[發明專利]用于非接觸壓力測量的光學傳感器

有效

• 申請號: 201480003344.6
• 申請日: 2014-01-30
• 公開（公告）號: CN105051512B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 安德里亞·博瑞斯奧第;盧喬·斯畢內托
• 申請（專利權）人: 鐳射點有限公司
• 主分類號: G01L7/08
• 分類號: G01L7/08;G01L11/02
• 代理公司: 北京王景林知識產權代理事務所(普通合伙)11320
• 代理人: 王景林

本發明涉及一種用于非接觸壓力測量的光學傳感器。

用于壓力測量的光學傳感器根據用來測量壓力參數的不同手段，一般可以劃分成兩個主要不同種類：“干涉式”和“強度調制式”光學傳感器。在“干涉式”光學傳感器中，壓力通過在進來光學探測光束與來自光學壓力檢測元件的出來光束之間的相變而測量(使用Bragg、Fabry-Perot、Michelson、Mach-Zehnder干涉儀)。在“強度調制式”光學傳感器中，壓力通過在進來光學探測光束與來自光學壓力檢測元件(典型地壓力檢測隔膜的反射表面)的出來光束之間的強度變化而直接測量。在“強度調制式”光學傳感器中，光導纖維用來驅動在壓力檢測反射隔膜前面的進來光束，并且用來收集由隔膜本身反射的光束。

“干涉式”傳感器具有以比“強度調制式”傳感器高的分辨率測量壓力的優點，但另一方面，“干涉式”傳感器由于較復雜光學設計的使用，對于機械振動(常常在工業環境中存在)較敏感，并且較不可能，該光學設計與干涉儀有關。干涉儀的使用和相干LASER(激光)源的需要使得“干涉式”傳感器甚至比穩固和堅固光學“強度調制式”傳感器昂貴，在該穩固和堅固光學“強度調制式”傳感器中，可以使用低成本不相干LED源。

光學傳感器允許在非接觸條件下進行壓力測量，使得這些傳感器對于所有用途都非常有益，在這些用途中，必須連續地監視快速和周期壓力變化，如在汽車領域中的發動機汽缸燃燒室中那樣。

光學傳感器對于電磁干擾強烈地不敏感，這種電磁干擾在工業環境中的測量區域中常常存在，這些光學傳感器是光學探針，該光學探針用來僅僅基于光導纖維到達測量區域，該光導纖維是無電源的，并且固有地對于EMI問題不敏感；對于這些光學傳感器，全部有源器件都布置得離壓力測量區域足夠遠，并且典型地在受控位置中，這些有源器件需要進行光學信號傳輸和探測，在該受控位置中，EMI問題不再存在，消除了歸因于EMI或RF干擾的信號降低。

壓力測量大大地提高傳感器本身的整體可靠性，使這個種類的傳感器對于在工業環境中的使用非常有吸引力，這種壓力測量使用光學傳感器以非接觸方式進行，并且在其中必須監視壓力的區域中，不需要任何有源電子器件，在該工業環境中，到達苛刻條件，這些苛刻條件歸因于極端高過程溫度，如在塑料擠壓、注射及吹制模壓用途中那樣，或在當必須監視在發動機汽缸燃燒室中的壓力測量時的汽車用途中那樣。所述壓力測量大大地提高在工業區域中的安全性，這些工業區域具有苛刻條件，這些苛刻條件歸因于爆炸性或易燃氣體或材料的存在。

光學傳感器允許高達數十千米距離的壓力測量，使得這種傳感器對于在油井設備、鉆井系統及輸油管道中的壓力測量非常有吸引力，這些光學傳感器將單模纖維(Single Mode Fibers)用作傳輸介質。

光學傳感器還允許測量非常高壓力級，因為壓力變換器基于可變形壓力檢測隔膜、和在高溫下的壓力，而不使用汞(Hg)或其它潛在危險流體，并所以完全符合RoHS規程，修改該可變形壓力檢測隔膜的厚度，可以改變隨壓力的變形。

在光學傳感器的出現之前，已經開發了用于壓力測量的其它類型傳感器，“壓電式”或“壓敏電阻式”壓力傳感器。在“壓電式”電子傳感器中使用的物理原理是壓電效應，該壓電效應由某些特定晶體(壓電晶體)呈現，其中，沿特定方向施加到晶體上的壓力的變化在晶體本身上產生電壓變化，該電壓變化是施加壓力的度量。在“壓敏電阻式”電子壓力傳感器中，壓力變化通過典型地在Wheatstone電橋上的電阻變化而測量，該電阻變化由壓力誘導。即使兩個種類的這些傳感器都廣泛用在工業環境中，在該工業環境中達到苛刻條件，以前列出優點的多個也不再適用于這個種類的傳感器；明確地說，這種傳感器需要在變換器芯片與壓力檢測隔膜之間的機械接觸。變換器芯片是有源電子器件，該有源電子器件需要放置得非常接近其中必須監視壓力的區域(典型地離壓力檢測隔膜幾個毫米)；因為這個原因，當它工作在具有苛刻條件的區域中時，其可靠性降低，這些苛刻條件與非常高溫度有關，并且它需要供電。即使變換器芯片典型地屏蔽在避免EMI問題的金屬外罩中，對于探測和信號調節需要的電子儀器也可仍然遭受EMI問題，因為它必須仍然足夠接近變換器芯片盒，以避免小幅值信號的降低，該小幅值信號使用長和昂貴的電纜。最后，要測量的每個壓力范圍需要變換器芯片的專門設計，降低關于有關產品成本節省進行體積規模節約的可能性。