[发明专利]用于非接触压力测量的光学传感器

说明书

本发明涉及一种用于非接触压力测量的光学传感器。

用于压力测量的光学传感器根据用来测量压力参数的不同手段，一般可以划分成两个主要不同种类：“干涉式”和“强度调制式”光学传感器。在“干涉式”光学传感器中，压力通过在进来光学探测光束与来自光学压力检测元件的出来光束之间的相变而测量(使用Bragg、Fabry-Perot、Michelson、Mach-Zehnder干涉仪)。在“强度调制式”光学传感器中，压力通过在进来光学探测光束与来自光学压力检测元件(典型地压力检测隔膜的反射表面)的出来光束之间的强度变化而直接测量。在“强度调制式”光学传感器中，光导纤维用来驱动在压力检测反射隔膜前面的进来光束，并且用来收集由隔膜本身反射的光束。

“干涉式”传感器具有以比“强度调制式”传感器高的分辨率测量压力的优点，但另一方面，“干涉式”传感器由于较复杂光学设计的使用，对于机械振动(常常在工业环境中存在)较敏感，并且较不可能，该光学设计与干涉仪有关。干涉仪的使用和相干LASER(激光)源的需要使得“干涉式”传感器甚至比稳固和坚固光学“强度调制式”传感器昂贵，在该稳固和坚固光学“强度调制式”传感器中，可以使用低成本不相干LED源。

光学传感器允许在非接触条件下进行压力测量，使得这些传感器对于所有用途都非常有益，在这些用途中，必须连续地监视快速和周期压力变化，如在汽车领域中的发动机汽缸燃烧室中那样。

光学传感器对于电磁干扰强烈地不敏感，这种电磁干扰在工业环境中的测量区域中常常存在，这些光学传感器是光学探针，该光学探针用来仅仅基于光导纤维到达测量区域，该光导纤维是无电源的，并且固有地对于EMI问题不敏感；对于这些光学传感器，全部有源器件都布置得离压力测量区域足够远，并且典型地在受控位置中，这些有源器件需要进行光学信号传输和探测，在该受控位置中，EMI问题不再存在，消除了归因于EMI或RF干扰的信号降低。

压力测量大大地提高传感器本身的整体可靠性，使这个种类的传感器对于在工业环境中的使用非常有吸引力，这种压力测量使用光学传感器以非接触方式进行，并且在其中必须监视压力的区域中，不需要任何有源电子器件，在该工业环境中，到达苛刻条件，这些苛刻条件归因于极端高过程温度，如在塑料挤压、注射及吹制模压用途中那样，或在当必须监视在发动机汽缸燃烧室中的压力测量时的汽车用途中那样。所述压力测量大大地提高在工业区域中的安全性，这些工业区域具有苛刻条件，这些苛刻条件归因于爆炸性或易燃气体或材料的存在。

光学传感器允许高达数十千米距离的压力测量，使得这种传感器对于在油井设备、钻井系统及输油管道中的压力测量非常有吸引力，这些光学传感器将单模纤维(Single Mode Fibers)用作传输介质。

光学传感器还允许测量非常高压力级，因为压力变换器基于可变形压力检测隔膜、和在高温下的压力，而不使用汞(Hg)或其它潜在危险流体，并所以完全符合RoHS规程，修改该可变形压力检测隔膜的厚度，可以改变随压力的变形。

在光学传感器的出现之前，已经开发了用于压力测量的其它类型传感器，“压电式”或“压敏电阻式”压力传感器。在“压电式”电子传感器中使用的物理原理是压电效应，该压电效应由某些特定晶体(压电晶体)呈现，其中，沿特定方向施加到晶体上的压力的变化在晶体本身上产生电压变化，该电压变化是施加压力的度量。在“压敏电阻式”电子压力传感器中，压力变化通过典型地在Wheatstone电桥上的电阻变化而测量，该电阻变化由压力诱导。即使两个种类的这些传感器都广泛用在工业环境中，在该工业环境中达到苛刻条件，以前列出优点的多个也不再适用于这个种类的传感器；明确地说，这种传感器需要在变换器芯片与压力检测隔膜之间的机械接触。变换器芯片是有源电子器件，该有源电子器件需要放置得非常接近其中必须监视压力的区域(典型地离压力检测隔膜几个毫米)；因为这个原因，当它工作在具有苛刻条件的区域中时，其可靠性降低，这些苛刻条件与非常高温度有关，并且它需要供电。即使变换器芯片典型地屏蔽在避免EMI问题的金属外罩中，对于探测和信号调节需要的电子仪器也可仍然遭受EMI问题，因为它必须仍然足够接近变换器芯片盒，以避免小幅值信号的降低，该小幅值信号使用长和昂贵的电缆。最后，要测量的每个压力范围需要变换器芯片的专门设计，降低关于有关产品成本节省进行体积规模节约的可能性。