光纤压力传感器原理.doc

压力传感器

压力传感器的重要传感元件是法布利-比洛特(FP)型光学干涉仪。干涉仪的两面镜子分别是位于一端的薄膜内表面和位于另一端的光纤尖端。所施加的压力P 引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接转换成了FP 干涉仪空腔长度的变化。

为得到薄膜偏移和所施加的压力间的线性关系，传感器的形状和材料都经严格选择。其系可表示为：

Lcav(P) = L0 + (P-P0S) (1)

其中P是施加到薄膜外表面上的压力(单位psi)

P0是FP空腔内的压力(单位psi)

Lcav是由信号解调器所测得的空腔长度(单位nm)

L0是处于零点初始状态的空腔长度(单位nm)，通常定义为P =P0

S 是传感器的灵敏度(单位nm)

压力传感器有三种不同的类型：1)量规型；2）绝对型和3）差分型。在量规型传感器的情况下，P0等于周围压力或大气压。量规型传感器有a)一个通气孔，它使空腔处于周围压力下或b)一个密封成大气压的空腔；在绝对型压力传感器的情形下，P0 = 0，工厂生产时其空腔在真空状态下密封；而在差分型传感器的情形下，P0等于任意的压力。这种类型的传感器有一个通气孔接头，用于维持空腔内给定的压力。

信号解调处理

原理

我们所有传感器的信号解调器都是根据白光干涉技术制成的。信号解调器(FTI-100i, FTI-10，等)将来自传感器的光信号转换成绝对FP空腔长度。这个空腔长度之所以被称为绝对是因为它确实对应着测量这个光信号时的FP干涉仪的物理空腔长度（相对于空腔长度的相对测量ΔL，其时被确定为任意的初始值）。这个差别是重要的，因为许多光纤传感技术、尤其是那些基于单色光干涉术（与白光干涉术相反）的传感技术，仅能测量长度变化ΔL。在要求长期静态测量的所有应用中,绝对测量是至关重要的。光信号以信号解调器采样速度所确定的频率被转化。在压力传感器的情况下，10,000nm 的工作范围内转化准确度为±1nm。一旦测得空腔长度Lcav，解调器就会根据下面的公式计算P-P0P-P0 =

(Lcav-L0)/S (2)

然后就计录并在解调器上显示这一压力值（帝制单位psi或SI单位bar）。灵敏度系数S（由仪器序列号决定）及L0的初始定义值提供了将所测得的空腔长度转化为压力的所有必要信息.

仪器序列号

（在传感器光纤接头附近打印的）仪器序列号有7位数，在压力传感器的情况下以数字6开始。压力传感器仪器序列号的形式为6XYZZZZ，其意义如下：

* 数字6 表示该传感器为压力传感器（数字4表示温度传感器）；

* 数字X仅用于区别一批中那些具有相同灵敏度的传感器；

* ZZZZ是灵敏度S与刻度因数之积，即ZZZZ = S·10(n+1)，其中n=0, 1, 2 或3

* 数字Y给出了刻度因数n的值，即Y=n

我们的信号解调器有一套完整的功能，可让用户在解调器存储器中储存、消除或选择不同的仪器序列号。这些功能可通过前板面的按压控制键或RS-232序列连接的遥控指令实现。在存储器中可储存多大50个仪器序列号。

0的定义

以压力传感器的类型不同，空腔长度有不同的定义。

量规型：信号解调器(FTI-10, FTI-100i等)容许用户让传感器自我设定空腔长度L0之值（原始值等于0），因此而设定测量的始态。这可通过解调器的清零（ZERO/NULL)来执行。当用户选择ZERO/NULL指令时，解调器会立即记录下传感器的空腔长度并将之设定为L0。通常在周围环境压力或大气压下完成这个过程。解调器将在存储器内保留这个定义值直至下次用户改变时（注：当记忆消失或解调器失灵时,用户可（应用内部单元的OFFSET功能）找回先前定义的L0值）。

绝对型：这种类型的传感器有一个工厂校正的空腔长度L0。用户通过内部单元的OFFSET 功能即可向解调器存储器内输入这个值。

差分型：步骤与量规型相同

准确度

传感器的准确度取决于精度(0.1%FS)、零点热漂移(%FS/℃)和灵敏度热漂移(%读数/℃)。总误差是这三个分离误差的函数，最坏的情况是它们最大或最小值的代数和。下面的图显示了这些误差对传感器响应特性的影响。

压力传感器的标称响应零点热漂移灵敏度热漂移

压力单位

常用压力单位换算关系