[發(fā)明專利]壓力傳感器

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200780053714.7
• 申請(qǐng)日: 2007-07-09
• 公開（公告）號(hào): CN101730838A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: F·卡舒貝克;A·克拉梅;K·博內(nèi)特;H·布雷德勒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: ABB研究有限公司
• 主分類號(hào): G01L1/24
• 分類號(hào): G01L1/24;G01L11/02
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李娜;李家麟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓力感測(cè)元件的領(lǐng)域，所述壓力感測(cè)元件是基于透明體的壓力導(dǎo)致的雙折射變化(通過利用光源照射來讀出)。更進(jìn)一步地，本發(fā)明涉及用于操作這樣的壓力感測(cè)元件的方法以及對(duì)這樣的壓力感測(cè)元件的使用。

背景技術(shù)

已存在通過下面的光學(xué)手段來測(cè)量壓力的許多可能性：法布里-珀羅和光纖布拉格光柵技術(shù)、拉曼散射、布里淵散射、膜集成波導(dǎo)、機(jī)械式諧振振蕩器、漸逝場(chǎng)耦合或光子晶體。在下文中公開的技術(shù)使用由不均勻應(yīng)力分布導(dǎo)致的雙折射來測(cè)量壓力。

使用雙折射來估計(jì)應(yīng)力分布的方法被稱為“光彈性學(xué)”。它在上世紀(jì)初就已被開發(fā)，并且因此被良好地建立起來。通常，玻璃或塑料的薄板被暴露到外力中，并且在板內(nèi)部的應(yīng)力分布可以借助于垂直偏振濾光器根據(jù)由所透射的偏振光產(chǎn)生的條紋圖樣(fringe?pattern)來確定。該方法的細(xì)節(jié)可以在例如和的教科書(L.E.Praktische?Spannungsoptik，Springer，Berlin?1972)中找到。

已在上世紀(jì)八十年代中期提出了使用在具有光纖芯的結(jié)構(gòu)化光纖中的雙折射效應(yīng)來測(cè)量壓力。在隨后的十多年中已進(jìn)行了更詳細(xì)的研究。特別地，已研究了該效應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)和溫度相關(guān)性、對(duì)于環(huán)境影響和老化的穩(wěn)定性以及檢測(cè)裝備。

通常，固有雙折射的溫度靈敏度比與壓力有關(guān)的雙折射的溫度靈敏度大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且因此在最小化固有溫度分量或?qū)﹄p折射的貢獻(xiàn)方面具有相當(dāng)大的益處。如果兩個(gè)光纖的長(zhǎng)度被制成同樣的，并且在接頭或拼接(splice)處繞它們的縱軸彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)90°，如Dakin和Wade所教導(dǎo)的那樣(J.P.Dakin和C.Wade.“Compensated?polarimetricsensor?using?polarization-maintaining?fibre?in?a?differential?configuration”，Electron.Lett.，Vol.20，No.1，pp.51-53，1984)，則在兩個(gè)部件中的固有雙折射是同樣的，并且如果這兩個(gè)部件經(jīng)受同樣的壓力條件，則與壓力有關(guān)的雙折射也得以抵消。因此，如果具有包層的兩根光纖芯對(duì)壓力同樣靈敏，則僅在這兩根光纖經(jīng)受不同的壓力的情況下才獲得有用的信號(hào)。這是由Dakin和Wade的現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)的方法。通過這一種類的裝備，任何人可以最小化測(cè)量的壓力導(dǎo)致的相移的溫度相關(guān)性。

還存在可替換的方法，在該方法中當(dāng)兩根光纖經(jīng)受來自外部的相同壓力時(shí)，可以獲得有用的信號(hào)。如果在這兩個(gè)部件中將與壓力有關(guān)的雙折射制成不同的，而在兩個(gè)部件中的固有雙折射相同，則兩個(gè)部件中的壓力可能相等(即這兩根光纖可能經(jīng)歷相同的壓力)，但是仍發(fā)生固有雙折射的溫度補(bǔ)償。這是在US?5,515,459中公開的想法的基礎(chǔ)，其中通過讓外部壓力選擇性地僅進(jìn)入在光纖中形成的一些側(cè)孔來使壓力導(dǎo)致的雙折射不同。

還參考了GB?2?419?401A，其中具有光導(dǎo)芯和包層的光纖被用于差動(dòng)壓力測(cè)量，并且其中一個(gè)單一的壓力必須被施加到在兩個(gè)感測(cè)部件中的設(shè)備以便允許利用與這兩個(gè)感測(cè)部件光學(xué)串聯(lián)耦合的偏置部分來進(jìn)行總差動(dòng)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種壓力傳感器組件，其中即便沒有被消除，也減少了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的組件的至少一些缺點(diǎn)。特別地，將改進(jìn)具有至少一個(gè)光學(xué)透明的壓力感測(cè)元件的壓力傳感器，通過利用至少一個(gè)光束照射來讀出該壓力傳感器的光學(xué)雙折射特性的壓力導(dǎo)致的變化。目的是獲得一種具有高精度和(例如由溫度效應(yīng)引起的)低誤差的(差動(dòng))壓力傳感器。

可實(shí)現(xiàn)這樣的和其它的目標(biāo)，因?yàn)榫哂兄辽僖粋€(gè)光學(xué)感測(cè)元件的壓力傳感器(通過利用至少一個(gè)光束的透射來讀出該壓力傳感器的雙折射特性的壓力導(dǎo)致的變化)包括：至少一個(gè)單一材料透明體(即整個(gè)體具有一致的材料)，其中優(yōu)選地，透明體只包括一個(gè)單一材料透明體，該單一材料透明體在至少兩個(gè)不同的區(qū)中經(jīng)由至少兩個(gè)壓力艙經(jīng)受至少兩個(gè)不同的壓力，其中所述透明體被平行的或最少發(fā)散的光束透射，而不會(huì)在所述體中或者在所述體的界面處全(內(nèi))反射，以使得透射光束的雙折射依賴于不同壓力的差，或者換句話說：以使得透射光束的雙折射導(dǎo)致的相移依賴于所施加壓力的差，還換句話說：以使得壓力導(dǎo)致的雙折射和該光束的線性偏振分量之間的相應(yīng)的差動(dòng)相移依賴于所施加壓力的差。