CN101730838A - 压力传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了具有至少一个光学感测元件(10)的压力传感器(18)，通过至少一个光束(2、21)的透射来读出所述压力传感器的双折射特性的压力导致的变化。特别地，所述压力传感器(18)的特征在于，其包括：至少一个单一材料透明体(10)，所述单一材料透明体(10)在至少两个不同的区中经由至少两个压力舱(8、9)经受至少两个不同的压力(p1、p2)，其中所述透明体(10)被平行的或最小发散的光束透射，而不会在所述体(10)中全反射，以使得该光束(22)的线性偏振分量之间的相应差动相移和压力导致的双折射依赖于不同压力(p1、p2)的差。
Description
技术领域
本发明涉及压力感测元件的领域，所述压力感测元件是基于透明体的压力导致的双折射变化(通过利用光源照射来读出)。更进一步地，本发明涉及用于操作这样的压力感测元件的方法以及对这样的压力感测元件的使用。
背景技术
已存在通过下面的光学手段来测量压力的许多可能性：法布里-珀罗和光纤布拉格光栅技术、拉曼散射、布里渊散射、膜集成波导、机械式谐振振荡器、渐逝场耦合或光子晶体。在下文中公开的技术使用由不均匀应力分布导致的双折射来测量压力。
使用双折射来估计应力分布的方法被称为“光弹性学”。它在上世纪初就已被开发，并且因此被良好地建立起来。通常，玻璃或塑料的薄板被暴露到外力中，并且在板内部的应力分布可以借助于垂直偏振滤光器根据由所透射的偏振光产生的条纹图样(fringe pattern)来确定。该方法的细节可以在例如和
的教科书(L.E.
Praktische Spannungsoptik，Springer，Berlin 1972)中找到。
已在上世纪八十年代中期提出了使用在具有光纤芯的结构化光纤中的双折射效应来测量压力。在随后的十多年中已进行了更详细的研究。特别地，已研究了该效应的几何结构和温度相关性、对于环境影响和老化的稳定性以及检测装备。
通常，固有双折射的温度灵敏度比与压力有关的双折射的温度灵敏度大至少一个数量级，并且因此在最小化固有温度分量或对双折射的贡献方面具有相当大的益处。如果两个光纤的长度被制成同样的，并且在接头或拼接(splice)处绕它们的纵轴彼此相对旋转90°，如Dakin和Wade所教导的那样(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)，则在两个部件中的固有双折射是同样的，并且如果这两个部件经受同样的压力条件，则与压力有关的双折射也得以抵消。因此，如果具有包层的两根光纤芯对压力同样灵敏，则仅在这两根光纤经受不同的压力的情况下才获得有用的信号。这是由Dakin和Wade的现有技术教导的方法。通过这一种类的装备，任何人可以最小化测量的压力导致的相移的温度相关性。
还存在可替换的方法，在该方法中当两根光纤经受来自外部的相同压力时，可以获得有用的信号。如果在这两个部件中将与压力有关的双折射制成不同的，而在两个部件中的固有双折射相同，则两个部件中的压力可能相等(即这两根光纤可能经历相同的压力)，但是仍发生固有双折射的温度补偿。这是在US 5,515,459中公开的想法的基础，其中通过让外部压力选择性地仅进入在光纤中形成的一些侧孔来使压力导致的双折射不同。
还参考了GB 2 419 401A，其中具有光导芯和包层的光纤被用于差动压力测量，并且其中一个单一的压力必须被施加到在两个感测部件中的设备以便允许利用与这两个感测部件光学串联耦合的偏置部分来进行总差动测量。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供一种压力传感器组件，其中即便没有被消除，也减少了根据现有技术的组件的至少一些缺点。特别地，将改进具有至少一个光学透明的压力感测元件的压力传感器，通过利用至少一个光束照射来读出该压力传感器的光学双折射特性的压力导致的变化。目的是获得一种具有高精度和(例如由温度效应引起的)低误差的(差动)压力传感器。
可实现这样的和其它的目标，因为具有至少一个光学感测元件的压力传感器(通过利用至少一个光束的透射来读出该压力传感器的双折射特性的压力导致的变化)包括：至少一个单一材料透明体(即整个体具有一致的材料)，其中优选地，透明体只包括一个单一材料透明体，该单一材料透明体在至少两个不同的区中经由至少两个压力舱经受至少两个不同的压力，其中所述透明体被平行的或最少发散的光束透射，而不会在所述体中或者在所述体的界面处全(内)反射，以使得透射光束的双折射依赖于不同压力的差，或者换句话说：以使得透射光束的双折射导致的相移依赖于所施加压力的差，还换句话说：以使得压力导致的双折射和该光束的线性偏振分量之间的相应的差动相移依赖于所施加压力的差。
在现有技术中为了这些目的而使用的普通光学光纤通常拥有由两个不同的材料制成的区段、光导芯和包层。在光导芯中，通过在该光导芯的边界界面处光的全反射来在该芯中“捕获”用于测量的光束。例如在Dakin和Wade(loc.cit.)的公开中的光纤就是如此，要不然该光纤不能如该文所建议的那样缠绕在可变形的圆柱上。因此，在该系统中的光导芯和包层一起构成压力感测元件，并且该压力感测元件不由单一的材料制成，因为光导芯和包层永远都不会由相同的材料制成。这些区(芯和包层)展示了不同的热膨胀表现。这样的事实在温度变化时导致不期望的应力分布，这导致了错误的信号。相应地发现，根据现有技术的所有系统不允许高精度的压力测量，其中现有技术使用具有包层的传统光纤。使用由均匀单一的材料制成的传感器(即如本发明所提出的不具有光导芯的传感器)可以意想不到地并且高效地避免来自这样的温度导致的效应的串扰(cross-talk)。
对于信号读出，在文献中描述的系统的信号基于条纹计数。与此相反，本发明所提出的系统有利地使用了基于-π/2和π/2之间的相移的信号范围。因此，保证了明确的单调压力-信号关系。因此，与现有技术的系统相反，根据本发明，没有使用具有包层的光导芯，所以不存在如下的多部件传感器：在该多部件传感器中，中心芯引导在界面被全反射的光。因此，相应地，根据本发明的光束必须在进入传感器时是平行的或最小发散的。因此，进入且透射通过传感器的光束是平行的或最小发散的光束，所述光束通常是线性偏振的。
优选地，这样的传感器用于测量超过500mbar的压力差，并且优选地超过0.5bar直到15bar。
根据本发明的第一个实施例，透明体直接经受至少两个不同的压力，因此压力舱或存在于该压力舱中的介质直接与所述透明体相邻。然而，还有可能所述透明体可以包括涂层等等以增加例如对存在于该压力舱中的介质的化学或过压耐力(resistance)。
在本发明的另一个实施例中，透明体是圆柱形体。该圆柱形体优选地具有圆形横截面，然而它还可以具有多边形横截面，例如规则六边形、八边形等的横截面。对于压力差的测量，透明圆柱形体在至少两个不同区经受至少两个不同的压力。为了该目的，圆柱形体可以在两个(或更多个)纵向连续部件中经受两个不同的压力，其中首先存在第一部件，在该第一部件中圆柱形体(通常圆周地)暴露于第一压力，并且然后随着沿着圆柱形体的纵轴行进，存在第二部件，在该第二部件中圆柱形体(通常圆周地)暴露于第二压力。可替换地或除此之外，圆柱形体可以在沿着体的全长(或部分长度)的四个(或更多个)等角的交替压力区段中经受两个不同的压力。在该后面的情况下，圆柱形体从上到下被暴露于第一压力，并且以完全对称的方式从左到右被暴露于第二压力，沿着圆柱形体的全长或基本上全长施加这些不同的压力。通常，透明体的全长小于6cm以用于此处设想的应用，但是还可以更长。
特别地，为了消除热应力对双折射的影响，有利的是：该透明体未被结构化，特别对于压力舱之间的隔壁和/或外壳被附接或者与透明体接触的区中未被内部地结构化(没有内部孔等等)。
为了完整性，应该指出还有可能具有包括两个被空间上分隔的(结构化的)半部分的透明体。
本发明的另一个实施例的特征在于，透明体是具有两个相等长度的部件的圆柱形体。优选地，在这种情况下，这两个部件包括基本上同样的内部结构，这导致在体中的不对称应力分布，进而导致了期望的与压力有关的双折射效应。提供该非对称应力分布的内部结构可以例如以纵向优选的圆柱形孔或开口的形式给出，这导致在体中的不对称应力。在任何情况下，两个部件绕圆柱形体的主轴相对于彼此旋转90°，以使得就由此导致的双折射而言，在两个部件中的应力分布得以抵消。这可以实现，因为在每个部件中内部结构以一对纵向孔的形式给出，该纵向孔的轴到圆柱形体主轴的距离相等，并且该纵向孔的轴都被定向到包括圆柱形体的主轴的一个相同平面中。因此，在该配置的一个部件中，两个纵向孔例如被布置在包括圆柱形体的中心主轴的水平面中，并且在另一个部件中，两个纵向孔被布置在包括圆柱形体的中心主轴的垂直面中。为了提供必需的对称，在这两个部件中的孔具有相同的直径并且被布置成到圆柱形体的中心主轴的距离相等。
根据该配置的优选实施例，圆柱形孔的直径d在圆柱形透明体的直径D的1/8到1/3之间，优选地在圆柱形透明体的直径D的1/4的范围内，从而导致了压力导致的应力和过压耐力之间的良好妥协。通常，透明体具有至少在光束耦合到透明体内的区中垂直于主轴的终端表面。这两个部件优选地被布置成在对接接头中彼此相邻，但是在这两个部件之间还有可能具有距离。该距离可以填充玻璃(例如与圆柱形体相同的材料)或仅被保持成空的。这样的优点是如果该体在相应的区中未被结构化，则从外部套管施加到这样的玻璃体上的应力不是很关键。
另一个优选的实施例的特征在于平行的或最小发散的光束沿着透明圆柱形体的中心纵轴行进，其中终端平面定向为垂直于圆柱形体的中心纵轴。
优选地，利用光束沿着中心纵轴从一侧照射透明体，并且在另一侧上使用两个检测器来检测离开透明体的透射光。另一方面，还有可能例如通过使用用于增加差动效应的镜子来允许光束行进通过透明体几次，然而，对准变得更困难并且必须注意可以为通过透明体的多个光路径保持用于抵消干扰所需的对称性。优选地，检测器测量特定光谱范围内的总积分强度，但是还有可能仅测量非常窄的光谱窗口内的强度或者实际上测量光谱本身。通常，检测器是可以以特定方式例如使用惠斯顿电桥电连接或电子连接的检测器二极管，以使得输出差信号并且将其用于对该差动信号的进一步的评估。
为了容易地测量由所施加的压力导致的双折射特性，照射到透明体内的光束可以被线性偏振。然而，应该注意，也可以使用圆偏振光或椭圆偏振光。通常，通过使用偏振滤光器来产生偏振，但是还有可能使用偏振光源，例如半导体激光器。使用具有与线性偏振滤光器的定向相同的偏振分束器来将离开透明体的光束分成两个偏振分量以由两个检测器进行检测。优选地，使光源和透明体之间的线性偏振滤光器以45°定向，并且使在透明体的另一侧的偏振分束器也在透明体和检测器之间以±45°定向。因为在这样的装备中，压力相关性或所测量的差动信号基本上由压力差的余弦给出，所以压力差的正负号(sign)是不明确的。因此，根据本发明的另一个实施例，提出将附加的相移元件(优选地是四分之一波片)布置在光路径中。该附加的相移元件可以或者被布置在偏振滤光器和透明体之间或者被布置在透明体和偏振分束器之间。因此，根据本发明的又一个优选的实施例，在透明体之后，光束通过光学相移元件，优选地通过四分之一波片。
根据本发明的压力传感器的又一个实施例，通过两个同样的纵向间隔的圆周的压力舱将用于测量差动压力的两个不同的压力施加到圆柱形透明体，所述两个压力舱优选地填充有液体，甚至更优选地填充有硅油。
通常，透明体是玻璃体，优选地由熔凝石英制成。
在本发明的又一个实施例中，提出将透明体布置在外部套管中，压力舱由透明体的外部表面和外部套管的内部表面之间的间隙给出。这允许实现该装备的高过压耐力。优选地，外部套管是圆柱形管，在该圆柱形管中同轴安装圆柱形透明体，并且其中两个压力舱由隔壁分隔，所述隔壁被布置在分隔圆柱形透明体的两个部件的平面处，并且其中在圆柱形体的终端表面的区中，提供用于分隔压力舱的终端壁。在这些终端壁中或者在套管的圆柱形壁中，每个压力舱具有相应的感测开口，用于与实际的压力感测区或单元连通。在圆周分布的压力舱的情况下(根据图5的实施例)，还有可能有圆柱形外部套管，并且在这种情况下，沿径向定向该隔壁并且该隔壁由两个平面给出或者被布置在两个平面中，这两个平面都包括透明体的中心纵向轴并且相对于彼此倾斜90°。
根据再一个实施例，外部套管由钢制成。优选地，所述钢被选择成具有与透明体基本上相等的或至少相似的温度膨胀特性，并且优选地透明体通过硬焊接被固定在套管内部。可替换地，可以使用挠性O型环来容许套管和该玻璃体之间的热膨胀差而不在玻璃体上引入可能影响测量的大的关键应力。为了具有高的过压耐力，提出提供具有圆的边缘的压力舱。
根据本发明的另一个实施例，光束由光源提供，优选地由发光二极管提供，优选地在强度方面调制所述光源以增加测量灵敏度。优选地，在透射通过透明体之前，所述光束通过偏振滤光器。
为了进一步降低例如温度对测量的影响，有益的是附加地提供用于测量光源的强度的光强度传感器和/或温度测量传感器，并且来自这些传感器的数据被结合到对差动压力的评估中。
本发明还涉及一种用于优选地使用上述压力传感器来检测压力的方法。该方法使用具有至少一个光学感测元件的压力传感器，通过至少一个光束的透射来读出该压力传感器的双折射特性的压力导致的变化。在该方法中，压力传感器包括(优选地包括)至少一个(优选地仅有一个)单一材料透明体，该单一材料透明体在至少两个不同的区中经由至少两个压力舱经受至少两个不同的压力，其中所述透明体被平行的或最小发散的光束透射，而不会在所述体中全反射以使得透射光束的双折射依赖于不同压力的差，并且其中基于这些检测器的差动输出、基于这些检测器的输出的和或差、基于这些检测器的输出的比值、或者基于其组合来评估这两个压力舱中的差动压力。本发明的其它实施例在从属权利要求中概述。
附图说明
在附图中，示出了支持本发明的优选实施例和/或文件证明，其中：
图1示出了由两个结构化的玻璃体制成的差动压力传感器的草图；
图2的a)中示出了不均匀应力状态的草图：压力在表面上导致(每单位面积)恒定法向力；孔屏蔽中心免受水平压力；在中心处(简化的)应力状态由箭头指示；b)和c)示出了透射通过具有不均匀压力分布的杆之前和之后的光幅度的草图；
图3示出了所研究的具有轴上标示的尺度[m]的传感器装备，其中仅画出了整个系统的四分之一，在左边，靠近下面的轴，可以看到结构化的孔，在这之上具有两个对应于加压舱的狭缝；内部件(直到狭缝的下半径)由熔凝石英制成，外部件由钢构成；
图4示出了所研究的具有所使用的尺度限定的装备的图，没有示出光源和检测器；
图5示出了可替换装备的示意性横截面，没有画处压力舱的外壁；
图6的a)以草图示出了横截面的外形和在边界上所施加的压力，b)示出了所计算的应力张量的分量；在图中x和y是水平和垂直轴，z是玻璃体的纵轴，c)示出了结果得到的传播通过玻璃体的平行光的相对强度；以及
图7示出了作为参考条件的差动压力(Pa)的函数的压力分辨率(resolution)(以Pa为单位)，其中u形(准抛物线的)曲线指示了所计算的压力分辨率并且v状的线性曲线指示了用于比较的10-5的差动压力的典型目标。
具体实施方式
在本说明书中，详细解释了“结构化的玻璃体中的双折射效应”这一概念。材料中的双折射引起两个正交偏振光因为不同的折射率而以不同的相速传播。当单向应力或压力作用在各向同性材料上时会观察到双折射效应。在这种情况下，玻璃体被结构化以使得它非常有效地将压力转换成单轴的应力。
为了评估该原理是否适用于工业环境中的压力感测，设计了明确的传感器装备，并且已验证了其性能。详细描述传感器物理模型。所提议的传感器使用结构化的玻璃体的压力导致的双折射。图1中示出了玻璃传感器的可能实施例。传感器18由包括同轴熔凝在一起并且相对于彼此旋转90°的两个同样的玻璃杆11和12的圆柱形结构10制成。玻璃杆的内部构造有孔19、20，以使得它非常有效地将压力转换成杆中心的不均匀应力状态(图2a))。该不均匀应力状态导致在杆中心处传播的光的可以被测量的双折射。使用了正交坐标系，其中z表示束传播方向，且x和y表示横向，即光偏振在xy平面内振荡，并且特别地线性偏振分量x和y沿着x轴和y轴振荡。
如下所述的那样引起双折射：因为应力，光在材料中的速度被稍微改变。在x方向和y方向上的不同应力(图2)导致在这些方向上偏振的光的不同速度。因此，最初同相的光(图2b)在透射通过杆之后是异相的(图2c)。相移δp与依赖于速度的透射时间有关。相移δp由下式给出：
其中λ、K、L、σx、σy分别是光波长、应力光学常数、杆的长度、相应的(横向)方向x和y上的应力。可以在玻璃体之前和之后使用交叉偏振滤光器来测量相移δp。
为了差动压力测量，存在两个被封条7分隔开的压力舱8和9，以使得具有旋转90°的横截面的两个杆11、12分别经历压力p1和p2。光源1(例如LED)的光2由偏振滤光器线性偏振(在xy平面内偏振方向45°)，从而导致平行的或最低发散的偏振光束21被馈送到玻璃体10中。在另一端，输出光22被以45°定向的偏振分束器(PBS)16分成两个正交偏振，并且被分别引导到检测器17和17’。检测器递送强度信号I1和I2。最终的信号由下式计算：
S＝(I1-I2)/(I1+I2)～sin(c δp)，
其中δp是压力差，c是依赖于装备的细节的常数。
本想法使用了压力导致两个正交偏振之间的差动相移(δp)这一事实，其中相移与在每个玻璃杆中施加的压力成比例。对于p1＝p2，由玻璃杆引起的相互相移δp1和δp2抵消，因为δp1＝-δp2，因为玻璃杆11、12旋转90°。对于p1≠p2，与压力差成比例的非零相移保持并导致检测器处的非零信号，该信号是对于压力差的量度。
传感器模型：对于传感器的物理特性来说，对玻璃体和双折射的建模是最重要的。根据上述等式，由双折射引起的相移由沿着光路径累积的应力状态确定。我们使用了二维和三维有限元件模型来计算玻璃体中的应力状态。已使用了标准的线性弹性原理。所施加的压力经由边界条件相结合。已计算了最大的张力来估计可施加的最大的过压。
应力状态在所施加的压力内是线性的，即对于任意施加的压力的解可以通过(两个)基本解的迭加来得到。因为玻璃体的结构，解具有某种对称的特性，正因为此，由双折射引起的相移在对称轴上具有鞍点，该鞍点是光路径打算行进的区。图3给出了所研究的具有轴上标示的近似尺度[m]的传感器装备。仅画出了整个系统的四分之一。在左边，靠近下面的轴，可以看到该结构的孔。在这之上具有两个对应于加压舱的狭缝。内部件(直到狭缝的下半径)由熔凝石英制成，外部件由钢构成。
系统详述和评估
双折射感测元件：所研究的压力传感器由熔凝石英的玻璃块10制成，该玻璃块10与由钢制成的外部套管5对接在一起。这两个部件例如由硬焊接对接。图1示出了设备的草图；在图4中给出了具有描述尺度的参数限定的系统的更详细的图。
选择该装备以便满足下面的需求：
1.压力灵敏度：玻璃体内的孔的大小、位置和长度确定测量效应的量值。大的直径或孔之间的小距离导致在设备中心处较大的应力以及由此较大的压力灵敏度。另一方面，如果应力太大，则系统对于过压不稳定。此外，几何结构的非对称性变得更关键。因此，在该情况下，主要选择孔的位置和大小以便允许准确地且对称地生产。灵敏度主要由传感器的长度确定。我们选择近似5.8cm的总长度，已证明这对压力感测元件的大小来说是合理的。如果需要高的灵敏度(例如对于较小的压力范围)，任何人可以使用镜子来例如使光路径加倍，而不是增加系统的大小。在该设计中，假定总的相移在±π/2的范围内，以便保证相移和所施加的压力之间的明确关系。原则上，任何人可以走到另一个极端，具有的相移是π/2的(很多)倍，并且对通过改变差动压力导致的零转换(zerotransition)的数目进行计数(条纹计数)。除了较大的复杂性之外，与所优选建议的装备相比，这样的设备将需要更多的空间。
2.稳定性和过压保护：该系统打算在本质上是过压安全的。不幸的是，对于表面上相对较小的张力(8MPa)来说，玻璃(即熔凝石英)是不稳定的。压力(compression)不是关键。因此，压力舱不应该被包括在玻璃体中，因为所施加的压力通常导致张力。因为这样的原因，使用由钢制成的外部套管5是可取的。原则上使用第二种材料是不合适的，因为材料成分的温度变化导致热张力。作为对通过硬焊接的刚性连接的代替，具有O型环的更具挠性接头是优选的并且可能的。非对称张力可以导致压力测量的误差。在该情况下，仅在钢套管的中间位置和末端位置处将其连接到玻璃体。为了不生成无用的大应力尖峰，我们建议将结构中的所有边缘都磨圆，特别将孔的内部末端处的边缘磨圆。
3.对称性：测量效应基于在玻璃体中心处因为孔而引起的不对称应力分布。清楚的是，必须将系统建立成尽可能得对称以便排除可以导致不均匀应力的其它效应。因此，将玻璃体和孔选择成圆柱形形状。原则上，传感器可以被分成两个分离的部件，在它们之间的中间位置处具有一些间隔，以使得在一侧上的应力不会导致另一侧上的应力。因此，甚至这两个部件可能在空间上被分隔。然而，因为两个部件的非常对称的对准是必须的，所以这样的解决方案造成问题。因此，优选地使用单片玻璃，其中对准是固定的并且不会因为环境状况而改变。
4.易于生产：该系统必须是可易于生产的。为了该目的我们已选择了适当的尺度。圆的形状和圆形孔也是有益的。
此处我们仅想提出与到此为止所讨论的解决方案同样感兴趣的一个原理性替换方案。在图5中简略绘出了这样的装备：传感器包括具有沿圆柱形玻璃块10布置的压力舱8、9的单一部件。在该块中不存在孔。给出了玻璃体10和压力舱8、9的钢壁25。没有画出压力舱的外壁。将(差动)压力转化成不均匀应力差的能力可以通过无量纲的增强因子来表征，该无量纲的增强因子由(差动)压力和应力差的比值给出。对于该可替换的装备来说，该增强的因子约为一(unity)(类似于我们的具有侧孔的设备)。作为对侧孔设备中两个半部分(two halves)之间的对称性的代替，沿着该结构的压力舱的对称性是毫无疑问的。这样的设计的主要优点是z方向和y方向之间的应力差在中心附近相当恒定，并且因此光束的对准不如在当前的设计中那么关键。
表1列出了还被用于模型计算的经验值：
表1：限定所研究的特定传感器的尺度和物理参数
图4给出了对我们所选择的设计的尺度的限定；在表1中指定了也在计算中使用的实际参数。因为在显式计算(explicit calculation)中没有使用外部钢套管，所以所给出的值仅是大致地估计。
说明和检测：为了说明该系统，使用了标准的发光二极管1(LED)。也可以是具有更小谱宽的可替换的光源(激光器、超发光二极管等)。在仅考虑相移小于π的我们的优选情况下，使用LED光是可以的。可以选择任何标准的LED来达到该目的。我们选择来自OsramSemiconductors的LG系列的具有572nm的峰值波长和30nm的谱宽(半高宽)的LED。
检测器电路包括差动放大器和两个光电二极管。惠斯顿电桥装备连同跨阻抗(transimpedance)放大器用于检测电路。
为了减小LED的功率消耗并且实现最佳的信号灵敏度，LED被振荡器电路调制。我们选择10kHz的振动频率和1∶10的占空比。
性能估计
压力范围：压力传感器由差动压力限度的上限表征。该限度确定以所需求的精度操作的传感器的压力范围。对于特定的传感器，我们已评估出了可以选择的压力限度的上限，从而使得传感器满足该需求(见图7)。该分析示出了压力限度的上限可以在0.68bar和10.2bar之间选择。对于给定的设备，所确定的压力范围取决于检测器的信噪比和相移对差动压力的灵敏度。较长的(较短的)设备具有较高(较低)的压力灵敏度，并且可以用于检测较小的(较大的)压力。
压力感测元件的另一个重要的标准是其对于过压的保护。对于特定的传感器来说，我们发现分别对于静态压力250bar为压力上限以及对于差动压力92bar为压力上限。这些数字是保守的估计并且具有一些不确定性或误差。该限度由玻璃体中的边缘和边界附近的张力引起。
误差：对于所建议的装备来说两种类型的误差很关键：因环境影响而引起的误差以及因设备缺乏对称性而引起的误差。来自外部的主要影响由温度给出。因为温度，LED的峰值波长和谱宽发生变化。因为所测量的效应依赖于波长(见上面的等式)，所以对于10K的温度变化观察到大约0.19％的灵敏度的直接变化。然而，因为应力光学系数K也依赖于波长，所以还在相反的方向上大约变化0.05％。最后，应力光学系数本身依赖于温度达0.13％的量。将这些效应结合到一起，我们得到每10K大约0.3％的灵敏度变化。为了实现所需要的小误差，并且特别地小于0.03％的温度滞后，校正该误差是适合的。然而，如果温度和/或光的强度被附加地测量，那么这可以很容易地完成。
温度还导致热应力，因为使用了不同的材料(熔凝石英和钢)。选择具有与玻璃的温度膨胀系数相当相似的钢是重要的，以便保持小的应力。然而，对于“理想的”对称设备来说，热应力仅导致对称的应力分布，该对称的应力分布对测量效应没有贡献。因此，构造并且生产尽可能对称的设备是决定性的。
这可以从对因为非对称而引起的误差的估计看出。我们已粗略地分析了一些玻璃几何结构或光路径的变化的代表性事例。缺少对称性导致两个效果：(i)对于差动压力的灵敏度的变化(相对而言不关键)，(ii)取决于静态压力的信号的偏移。取决于静态压力的信号是严重的，因为它不容易被校正。
因此两个压力侧的不同长度(长度差0.1mm)在10bar的静态压力下导致差动压力限度的上限的1.8％偏移。该偏移与所施加的静态压力成比例。孔直径的变化甚至更差：在10bar的静态压力下(四个孔中的)单个孔的1％的变化给出10％的偏移。因光束的非对称性而引起的误差具有相似的量值。我们可以得出结论，通过使用准确和对称的设备可以避免因对称性而引起的关键误差。可以以高的精度来处理玻璃(例如对于光学系统来说)，并且给定玻璃体或设备的对称性可以容易地测试。
详细的信息
玻璃(熔凝石英)的特性：将熔凝石英用作透明体的材料具有许多优点：它便宜，易于处理，并且原则上对于外部的化学和物理影响具有良好的惰性。作为材料的玻璃相当易碎，并且对于表面的张力来说是不稳定的。张力导致小的裂纹的扩大并且最后使整个结构破裂。熔凝石英的抗张强度是48.3MPa，但是因为裂纹传播，所以玻璃的实际强度强烈地依赖于其尺度和表面特性(例如粗糙度)。Schott推荐将光学玻璃的张应力限制为8MPa，否则应该完成详细的应力计算以及风险和寿命估计。
在我们的系统中，如果该结构被加载有来自外部的压力，则不出现对玻璃体的张力而仅出现压力(即原则上所有的应力都具有相同的负号)。在这种情况下，玻璃的抗张强度和破碎不是问题。然而，在两个压力舱之间的边界处，出现应该被控制的张应力。所引用的最大压应力要比1.1GPa大。超过3GPa将开始重新排序玻璃中的原子结构，并且使得玻璃压实。是否与张应力相似还不清楚，但是必须使用某些安全因素来使得完全不能发生塑料变形。使用与对于张应力相同的某些安全因素，我们发现对应于1400bar的最大应力是140MPa。
在利用石英光纤测量时，已报道了材料在高压和高温下的不稳定性。来自水的OH基(或相似的物质)扩散到玻璃中。尤其是，这导致张力-在光纤的情况下-这改变用于测量压力的张力。因此，对于光纤传感器的长期操作而言，或者应该涂覆玻璃体以防止这样的过程，或者必须使用对石英不活泼(non-aggressive)的压力介质。还证实了使用已经经过预处理以除去任何水分痕迹的硅油对于防止老化效应是足够的。因此，通过适当地选择在舱8、9中所使用的油，扩散效应将与在本设备中使用的宏观玻璃体无关。
应力导致的双折射的原理：双折射是介电张量的各向异性的结果。因为该张量的对称特性，所以该张量通常可以被对角化并且用于三个垂直方向的三个常数表征介电性能。如果这些常数不相等[即对于单轴(两个不同值)或者对于双轴(三个不同值)]，电波的传播示出了某些特性：在相同的传播方向上存在具有不同线偏振的不同波。因为不同的介电常数，所以这些不同波以不同的速度传播。
本装备的重点在于信号强度I对相移δ的相关性，这可以由下式示出：
其中矢量a’是最终的光矢量，β是应力的“快(fast)”主轴和x轴之间的角度。如所期望的那样，对于零相移δ＝0，信号消失，对于δ＝π，信号最大。
已经执行了二维和三维计算；在二维中，我们假设可以使用平面应变近似。对于具有恒定横截面(沿着3轴)的长体而言，在该方向上的应变可以被设置成零，因此简化了由较低维度所引起的计算。对于单色光，对于该效应的量值的第一估计如下：
我们已考虑了玻璃体横截面和压力分布的三个不同的情况。对于必要材料常数的假设如下：
光的波长：550nm
玻璃体的长度：0.2m
压力：105Pa
常数K：2.010-12/Pa
容易将结果转变成其它压力、样本长度等等。
在此处所讨论的最简单的情况中，将压力施加于被结构化成具有两个孔的体的外部。假定孔中的压力为零。在图6b中简略绘出了该情况以及所计算的应力分布。最大的应力出现在该结构中的孔的边界附近；在体的中心也存在因孔的水平对准而引起的不均匀应力分布：在该点处，我们在xx上具有-0.52Pa的应力(σxx＝-0.52Pa)，在yy上具有-2.65Pa的应力(σyy＝-2.65Pa)，在xy上具有0Pa的应力(σxy＝0Pa)，并且在zz方向上具有-0.54Pa的应力(σzz＝-0.54Pa)。
根据该值可以计算出沿着z方向上传播通过玻璃体的光束的强度。我们假设已如上所述做了准备了该光束并对其滤光。在图6c)中示出了作为所选的xy坐标的函数的强度。在具有大的不均匀应力的点处，信号显著变化(注意当不施加压力时可预料到为零信号)。在中间，我们具有大约是最大可能光幅度的20％的信号。该数量级的变化可以由光学检测器轻松地测量出来。对于差动压力传感器，任何人可以将具有从外部施加的压力p1的区段和具有从外部施加的压力p2的区段结合起来。
图1示出了所提出的传感器的实验装备。LED 1的光被用于监控压力导致的相移。在进入设备之前，LED光通过以45°定向的偏振滤光器3偏振，以使得两个正交线性偏振模式被馈入到玻璃体10中，其模式分别振荡在x和y方向上。需要特别注意，要保证束方向平行于玻璃杆的轴。LED的光应当只在靠近设备的轴的空气孔之间的区中传播，即LED束的发散度应当比Φ＜arctan((2b-d)/L)更小。该条件限定了所考虑的系统的低发散束。对于具有较大束发散度的光源或对于长度更长的传感器，利用附加透镜对LED光束进行准直是可取的。
从传感器末端面27显露出的光22携带着有用信号，即两个偏振模式之间的累积相移。在通常情况下，输出光22必须由不同主方向之间的相位来表征。使用λ/4波片以在两个偏振方向之间添加附加π/2相移。这允许检测所施加的差动压力的正负号：整个信号与压力的正弦、而不是余弦成比例。随后的偏振分束器16将光分成两个模式23和24，与x轴和y轴定向为成45°(即与x轴成±45°)，并且将它们指引到分离的检测器17和17’。通过获得检测器17和17’处的两信号的差来测量差动压力，并且该差进一步除以和，以便补偿LED的光学输出的波动或改变在光线路径上发生的光损失。
照明和光检测的细节(例如组件选择)：光源可以是标准LED。选择标准LED主要是根据其束剖面图：如上所述很小束发散性是必需的。LED的波长对于本应用来说并不重要，并且可以自由选择。总体上，小的谱宽和小的温度系数是有利的。对于该装备，我们选用Osram LG系列的具有峰值波长为572nm的LED。
为减小LED的功率损耗并且实现最佳的信号检测，用振动器电路调制LED。使用的振荡频率为10kHz，占空比为1∶10(操作电流：在3V下10mA)。这导致3mW的平均功率。这与根据需求为该设备使用双线4-20mA电源一致。
检测器电路的装备包括为光电二极管配置的惠斯顿电桥，该惠斯顿电桥允许对光强度差的准确测量。因此，可以实现1.2 105的信噪比。我们使用的光电二极管为Hamamatsu S686502，放大器为BurrBrownOPA124。其它参数是：调制频率LED 10kHz，测量带宽1kHz，光电流10μA，反馈电阻5kΩ。
设计考虑：在图2和图3中简略绘出了当前的装备以及该装备的尺度。由于如下原因而选择这样的几何结构：
i)过压保护：如上所述，玻璃体中的加压孔对于传感器的破裂很关键。因此，用于玻璃体的垂直和/或水平结构的孔与周围压力相关联。压力舱中的压力将仅导致玻璃体的压力，而不导致张力。张力只出现在钢部件中。
ii)测量效应的量值：通过选择孔的大小和它们到玻璃体的中心的距离，任何人可以改变系统对压力的灵敏度：在中心处的张力通过依赖于几何结构的增强因子与所施加的压力相关联。将这个因子选择得过大将是危险的：在这种情况下，会出现大的张力，几何结构中的小的不精确度可能导致大的误差。对于无限长的管，我们选择了导致增强因子为2-3的尺度；由于不同区(如下所示)之间的转换，实际设备的有效因子更小。
iii)总体尺度：考虑到传感器的无限圆柱形区段，系统的横向尺度可以被缩放，且可选择任何外径。对于实际设备，该缩放不是真实的，因为长与宽的比是约为1(unity)，且对测量效应起作用(增强因子被减小)。我们已选用可以实现的尺度。将需要较小的尺度以产生非常平行或最小发散的光束，这难于实现；或将需要光纤芯，这将引入附加的材料和相应的热张力问题。
iv)对称性和热张力：装备应尽可能的对称。所以具有圆柱形孔的圆柱形体是最有利的。特别的，应避免边缘。由钢制成的外部套管仅在边缘附近和在中间处与体结合，使得仅以对称的方式耦合进热张力。热张力的非对称部分必须尽可能保持得低。
v)随压力范围的变化：原则上当前的设计容易适合于其它压力范围，因为改变压力舱的长度就足够了。然而，对于小的压力范围，这将导致过于笨拙的设计，由此提出了一些可替换的方式，例如包括在镜子处的反射的光路径。我们已选择了适合于典型压力传感器大小的长度，并且已计算了用于该配置的相应压力范围。
我们讨论了几个可替换的设计以及想法，它们各自的优点和缺点如下：
i)孔的不同形状：作为圆形孔的代替，任何人可以考虑使用具有其它形状的孔。然而，蝶形形状的孔会导致边缘附近压力的大的增强。矩形孔具有较小的增强并且导致结构中心附近应力的非常小的斜率或变化。有利地是，应该选择最佳形状的孔，该最佳形状的孔一方面具有小的压力增强因子，特别是具有低的应力和/或没有边缘或圆的边缘，并且另一方面在结构的中心附近具有大面积的近似恒定的不均匀应力。然而，使用圆形的孔的优点是圆形的孔可以被容易地制造并且具有最高的精度。
ii)对孔内部施加压力：可以使用上述的在每个横截面具有两个孔的玻璃体，并且可以在每个孔中施加压力。这对于测量效应是有利的，但是不可能防止这样的结构过压，特别地对于超过～80bar的大压力。一种想法是，通过对玻璃体施加预张力(pretension)来防止过压，例如通过缩小例如由钢制成的外部体来防止过压。
iii)利用平行压力舱来代替串联配置的装备：图5示出了在没有玻璃体的结构情况下的可替换装备。一个压力被施加到上和下四分之一表面，另一个压力被施加到玻璃体的右边和左边的一个四分之一表面。这样的配置不具有大的增强因子，但是允许相当直接地测量差动压力。最重要的优点是圆柱形体的非常简单的形状，而不需要玻璃体中的任何孔。因此，由偏离玻璃体的理想对称所导致的误差被减小或者甚至消除。此外，差压力被直接转换成测量效应，因为在每个位置处的双折射直接取决于所施加的差动压力，并且不需要如在上面的设计中那样在空间分隔的部分处导致相移差。作为替换，压力舱可以完全被钢外壳包围，所述钢外壳通常具有圆柱形的内表面，并且该外壳被收缩到玻璃块上(见图5)。通过在生产期间和/或操作期间确保高度对称的配置，外壳和玻璃之间的热张力应该被保持得低。有可能应用补偿方案(例如通过传感器的机械或热后处理，或者通过信号校正)来处理由非对称引起的残余内在应力。
iv)使用镜子：为了将设备的长度变短，并且增加压力导致的双折射的测量效应的量值，任何人在金属体端并且特别是在金属体的前部使用镜子以便使光穿过设备多次。因此，双折射导致的相移被相应的添加多次。此外，这允许以低成本在一侧进行照明和检测，因为用单一的电子板代替了两个电子板。另一方面，使用镜子使得设备和附加的问题稍微变得复杂，例如关于玻璃体的光束的强度损耗和对称性应该通过适当的措施来解决(例如通过改进的束对准和束准直装置)。
v)压力舱的空间分离：在我们建议的传感器设备中，压力传感器由单块玻璃制成。可替换地，可以在被设计成用于施加压力p1和p2的两个块之间布置小的间隙，以便消除这两个块之间的张力的机械串扰。使用具有两个压力区段的单个块的优点是通过在这两个区段之间的较大的分离层可以消除串扰，并且因为未对准而引起的误差不会在单个块上出现。作为第三个可替换方式，有可能在例如用于水平测量的不同位置处可能通过光纤光学器件连接两个决。然而，因两个测量点或区之间的温度差而引起的误差应该被消除，这在原理上是可能的。
相移和信号生成
在上面的等式中给出了对于垂直偏振滤光器来说光强度分别与压力导致的双折射或相移的依赖关系。在所公开的传感器的特定情况下，主应力方向由z方向和y方向给出。因此，我们可以设角β＝0。另外，四分之一波片产生了π/2的附加相移，以便保证差动压力中的单调信号。这导致由下式给出的第一检测器中的强度：
I1＝IO(1-sin(δ))I2.
在此处，IO是入射到设备上的初始光强度，其中在表面界面处的损失等等被忽略。对于第二检测器，在检测器之前的偏振滤光器与设备之前的滤光器平行(即成+45°角)。在该传感器(包括四分之一波片)上的强度等于：
I2＝IO(1+sin(δ))/2.
两个检测器信号的差除以它们的和可以被用作信号S，用来测量压力或压力导致的双折射：
因为四分之一波片，我们使用正弦来代替余弦，从而允许测量相移的正负号以及由此测量差动压力。信号S不取决于光源的强度。
压力范围和灵敏度
使传感器满足相关精度需求的压力灵敏度和适当的压力范围可以由作为压力的函数的相移来计算。我们假定检测器达到信噪比SNR的满刻度106(其中信号的最大值或满刻度是1；我们使用最佳的SNR，因为所遇见的最大信号将＜1)。由上面S的公式并结合相移给出检测器信号：
δ＝Kd δp，
因此，信号S对差动压力δp(也被称为dp)的灵敏度s由下式给出：
所容许的压力范围可以按照下面的方法得到：在给定差动压力dp处的压力分辨率Res由灵敏度s的倒数乘以检测装备的信噪比给出。在图7中，以u形(准抛物线)曲线绘出了作为(差动)压力dp(单位是帕斯卡)的函数的压力分辨率Res(单位是帕斯卡)。对于最大的可容许的压力(压力上限)以及所有较小的压力，分辨率应该小于例如压力上限的10-5。在图7中通过v状线性曲线来表示对于差动压力dp的该压力分辨率目标。这暗示对于压力上限来说，在图7中u形(准抛物线)曲线必须位于v状线性曲线的下面，由此限定了可容许的压力范围。因为u形曲线的形状，对于在该压力区间(intervall)中选择的固定压力上限来说，小于该压力上限的所有压力的误差都小于在该压力上限处的误差并且因此还满足了所需的分辨率标准。因此图7示出，可以在图7中的u形和v形曲线的两个交叉点之间的压力间隔内选择压力上限，即在0.68bar(受到噪声限制的压力下限)和10.2bar(受到压力测量范围限制的压力上限)之间。如果期望其它的压力间隔，则应该改变传感器的长度。
概括总结：
均匀固态体(其对于光是透明的)用于使用传感器体中的压力导致的双折射来进行差动压力感测。如果力或压力作用到体上以使得材料的折射率因为所导致的应力而改变，则改变发送通过体的平行的或最小发散的光的传播。传感器体的可能实施例是结构化的玻璃体。该传感器由包括两个同样结构玻璃杆的圆柱形结构制成，所述玻璃杆被同轴熔凝到一起并且相对于彼此旋转90°。玻璃杆的内部部件被构造有孔，以使得非常有效地将压力转换成杆中心中的不均匀应力状态。该不均匀应力状态导致在可以测量到双折射的杆的中心处传播的光的双折射。
本发明的主要的新颖性是使用较大的体而不是光纤，其中与具有芯和包层的光学玻璃光纤相比，较大的体的材料是均匀的。因此，消除了存在于光纤中的由包括不同掺杂材料的不同材料的膨胀而引起的温度导致的应力。此外，通过使用较大的体，有助于将光耦合到体中。
结构化的玻璃体的与压力有关的双折射可以被用来测量差动压力。在该文件中，我们已示出了该装备适用于作为工业压力传感器的主要感测元件。物理地建造、建模特定的传感器，并且估计其性能。发现所提出的具有＜6cm长度的传感器可以被用来测量具有所需的分辨率的0.68bar和10.2bar之间的范围。对于其它压力范围，可以容易地改变传感器的几何结构。多达250bar(静态压力)和92bar(差动压力)的过压是可能的；这些限度可以通过优化几何结构来增加。光学压力传感器的功耗在4-20mA设备所需的限度内。
对设备和光束的对称性的需求是重要的。为了保持所期望的低误差，玻璃体应该以高的精度制造。
附图标记列表
1 光源LED
2 光束
3 45°偏振滤光器
4 感测元件的外壳
5 钢套管
6 终端壁
7 压力舱之间的隔壁，封条
8 第一压力舱
9 第二压力舱
10 (结构化的)玻璃体
11 玻璃体的第一部件
12 玻璃体的第二部件
13 玻璃体的第一部件的横截面
14 玻璃体的第二部件的横截面
15 四分之一波片
16 在x/y平面内以45°定向的偏振分束器。
17、17’ 分别是第一和第二检测器
18 压力传感器
19 在玻璃体的第一部件中的孔
20 在玻璃体的第二部件中的孔
21 x、y平面内偏振方向为45°的光
22 离开玻璃杆的光束
23、24 22的两个正交分量
25 压力舱的钢壁
26 中心轴
27 玻璃体的终端平面
p1 第一压力舱中的压力
p2 第二压力舱中的压力
I1 在第一检测器中测量的强度
I2 在第二检测器中测量的强度
δp、dp 压力差、差动压力
δp 行进的光的x和y线性偏振分量之间的差动压力导致的相移
Ax x分量的幅度
Ay y分量的幅度
λ 光的波长
K 应力光学常数
L 杆长度
σ 在相应方向(σxx、σxy、σyy)上的应力
t 时间；钢套管的厚度
E 杨氏弹性模量
v 自松数
d1 孔的长度
d2 从P到孔的底部的距离
d3 从终端末端到第一压力舱的距离
d 孔直径
b 从中心轴到孔的中心的距离
D 玻璃体的直径
P 分隔平面
h 压力舱的宽度
A、B 横截面
Res 压力分辨率
Claims (22)
1.具有至少一个光学感测元件(10)的压力传感器(18)，通过至少一个光束(2、21)的透射来读出所述压力传感器的双折射特性的压力导致的变化，其中
所述压力传感器(18)包括：至少一个单一材料透明体(10)，所述单一材料透明体(10)在至少两个不同的区中经由至少两个压力舱(8、9)经受至少两个不同的压力(p1、p2)，其中所述透明体(10)被平行的或基本上不发散的或低发散的光束(22)透射，而不会在所述体(10)中全反射，以使得透射光束(22)的双折射导致的相移依赖于所施加的压力(p1、p2)的差。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述透明体(10)直接经受至少两个不同的压力(p1、p2)。
3.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述透明体(10)是圆柱形体，优选地具有圆形的或多边形的横截面，所述透明体(10)在不同的部件和/或区中经受至少两个不同的压力(p1、p2)，其中优选地所述透明体(10)在多个、优选两个纵向连续的部件(11、12)中经受两个不同的压力(p1，p2)以及/或者在沿着所述体(10)的全长的多个、优选四个等角的交替压力区段中经受两个不同的压力(p1、p2)。
4.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述透明体(10)是具有两个相等长度的部件(11、12)并且具有圆形横截面的圆柱形体(10)，其中所述两个部件(11、12)包括基本上同样的、优选地以纵向的、优选是圆柱形孔(19、20)或开口的形式的内部结构，在施加压力的情况下这导致所述体(10)中不对称的应力分布，并且其中所述两个部件(11、12)围绕所述圆柱形体(10)的主轴相对于彼此旋转90°。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中在每个部件(11、12)中，内部结构以一对纵向孔(19、20)给出，所述纵向孔的轴到所述圆柱形体(10)的主轴的距离相等，并且所述纵向孔的轴都被定向到包括所述圆柱形体(10)的主轴的一个相同平面中。
6.根据权利要求4-5中任一项所述的压力传感器，其中所述圆柱形孔(19、20)的直径(d)在所述圆柱形透明体(10)的直径(D)的1/8到1/3之间，优选地在所述圆柱形透明主体(10)的直径(D)的1/4的范围内。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的压力传感器，其中所述透明体(10)具有垂直于主轴的终端表面(27)，并且其中所述两个部件(11、12)被布置成在对接接头中彼此相邻。
8.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中平行的或最小发散的光束(22)沿着透明圆柱形体(10)的中心纵轴行进，，所述终端平面(27)定向为垂直于圆柱形体(10)的中心纵轴。
9.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中利用光束(21)平行于以及/或者沿着中心纵轴从一侧照射所述透明体(10)，并且其中在另一侧上使用两个检测器(17、17’)来检测离开所述透明体(10)的透射光(22)，其中优选地所述检测器(17、17’)测量特定光谱范围内的总积分强度，并且其中优选地所述检测器(7、8)是以例如使用惠斯顿电桥的方式电连接或电子连接的检测器二极管，以使得输出差信号或所述信号的差除以信号的和的结果。
10.根据权利要求9所述的压力传感器，其中优选地通过使用偏振滤光器(3)使照射到所述透明体(10)中的光束(21)被线性偏振，并且其中使用具有与所述偏振滤光器(3)的定向相同的偏振分束器(16)来将离开所述透明体(10)的光束(22)分成其两个分量(23、24)以由两个检测器(17、17’)进行检测。
11.根据权利要求9或10所述的压力传感器，其中在所述透明体(10)之后，光束(22)通过光学相移元件，优选地通过四分之一波片(15)。
12.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中通过两个同样的纵向隔开的、圆周的压力舱(8、9)将两个不同的压力(p1、p2)施加到圆柱形透明体(10)，压力舱(8、9)优选地填充有液体，甚至更优选地填充有硅油。
13.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述透明体(10)是玻璃体，优选地由熔凝石英制成。
14.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述透明体(10)被布置在外部套管(5)中，所述压力舱(8、9)由透明体(10)的外部表面和外部套管(5)的内部表面之间的间隙给出。
15.根据权利要求14所述的压力传感器，其中所述外部套管(5)由钢制成，其中优选地所述钢被选择成具有与所述透明体(10)基本上相等的或至少相似的温度膨胀特性，并且其中优选地所述透明体(10)通过硬焊接或通过使用挠性O型环被固定在所述套管(5)中。
16.根据权利要求14-15中任一项所述的压力传感器，其中所述压力舱(8、9)配有圆的边缘。
17.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中特别地为了消除热应力对双折射的影响，所述透明体(10)未被结构化，特别对于压力舱(8、9)之间的隔壁(7)和/或外壳(4)被附接或者与所述透明体(10)接触的区中未被内部地结构化。
18.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述透明体(10)包括被空间上分隔的两个结构化的半部分。
19.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述光束(2、21)由光源提供，优选地由发光二极管(1)提供，优选地在强度上调制所述光源，并且其中在透射通过所述透明体(10)之前，所述光束(2、21)通过偏振滤光器。
20.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中附加地提供用于测量所述光源的强度的光强度传感器和/或温度测量传感器，并且其中来自这些传感器的数据被结合到对差动压力的评估中。
21.一种用于使用具有至少一个光学感测元件(10)的压力传感器(18)来检测压力的方法，通过至少一个光束(2、21)的透射来读出所述压力传感器的双折射特性的压力导致的变化，其中所述压力传感器(18)包括至少一个单一材料透明体(10)，所述单一材料透明体(10)在至少两个不同的区中经由至少两个压力舱(8、9)经受至少两个不同的压力(p1、p2)，其中所述透明体(10)被平行的或最小发散的光束(22)透射，而不会在所述体(10)中全反射，以使得透射光束(22)的双折射导致的相移依赖于不同压力(p1、p2)的差，并且其中基于这些检测器(17、17’)的差动输出、基于这些检测器(17、17’)的输出的和或差、基于这些检测器(17、17’)的输出的比值、或者基于其组合，优选地基于所述差和所述和的比值，来评估所述两个压力舱(8、9)中的差动压力。
22.一种对根据权利要求1-21中的任一项所述的压力传感器的使用，所述使用用来测量超过500mbar的压力差，并且优选地测量超过0.5bar直到15bar的压力范围。
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