CN101375144B - 光学压力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光学压力测量装置，包括一个用来测量作用力或压力的光腔，所述光腔沿作用力或压力施加的方向的长度会变形，其中通过测量所述光腔在受到所述作用力或压力时的长度变化，测量或监控作用力或压力。

Description

光学压力测量装置

技术领域

本发明涉及作用力或压力测量装置，特别涉及基于光学的作用力或压力测量装置。

发明背景

对许多应用而言，压力测量是很重要的。例如，压力测量对确定物体或结构的应力情况、应力分布或负荷状态是必需的。通常，压力测量是由压力传感器来执行，其被布置成与负荷或压力源接触。一个典型压力传感器的物理特性是一个作用在压力传感器上的压力函数。一个压力传感器的压敏(pressure sensitive)物理特性通常通过有线连接被传递给信号处理电路。通过处理在压力传感器的物理特性上的变化，可以获得压力参数。

压电(piezoelectric)压力传感器可能是一种著名的传统压力传感器。通过监控由压力变化引起的电特性的变化，压力参数通常是由压电传感器进行测量获得。压电压力传感器的缺点包括需要布线、电绝缘(electricinsulation)，需要电源和低配置密度(deployment density)。

光学压力传感器是众所周知的。大家都知道光学压力传感器是用来缓解传统电型(electrical-type)压力传感器的缺点。例如，光学压力传感器不需要电线和绝缘，以及减轻由电磁干扰引起的问题。例如，典型光学压力传感器已在美国专利4,932,262和4,875,368里描述。但是，已知光学压力传感器是相当笨重的和复杂的，并且要求高准确度的处理用来进行压力测量。所以，是否能够提供一个改进的光学压力传感器是令人期待的。

发明概述

相应地，本发明描述了一种装置，用于测量或监控一个作用力或压力，其中当压力传感模块承受作用力或压力时，所述光腔沿作用力或压力施加的方向的长度会变形，作用力和/或压力是通过监控压力传感块的光腔(optical cavity)长度变化而进行测量的。由于光块的光长(optical length)和光块承受的即时压力或作用力之间存在一个特定关系，在光腔形变上的参数将提供有关作用力或压力的有用信息。

使用光学测量来确定压力传感器形变从而计算作用力或压力的优点是远程传感的可能性，其极大地增强了布置的灵活性。

因为通过跟踪光腔的光反射，可以很高精度地测量光块的光腔光长，本发明的一个方面是通过测量光腔的光反射跟踪光学压力传感器模块的形变。在优选实施例里，光腔的光反射是通过使用一个相干光源(coherentlight source)特别是激光源进行测量。

在优选实施例里，装置包括一个压力传感模块(其有一个压力传感表面和一个光腔，通过施加作用力在所述压力传感表面上，所述压力传感模块的光腔是可变形的)；一个光学装置(其包括一个光源和一个光接收器，所述光源和所述光接收器被布置用来测量所述压力传感模块的所述光腔的形变)；以及一个处理器(用来将光腔的形变程度关联到施加在压力传感模块上的压力或作用力)。

在本装置的一个典型布置里，所述光源被布置用来发出一个光信号到所述光腔的反射表面；并且所述光接收器包括一个光探测器，用来接收从光腔反射的光信号。

在另一个优选实施例里，本装置包括一个光波导(optical guide)，光波导被布置在所述压力传感模块和所述光装置的中间，并被安排用来传输光信号到所述光腔的所述反射表面、或从所述光腔的所述反射表面接收光信号。

在一个典型布置里，光腔有一个反射表面，和由施加作用力在所述压力传感表面上引起的所述光腔形变导致所述反射表面的位移，其中参考所述反射表面的光反射，使用所述光装置来测量所述光腔的光反射，所述光腔的光反射是可变的，并取决于光反射表面的位移程度，所述光接收器还包括用来测量压力传感模块的光反射以确定作用力或压力的处理装置。

在另一个优选实施例里，所述压力传感模块的压力传感表面和反射表面是不平行的，沿着第一方向施加作用力在光传感表面上导致光反射表面沿着第二和不同方向的位移，光源被安排以便沿着所述第二方向传输光。更特别地，所述光腔有一个特征光腔长(optical cavity length)，所述特征光腔长平行于所述第二方向。

优选地，所述光反射表面定义所述光腔的一个特征光腔长，所述光源被安排用来传输光到平行于所述光腔长的所述反射表面，所述光接收器还包括通过测量所述光反射表面的光反射来测量所述光腔的即时光腔长的装置。

在又一个优选实施例里，压力传感表面和反射表面是不平行的。特别地，压力传感表面和反射表面呈一个角度，更特别地，压力传感表面和反射表面是互相垂直的。具体而言，又一个优选实施例的测量装置包括一个棱镜形块(prismatic block)，其中施加在所述压力传感表面上的作用力导致所述压力传感表面的位移，随后所述压力传感表面的位移导致所述反射表面的位移，所述反射表面对所述压力传感表面之间相关位移的比率是在0.2到0.4之间。优选地，压力传感模块包括一个PMMA的透明模块。

作为一个方便的范例，光源包括一个VCSEL激光源，特别地，压力传感模块式配用来测量一个对应低于500nm的反射表面的位移的最大作用力或压力。实际上，所述光腔的长度是在毫米范围内。

依照本发明的另一个方面，提供一种测量作用力或压力的方法，本方法包括以下步骤：

·布置一个压力传感模块以受到一个作用力，其中所述压力传感模块包括一个光长的光腔，所述光长具有第一光波长的特征，

·测量并获得所述光腔在遭受作用力或压力时，沿作用力或压力施加的方向的长度会变形的形变特征，和

·从所述光腔的长度形变特征计算施加的作用力或压力。

优选地，本方法还包括以下的步骤：

·运行一个光源以沿着所述光长传输第一波长的光通过所述压力传感模块，

·运行一个光接收器以接收沿着所述光长的光；和

·运行一个处理器以参考所述压力传感模块沿着所述光长的光反射而确定施加在压力传感模块上的作用力或压力。

优选地，本方法还包括以下步骤：

·从测量的所述压力传感模块沿着所述光长的光反射，确定所述压力传感模块的光腔的一个光长，和

·将所述光长的变化关联到施加在压力传感模块上的作用力或压力。

优选地，本方法还包括以下的步骤：

·参考多个已知作用力或压力的值，校正压力传感模块的光长。

通过跟踪压力传感模块的光腔形变来测量作用力或压力是简单、有效和灵活的压力测量。例如，一个光装置可以被用来监控多个压力传感器。

附图说明

现通过范例并参考附图，以下将详细描述本发明的优选实施例，其中：

图1是一个显示本发明第一优选实施例及其应用的装置图，

图2描述一个作用力和图1装置的压力传感模块的光腔形变之间的关系，

图3是一个描述光反射和图1装置的压力传感模块的光腔的光腔长的变化之间关系的图表，

图4是一个显示图1装置的压力传感模块的负重(作用力)和面积关系的图表，和

图5是一个显示本发明第二优选实施例的装置。

优选实施例详述

首先参照图1到4，其显示压力测量装置的第一优选实施例。

测量装置100包括一个压力传感模块120、一个包括光源140和光接收器142的光装置，以及一个具有处理器的控制器150。压力传感模块120有一个压力传感表面126和一个光腔124。压力传感模块是刚性的，通过施加作用力在压力传感表面上光腔是可变形的。一个适合本实施的典型压力传感模块是一个由PMMA制成的透明棱镜形块。

光装置包括一个光源和一个光接收器。光源和光接收器被安排用来通过光学方法测量压力传感模块的光腔形变。

处理器是用来将光腔的形变程度和施加在压力传感表面上的压力或作用力相关联处理。

在图1的配置里，光装置和处理器被封装在一个壳内。控制器控制光源和光接收器的运作。光源是一个具有VCSEL(垂直腔面发射激光器)激光源的激光发射机，用来发出一个相干光。一个光纤维波导(optical fibrewaveguide)160被配置在压力传感模块和光装置的中间，从而由激光源发出的光信号可以被光纤维传输到压力传感模块，并且由压力传感器模块反射的光可以通过光纤维波导被返回到光探测器。光纤维将限制发出光和反射光在同一光纤维内，以减轻外部干扰或光污染(optical contamination)。虽然在图1内描述了单个光纤维，但应该理解，可以分别使用分散的光纤维波导来与光源和光探测器连接。控制器包括用来控制光源运行条件的控制电路，从而可以调整被传输到压力传感器模块的光强度。为了进一步减轻逆干扰，可以调制激光源。处理器还包括一个测量电路以评估照射在光探测器上的光级别，并与光源发射的光比较，从而通过比较反射光数量和光源发射的光信号数量来评估反射率。

参照图2，当作用力被施加在压力传感模块的压力传感表面126上时，作用力将导致如图中虚线所示的压力传感模块的形变。具体而言，一个沿着两个方向的作用力将导致压力传感模块沿着z方向收缩一个Δz数量，以及沿着x方向扩展压力传感模块一个Δx数量。形变关系，即Δx/Δz，是一个由泊松(Poisson)比率γ给定的基于材料的常数。γ的值通常在0.2到0.4范围内。

压力传感模块有一个具有反射表面128的光腔124以及一个如图3所述的特征光腔长度。参照图3，对一个沿着x方向(其垂直于反射表面)投射在压力传感模块上的光束来说，图3显示了光传感模块的光反射率是关于光腔长度变化的一个函数。对图3内的例子而言，压力传感模块有一个1mm的初始光腔长度。初始光腔长度对应一个无作用力的情况，因此在光腔长度上没有形变。压力传感模块是一个由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成的刚性透明模块，尽管也可以使用其它透明的棱镜材料。传感器模块的每个反射表面128、130关于照射到反射表面的入射光束的最大反射率大约是30％。由于由第一反射表面128和第二反射表面130反射的入射光束的相消干扰，在大约20nm和310nm的光腔长度变化上出现最小反射率。另一方面，在大约Δx形变的180nm上发生一个接近0.7反射率的最大反射。在两个最小反射率之间的腔长变化的完整周期大约是280nm。通过已知施加压力校正反射率并获得图4的图表，由于如光距变化所显示的施加压力，可以计算光距的变化。当作用力或压力取决于光腔的形变时，通过标准物理等式可以获得施加的作用力或压力。

下面转到图1和2压力测量装置(包括压力传感模块、包括一个光源、一个光接收器的光装置和一个处理器)的应用。首先，调整光装置和压力传感模块，使得从光源发出的光束被垂直传输到压力传感器模块的第一反射表面128和第二反射表面130。调整光探测器，使得由第一和第二反射表面反射的光将被光探测器收集。一个光纤维波导被配置在压力传感模块和光装置的中间，使得发射光和反射光被限制在一个光波导范围内，以减轻外部光源的干扰或污染。这个光纤维波导是可选的，可以被两个独立光纤维波导替换，分别用于光源和光探测器。在此范例里的光源是一个相干光源，如激光源，例如VCSEL(垂直腔面发射激光)激光源。

本装置的控制器包括有关压力传感模块的光腔长的反射率特征的信息。通过测量压力传感模块的反射率，可以从预存特征导出腔长变化，并且没有太多困难就可以获得施加的作用力或压力。

下面转到图2配置的运作，当作用力被施加在压力传感模块的压力传感表面上时，压力传感模块将发生变形，从而光腔也将发生变形。作为一个更具体的范例，当作用力导致一个沿着z方向(作用力的方向)的收缩量Δz时，压力传感模块将沿着垂直轴x延伸一个Δx的量。Δz和施加压强之间的关系是一个已知材料参数，其可以被预存在控制器内或相关存储器内或通过现场校正。此外，如图3所示，由于在光腔长的变化，沿着x轴的变化Δx将由反射率上的变化得以反映，从而可以获得变化Δx。由于Δx和Δz之间的关系是具体依赖于Poisson比率，所以可以计算沿着z轴的形变，其平行于作用力的方向，从而可以计算施加的压强。在计算完压强之后，依照图4内的图表，压强乘以压力传感表面的表面积，可以获得施加的作用力。因此，通过改变压力传感模块的压力传感表面的大小，本发明的压力测量装置是可扩展的。在优选实施例里，被用来测量光反射率的光束是垂直于作用力方向的。垂直配置提供增强的灵活性，因为沿着作用力的方向即z轴测量压力传感模块的形变通常是不可能的。为了进一步增强配置的灵活性，可以布置多个压力传感模块在一个载荷或多个载荷之下，从而可以通过一个或多个光装置监控各位置上的载荷或压力变化。

参照图5，其显示本发明的第二优选实施例200。在此优选实施例里，测量压力传感模块沿着作用力方向(z)的形变而直接确定施加的作用力或压力。此配置大体等同于图1和2的配置，除了光纤维波导的配置是使得光源发出的光将照射到压力传感模块的第一反射表面138和第二反射表面130，其中反射表面138、130是垂直于作用力的方向。如图5所示，由光源发出的光束被棱镜152内部全反射偏转90°，从而形成的光将入射在压力传感模块的反射表面上，这两个反射表面是垂直于图1和2中的表面的。当期望光应该直接照射到在平行于压力传感表面的发射表面上，这种配置提供增强的灵活性。在这个例子里，压力传感表面与压力传感模块的第二反射表面是相同的。

经管已经通过参考上述范例或优选实施例描述了本发明，应该理解这些只是用来帮助理解本发明的范例，而不是意在限制本发明。本领域有经验的技术人员所熟悉的变化或修正、以及所作的改进，应该被看作本发明的等同物。

此外，尽管已经通过参考一个PMMA的传感器模块描述了本发明，应该理解，不失一般性，无论是修改还是未被修改，本发明，可以被实施在其它材料的压力传感器上。

Claims (15)

1.一种测量装置，包括一个用来测量作用力或压力的光腔，其中当所述光腔受到所述作用力或压力时，所述光腔沿作用力或压力施加的方向的长度会变形，通过测量所述光腔的长度变化，而测量或监控作用力或压力；

其中所述装置包括：

●一个压力传感模块，其具有一个压力传感表面和一个光腔，通过施加力在所述压力传感表面上，所述压力传感模块的光腔是可变形的；所述光腔有一个反射表面，由于施加作用力在所述压力传感表面上导致所述反射表面的位移引起的所述光腔形变；

●一个光装置，包括一个光源和一个光接收器，所述光源和所述光接收器被安排用来测量所述压力传感模块的所述光腔的形变；所述光装置是用来参考所述反射表面的光反射而测量所述光腔的光反射，所述光腔的光反射是可变的，并取决于光反射表面的位移程度；和

●一个处理器，用来关联光腔的形变程度到施加在压力传感表面上的压力或作用力；

其中

●所述光源被安排用来发出光信号到所述光腔的反射表面；

●所述光接收器包括一个用来接收从光腔反射的光信号的光探测器；

●所述处理器用来测量压力传感模块的光反射以确定作用力或压力。

2.根据权利要求1所述的测量装置，还包括一个光波导，其中所述光波导被配置在所述压力传感模块和所述光装置的中间，并被安排用来传输光信号到所述光腔的所述反射表面或从所述光腔的所述反射表面接收光信号。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述压力传感模块的压力传感表面和反射表面是不平行的，沿着第一方向施加作用力在压力传感表面上导致光反射表面沿着第二和不同方向上的位移，光源被安排用来沿着所述第二方向传输光。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其中所述光腔有一个特征光腔长度，所述特征光腔长度平行于所述第二方向。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述光反射表面定义所述光腔的一个特征光腔长度，所述光源被安排用来传输光到平行于所述光腔长度的所述反射表面，所述光接收器还包括用来通过测量所述光反射表面的光反射而测量所述光腔的即时光腔长度的装置。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其中压力传感表面和反射表面是不平行的。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其中压力传感表面和反射表面呈一个角度。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其中压力传感表面和反射表面是互相垂直的。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述压力传感模块包括一个棱镜形块，其中施加在所述压力传感表面上的作用力导致所述压力传感表面的位移，其随后导致所述反射表面的位移，所述反射表面对所述压力传感表面之间的相对位移比率是在0.2到0.4之间。

10.根据权利要求9所述的压力传感装置，其中压力传感模块包括一个PMMA的透明块。

11.根据权利要求10所述的测量装置，其中光源包括一个VCSEL激光源。

12.根据权利要求9所述的测量装置，其中压力传感模块适配用来测量对应一个低于500nm的反射表面的位移的最大作用力或压力。

13.根据权利要求12所述的压力传感装置，其中所述光腔的长度是在毫米范围内。

14.一种测量作用力或压力的方法，本方法包括以下步骤：

●布置一个压力传感模块以受到一个作用力，其中所述压力传感模块包括具有一个光腔长度的光腔，所述光腔长度具有第一光波长的特征，

●测量并获得所述光腔在受到作用力或压力时，沿作用力或压力施加的方向的长度会变形，和

●从所述光腔的长度形变特征计算施加的作用力或压力；

●其中，运行一个光源以沿着所述光腔长度传输第一波长的光穿过所述压力传感模块，

●运行一个光接收器以接收沿着所述光腔长度的光；和

●运行一个处理器以参考所述压力传感模块沿着所述光腔长度的光反射而确定施加在压力传感模块上的作用力或压力，其中从测量的所述压力传感模块沿着所述光腔长度的光反射，确定所述压力传感模块的光腔的光腔长度；将所述光腔长度的变化关联到施加在压力传感模块上的作用力或压力。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

●参考多个已知作用力或压力值，校正压力传感模块的光腔长度。

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