免去制作復雜的鋸齒壓板，只需裝在單圈彈簧管上或其它傳統的彈性元件如膜片、膜盒、波形管等便可測壓。
4.使用它測壓準確度高。
權利要求1.一種光纖壓力傳感頭，其特征是有一個中空螺旋形的工作光纖環[3]，它被安裝在單圈彈簧管[4]上。
2.根據權利要求1所述的壓力傳感頭，其特征是有一個中空螺旋形的參考光纖環，它被安裝在固定支架〔5〕上。
3.根據權利要求1所述的壓力傳感頭，其特征是工作光纖環〔3〕由專用夾片〔9〕夾在上反向器〔1〕和下反向器〔2〕之間，上反向器安裝在固定支架〔5〕上，下反向器安裝在單圈彈簧管〔4〕上，通入被測壓力的單圈彈簧管有伸直趨向，帶動下反向器上移可壓縮工作光纖環。
4.根據權利要求1所述的壓力傳感頭，其特征是工作光纖環〔3〕安裝在距單圈彈簧管固定端120°～150°處。
5.根據權利要求1或2所述的壓力傳感頭，其特征是工作光纖環〔3〕和參考光纖環〔7〕的直徑和圈數均相同，光纖環的直徑取φ5～10毫米，光纖環的圈數為3～6圈。
專利摘要光纖壓力傳感頭是用于測壓儀器的關鍵部件，它有中空螺旋形的光纖環，安裝在普通壓力表用的單圈彈簧管上。被測壓力輸入彈簧管內，彈簧管有伸直趨向，導致光纖環被壓縮而彎曲變形，使通過光纖環的光強發生衰減，光強的衰減與被測壓力相對應，光強衰減信號輸入測壓儀器即可精確測定壓力，本實用新型結構簡單、制造容易、不怕污染、使用方便、測壓精確，用它制作的測壓儀器是理想的換代產品。
文檔編號G01L7/02GK2157511SQ9320620
公開日1994年2月23日 申請日期1993年3月9日 優先權日1993年3月9日
發明者戴蓮瑾, 曹明, 張琦躍, 余向東, 吳巖, 劉月明 申請人:中國計量學院