CN102359838B - 一种激光式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光式压力传感器，包括压力敏感组件、控制电路和外壳，压力敏感组件的信号通过连线与所述控制电路连接；压力敏感组件的壳体形成压力孔和腔体，腔体内部安装有弹性膜片、遮光片和透光槽、第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管和第一光电二极管和第二光电二极管，第一光电二极管接收第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管通过透光槽的光束，第一光电二极管和第二激光二极管或普通发光二极管之间有遮光片；第二光电二极管接收第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管的光束。本发明生产工艺简单，成本低，无需任何补偿就有着很高的精度。

Description

一种激光式压力传感器

技术领域

本发明涉及一种利用激光光束和光电管等相关控制电路组成的新型高精度压力传感器。

背景技术

传统的压力传感器种类有：应变片压力传感器，陶瓷压力传感器，扩散硅压力传感器，电容式压力传感器，蓝宝石压力传感器等，他们的共同问题是生产工艺比较复杂，有些高精度的敏感元件技术还掌握在国外的几个大公司手上。现有传感器的电路部分能轻易做到很高的精度和温度特性，影响压力传感器精度的最大瓶颈是敏感元件，而影响敏感元件精度的主要原因之一是温度漂移。

因同材料同型号敏感元件存在一致性的差异，需要分别对每个敏感元件的特性做调整和温度补偿，增加了压力传感器量产的难度。有些敏感元件内部已经带有温度补偿，这些敏感元件价格相对比较高，但在不能满足实际使用的要求时还需外部补偿电路来补偿。传统压力传感器还有容易产生滞后，疲劳和蠕变现象。所以要想生产出高精度高稳定的压力传感器，除了用高精度高稳定的敏感元件，还要合理的结构和精确的补偿。导致现有压力传感器生产成本居高不下。

发明内容

鉴于上述传统压力传感器复杂的生产工艺和相对较高的价格，本发明提供了一种生产工艺简单，成本低，无需任何补偿就有着很高的精度的激光式压力传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光式压力传感器，其特征在于，具体包括：

压力敏感组件、控制电路和外壳，所述压力敏感组件的信号通过连线与所述控制电路连接在一起；其中，所述压力敏感组件的壳体形成压力孔和腔体，其中，所述腔体内部安装有弹性膜片、遮光片和透光槽、第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管和第一光电二极管和第二光电二极管，其中，所述第一光电二极管接收第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管通过透光槽的光束，其中第一光电二极管和第二激光二极管或普通发光二极管之间有遮光片；所述第二光电二极管接收第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管的光束。

进一步地，优选的结构是，所述压力敏感组件的壳体用金属或工程塑料材料制成。

进一步地，优选的结构是，所述控制电路由多个光伏线性放大电路、精密基准电压电路、采样保持电路、方波产生电路、斩波电路、电流放大电路组成。

进一步地，优选的结构是，所述第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管以交替的方式发射光束，其中第二激光二极管或普通发光二极管产生的光束应用于检测压力应变量，第一激光二极管或普通发光二极管产生的光束应用于检测温度补偿，第二光电二极管检测第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管的光束发射功率是否相同。

进一步地，优选的结构是，所述第一光电二极管是用于检测反应压力应变量的敏感元件和用于检测温度漂移的敏感元件。

进一步地，优选的结构是，所述第一光电二极管与线性放大电路组成光伏放大电路，使压力应变量转换成电信号。

进一步地，优选的结构是，所述激光式压力传感器设有第一采样保持电路和第二采样保持电路，第一采样保持电路和第二采样保持电路分离出反应压力应变量的电压信号和温度误差量信号。

进一步地，优选的结构是，所述激光式压力传感器还设有第三采样保持电路和第四采样保持电路，第三采样保持电路和第四采样保持电路分离出反应第一激光二极管或普通发光二极管和第二激光二极管或普通发光二极管光束强度的信号，两信号送入比较电路中用于调整第二激光二极管或普通发光二极管跟第一激光二极管或普通发光二极管的光束功率一致。

进一步地，优选的结构是，所述激光式压力传感器设有第一斩波电路和第二斩波电路，所述第一斩波电路和第二斩波电路斩掉方波边缘的干扰和失真，提供给相应采样保持电路精确的采样指令信号。

进一步地，优选的结构是，所述第一光电二极管、线性放大电路，第一采样保持电路，第二采样保持电路，比较电路，精密基准电压电路和第一激光二极管或普通发光二极管形成具有温度自我补偿回路。

本发明跟传统压力传感器相比具有以下优点：

传统压力传感器基本上采用把压力应变量直接作用于敏感元件上，敏感元件会受压力大小做物理应变，容易产生滞后，疲劳和蠕变现象。

传统传感器的主要器件敏感元件不能做温度自我补偿方式，即用敏感元件自己的温度特性来补偿自己的温度误差。只能做额外的修正和补偿，很难达到跟敏感元件一样的温度特性。

本发明颠覆了传统压力传感器固有的工作方式。采用激光光束或普通发光二极管光束和光电管以非直接接触方式检测压力应变量，消除了因敏感元件引起的滞后，疲劳和蠕变现象。

利用激光束的特性可以制造出精度很高的压力传感器，对精度要求相对不是很高的压力传感器可以用普通发光二极管光束。

光电二极管检测激光光束或普通发光二极管光束的光通量，来反应压力应变量，因为光电二极管在光伏模式下有着非常精确的线性度，所以本发明无需做线性补偿就有很高的精度。

本发明是利用光束的光通量来检测压力应变量，光电二极管接收高速交替发射的稳定的和反应压力应变量的两束光束。当光电二极管接收稳定光束时，光电二极管的光伏输出随温度变化的变化量就是光电二极管自身的温度漂移量。当光电二极管接收反应压力应变量的光束时，光电二极管的光伏输出是压力应变和温度漂移的两个变量。这样只要用光电二极管接收稳定光束时产生的温度漂移量来补偿自己在接收压力应变量光束时产生的温度漂移，就达到了自我温度补偿的目的。

温度自我补偿的好处是显而易见，除了有很高的精确度，无需分别对每个敏感元件的温度漂移做温度补偿校正，使生产工艺简单化，降低了生产成本。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。

图1为本发明最佳实施的结构剖面图；

图2为本发明压力敏感组件的结构底附图；

图3为本发明的所述激光管或普通发光二极管和光电二极管之间的配合关系图；

图4为本发明控制电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为本发明最佳实施的结构剖面图；图2为本发明压力敏感组件的结构底附图。

如图所示，所述激光式压力传感器，包括：压力敏感组件1，控制电路2和外壳13。压力敏感组件1的信号通过连线11跟控制电路2连接。

其中，压力敏感组件1壳体用金属或工程塑料等材料制成，构成压力孔3，腔体4，安装有弹性膜片5，遮光片6，透光槽7，第一激光二极管或普通发光二极管9、第二激光二极管或普通发光二极管12，第一光电二极管8、第二光电二极管10等。

所述控制电路部分2由光伏线性放大电路、精密基准电压电路、采样保持电路、方波产生电路、斩波电路、电流放大电路组成。

图3为本发明的所述激光管或普通发光二极管和光电二极管之间的配合关系图；图4为本发明控制电路结构图。

参照附图4控制电路结构，方波产生电路输出频率几千hz的方波Y1驱动Q2和经过倒向的方波Y2a驱动Q1，使第一激光二极管或普通发光二极管9、第二激光二极管或普通发光二极管12以几千hz的频率交替发射光束。第一光电二极管8、第二光电二极管10同时接收上述发射光速并产生十几千hz的脉冲光束，此脉冲方波信号分别通过对应的光伏放大电路加以放大，再经过相应的采用保持电路输出线性电压。方波产生电路输出的方波Y1同时输入到第二斩波电路和倒向电路，倒向后的方波Y2b输入到第一斩波电路，第一斩波电路和第二斩波电路输出的波形Y4，Y3分别输入到采样保持电路中，控制所需的采样点。

下面对激光式压力传感器的检测压力应变量的工作原理：

参照附图1，附图2和附图3，第一光电二极管8接收由第二激光二极管或普通发光二极管12通过透光槽7发送波形为Y2a的脉冲光束。遮光片6处于第二激光二极管或普通发光二极管12，透光槽7和第一光电二极管8之间。当压力从压力孔3进入到腔体4中，压力弹性膜片5受压力的作用变形，跟压力弹性膜片5一体的遮光片6向下运动。如压力弹性膜片5受压力大，遮光片6的运动幅度就大，遮挡住第二激光二极管或普通发光二极管12光束的面积多，通过的光束就小，第一光电二极管8受光面积小，第一光电二极管8的光伏脉冲输出幅度就小。反之，如压力弹性膜片5受压力小，遮光片6的运动幅度就小，遮挡住第二激光二极管或普通发光二极管12光束的面积小，通过的光束就大，第一光电二极管8受光面积大，第一光电二极管8的光伏脉冲输出幅度就大，这样就形成压力的变化量转变成光伏变化量的过程。

参照附图4，第一光电二级管8接收到波形为Y2a的脉冲光伏变化量被输入到线性放大电路A加以放大，然后把放大后的脉冲光伏信号输入到采样第一采样保持电路中。第一采样保持电路的采样信号波形为Y4，由第一斩波电路提供。由波形对照图可以看出，斩波电路起斩掉方波Y2b边缘的失真作用，波形Y4相应的波形是Y2b。因波形Y2b跟波形Y2a是一样，第二激光二极管或普通发光二极管12发射跟波形Y2b一样的脉冲光束。由于第一采样保持电路的采样信号波形为Y4，所以第一采样保持电路只采样第二激光二极管或普通发光二极管12发射的脉冲光束光伏信号，第二激光二极管或普通发光二极管12发射的脉冲光伏信号经第一采样保持电路处理后变成线性的电压，再通过差分放大器到电流放大电路中，最后把压力变化量以电信号形式输出。

此外，下面对本发明进行温度自我补偿的工作原理描述：

参照附图1，附图2和附图3，第一光电二极管8在接收前面所述第二激光二极管或普通发光二极管12光束的同时还接收第一激光二极管或普通发光二极管9的光束。跟第一光电二极管8和第二激光二极管或普通发光二极管12之间的关系不同，第一光电二极管8和第一激光二极管或普通发光二极管之间没有遮光片。第二光电二极管10处于第二激光二极管或普通发光二极管12和第一激光二极管或普通发光二极管9下面，第二光电二极管10同时接收第二激光二极管或普通发光二极管12和第一激光二极管或普通发光二极管9的光束。

参照附图4，温度自我补偿的关键是怎样控制第一光电二极管8的光伏输出不受温度的影响。从电路中可以看出，第二激光二极管或普通发光二极管12和第一激光二极管或普通发光二极管9高速交替发射光束。第一光电二极管8输出的是包含两个光束信号的光伏电量，其中由第二激光二极管或普通发光二极管12光束产生的光伏量作为反应压力应变量用，第一激光二极管或普通发光二极管9光束产生的光伏量作为温度补偿参考值。

当第一光电二极管8受到温度影响而使光伏量输出产生误差，其误差量跟第二激光二极管或普通发光二极管12和第一激光二极管或普通发光二极管9光束产生的光伏量一起通过线性放大电路加以放大。此光伏量被输入到第一采样保持电路和第二采样保持保持电路中。第一采样保持电路处理后的电压信号前面已经描述过，故不再做描述。第二采样保持保持电路的采样信号波形为Y3，由第二斩波电路提供，由波形对照图可以看出，波形Y3相应的波形是Y1。第二采样保持电路只采样第一激光二极管或普通发光二极管9发射的脉冲光束光伏信号，第一激光二极管或普通发光二极管9发射的脉冲光伏信号经采样保持电路处理后输出线性的电压，此电压包含温度补偿参考值和温度误差量，然后送入比较电路跟精密基准电压电路进行比较。比较电路控制第一激光二极管或普通发光二极管9的发射功率使第一光电二极管8始终保持非常稳定的光伏电压。

由于检测压力变化量的光束是第二激光二极管或普通发光二极管12提供，第二激光二极管或普通发光二极管12光束发射功率必须跟第一激光二极管或普通发光二极管9一样才能起到补偿压力变化量的温度误差。

参照附图2和附图3，第二光电二极管10处于第一激光二极管或普通发光二极管9和第二激光二极管或普通发光二极管12同平面的下方，同时接收第一激光二极管或普通发光二极管9和第二激光二极管或普通发光二极管12的脉冲光束。

又参照附图4，线性放大电路B把第二光电二极管10接收到的光伏信号放大，输入到第三采样保持电路和第四采样保持电路。第三采样保持电路的采样信号是波形为Y4，输出的是第二激光二极管或普通发光二极管12的线性电压。第四采样保持电路的采样信号是波形为Y3，输出的是第一激光二极管或普通发光二极管9的线性电压。把两个电压输入到比较电路进行比较，比较电路调节第二激光二极管或普通发光二极管12的发射功率，使第二激光二极管或普通发光二极管12的发射功率和第一激光二极管或普通发光二极管9的发射功率相同。

从以上描述可以看出，第一光电二极管8即是检测压力应变量的敏感元件同时又是检测温度漂移量的敏感元件，这样就形成一个以精密基准电压为参考值的精密温度自我补偿方案。

需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种激光式压力传感器，其特征在于，具体包括：

压力敏感组件(1)、控制电路(2)和外壳(13)，所述压力敏感组件(1)的信号通过连线(11)与所述控制电路(2)连接在一起；其中，所述压力敏感组件(1)的壳体形成压力孔(3)和腔体(4)，其中，所述腔体(4)内部安装有弹性膜片(5)、遮光片(6)和透光槽(7)、第一激光二极管或普通发光二极管(9)和第二激光二极管或普通发光二极管(12)和第一光电二极管(8)和第二光电二极管(10)，其中，所述第一光电二极管(8)接收第一激光二极管或普通发光二极管(9)和第二激光二极管或普通发光二极管(12)通过透光槽(7)的光束，其中第一光电二极管(8)和第二激光二极管或普通发光二极管(12)之间有遮光片(6)；所述第二光电二极管(10)接收第一激光二极管或普通发光二极管(9)和第二激光二极管或普通发光二极管(12)的光束。

2.根据权利要求1所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述压力敏感组件(1)的壳体用金属或工程塑料材料制成。

3.根据权利要求1所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述控制电路(2)由多个光伏线性放大电路、精密基准电压电路、采样保持电路、方波产生电路、斩波电路、电流放大电路组成。

4.根据权利要求1所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述第一激光二极管或普通发光二极管(9)和第二激光二极管或普通发光二极管(12)以交替的方式发射光束，其中第二激光二极管或普通发光二极管(12)产生的光束应用于检测压力应变量，第一激光二极管或普通发光二极管(9)产生的光束应用于检测温度补偿，第二光电二极管(10)检测第一激光二极管或普通发光二极管(9)和第二激光二极管或普通发光二极管(12)的光束发射功率是否相同。

5.根据权利要求4所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述第一光电二极管(8)是用于检测反应压力应变量的敏感元件和用于检测温度漂移的敏感元件。

6.根据权利要求3所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述第一光电二极管(8)与线性放大电路组成光伏放大电路，使压力应变量转换成电信号。

7.根据权利要求6所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述激光式压力传感器设有第一采样保持电路和第二采样保持电路，第一采样保持电路和第二采样保持电路分离出反应压力应变量的电压信号和温度误差量信号。

8.根据权利要求7所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述激光式压力传感器还设有第三采样保持电路和第四采样保持电路，第三采样保持电路和第四采样保持电路分离出反应第一激光二极管或普通发光二极管(9)和第二激光二极管或普通发光二极管(12)光束强度的信号，两信号送入比较电路中用于调整第二激光二极管或普通发光二极管(12)跟第一激光二极管或普通发光二极管(9)的光束功率一致。

9.根据权利要求3所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述激光式压力传感器设有第一斩波电路和第二斩波电路，所述第一斩波电路和第二斩波电路斩掉方波边缘的干扰和失真，提供给相应采样保持电路精确的采样指令信号。

10.根据权利要求8所述的激光式压力传感器，其特征在于，所述第一光电二极管(8)、线性放大电路，第一采样保持电路，第二采样保持电路，比较电路，精密基准电压电路和第一激光二极管或普通发光二极管(9)形成具有温度自我补偿回路。

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