CN102460102A - 纤维光学系统及其使用 - Google Patents

Abstract

一种用于压力测量的纤维光学系统具有压力传感器元件（4），其具有至少两个平行的部分反射表面（5、7），其中的一个被布置在隔膜（6）上，可由于跨越所述隔膜的压力差而相对于另一固定的所述表面移动。所述表面被布置以便根据这些表面之间的实际10距离而引起基本地垂直地入射到两个表面上且被其反射的光的干涉现象。压力传感器元件由在高达至少800℃的连续温度上稳定的材料制成。传感器元件的至少所述隔膜（6）由SiC制成，并且连接到所述传感器元件的光纤（3）的至少一部分（23）由能够耐受至少800℃的连续温度的材料制成。

Description

纤维光学系统及其使用

技术领域

本发明一般地涉及用于压力测量的纤维光学系统。然而，虽然本发明针对具有执行压力测量的能力的纤维光学系统，但可以将这类系统配置为用来测量其它物理量，诸如温度。此外，包括用于测量静态和/或动态压力的纤维光学系统。

背景技术

纤维光学系统与基于电子传感器的系统相比具有多个优点，因为通过光纤进行的信号传输对电磁噪声不敏感，使得这类纤维光学系统用于压力测量的优选用途是在可能发生严重电磁干扰的情况下。此外，这类系统的光学压力传感器元件可以具有比相应电子传感器更高的温度能力。

本发明更特别地涉及用于压力测量的纤维光学系统，其包括

· 压力传感器元件，其具有至少两个平行部分反射表面，其中的一个被布置在隔膜上，可由于跨越所述隔膜的压力差而相对于另一固定的所述表面移动，所述表面被布置以便根据这些表面之间的实际距离引起基本上垂直地入射到两个表面上且被其反射的光的干涉现象，

· 光源，其被配置为发射光，

· 光纤，其被配置为接收和传送在一个方向中从所述光源到所述压力传感器元件的光和在相反方向中采取被所述表面反射的光的形式的测量信号，以及

· 设备(arrangement)，其被配置为接收所述测量信号并评估此信号，以便确定所述隔膜处的压力值，以及这类系统的用途。

通过例如SE 510 449和US 2002/0003917 A1已知这类型的纤维光学系统，并且其因此基于研究入射在所谓法布里-珀罗腔体的所述两个表面上的光的干涉现象以便确定压力值。这些干涉现象则将是把所述两个表面分离的距离的函数且因此是所述表面在隔膜上相对于另一固定表面的移动的函数。这类已知纤维光学系统能够在许多情况下传送可靠的压力测量，但是正在进行改善这类系统以便使得测量更可靠并扩展这类纤维光学系统的使用领域的尝试。

发明内容

本发明的目的是提供一种相对于已知的这类系统而言至少在某些方面得到改善的纤维光学系统。

根据本发明，通过提供这样一种系统来获得此目的，在该系统中，所述压力传感器元件由在高达至少800℃的连续温度上稳定的材料制成，所述传感器的至少所述隔膜由SiC制成，并且连接到所述传感器元件的所述光纤的至少一部分由能够耐受至少800℃的连续温度的材料制成。

具有此类压力传感器元件的纤维光纤系统可以用来在严酷环境下传送可靠的压力测量，特别是在温度高的情况下，诸如在燃料燃烧过程中，例如在内燃机中和燃气涡轮机中。SiC在比800℃更高的温度上（诸如至少约1500℃）是稳定的，使得压力传感器元件的所述两个表面之间的实际距离可以基本上与在1000℃～1500℃的温度范围内隔膜的温度无关，其中，对于Si的隔膜而言情况将不是如此。然后，优选的是压力传感器元件由在高达至少1000℃的连续温度上稳定的材料制成，并且直接连接到所述传感器元件的光纤的所述部分是能够耐受至少1000℃的连续温度的材料。

使传感器的隔膜由SiC制成的另一优点是SiC的杨氏模量比Si的高了约三倍，这使得可以将此类型的纤维光学系统用于测量随高频率而变的动态压力并登记用具有Si隔膜的传感器不可能登记的压力变化。

根据本发明的实施例，基本上整个压力传感器元件是由SiC制成的。这是优选的，因为这类压力传感器元件的高温性质于是将是优良的，并且于是还将改善获得高频率压力变化的高准确度测量的能力。应指出的是“由SiC制成”在本上下文中被解释为还覆盖具有施加在由SiC制成的隔膜/压力传感器元件上的任何类型的另一材料薄膜的情况。

此外，此类型的纤维光学系统中的压力传感器元件优选地是所谓的MEM器件（微机电器件）。

根据本发明的另一实施例，传感器的所述固定表面由具有与所述隔膜共用的晶体结构的SiC单晶层形成。通过晶体结构从所述层到隔膜的转移，传感器将接收具有非常好地限定的性质的结构，这是此类型的传感器的重要优点。

根据本发明的另一实施例，所述压力传感器元件包括具有紧挨着所述光纤的限定所述固定表面的顶面和远离所述光纤的由所述隔膜限定的底部的腔体。

[0013] 根据本发明的另一实施例，所述腔体在其隔膜侧面上被覆盖通过隔膜的开口的层封闭。因此，通过隔膜的开口在产生所述固定表面与隔膜之间的间隙时可能在那里，因此，通过用在高达至少800℃的连续温度上稳定的所述材料层（优选地也是SiC）将此开口覆盖来将其封闭，以便封闭在隔膜侧上的腔体。

根据本发明的另一实施例，所述腔体被封闭且所述设备被配置为确定在所述腔体外面的介质的静态或动态压力的值。该腔体必须被封闭以便确定在传感器外面的静态压力的值，但是在大多数情况下优选的是当在测量并然后由所述设备来确定所述介质的动态压力时，所述腔体具有到围绕所述压力传感器元件的介质的通道状开口。

根据本发明的另一实施例，所述隔膜被设计为在相对于所述固定表面移动时在所述表面之外的区域中变形以被来自所述光纤的光命中，从而保持所述隔膜的反射表面的外观不受隔膜的此类移动的影响。这意味着获得确定所述压力值时的高准确度的可能性。

根据本发明的另一实施例，所述光学系统包括荧光部件，其被布置于在压力传感器元件的所述反射表面的上游从所述光源传送的所述光的路径中，并被配置为吸收所述光的一部分以便在所述光纤中在相反的方向中重新发送由光学激励引起的辅助光以便被提供用于评估。这类荧光部件的存在使得可以通过在计算所述压力时适当地考虑光学路径中的光损失来对所述设备进行校准。还可以通过评估所述辅助光来检查光传送纤维的状态。所述荧光部件还可开发用于其它类型的评估，这将在下文中进一步描述。

根据本发明的另一实施例，与所述压力传感器元件相连地布置所述荧光部件以便暴露于压力传感器元件周围介质的与压力传感器相同的温度，所述荧光部件由一种材料制成，该材料具有温度相关的荧光性质，采取所述辅助光的温度相关谱分布或是温度相关的最后提及的光的时间延迟常数的形式，并且所述系统还包括被配置为接收从所述荧光部件重新发送的所述光并由其确定压力传感器元件周围的介质的温度值的装置。这意味着纤维光学系统还可以用来测量压力传感器元件周围的介质的温度，并且然后还可以使用通过配置所述装置如此获得的温度信息以将这个信息发送到所述设备，并且然后将所述设备配置为在确定所述隔膜处的所述压力时考虑这类温度信息，使得可以甚至更加提高压力确定的准确度。

根据本发明的另一实施例，所述荧光部件由用Ti掺杂的蓝宝石制成。当与压力传感器元件相连地布置荧光部件时，这是适合于用于荧光部件的材料，因为这类荧光部件然后将耐受至少1000℃的连续温度。

根据本发明的另一实施例，所述荧光部件由掺杂SiC层制成。这构成获得具有用于产生所述辅助光的所述光学激励的适当能级的荧光部件的另一有利方式。此外，这类部件然后将具有优良的高温稳定性质。

根据本发明的另一实施例，连接到所述传感器元件的所述光纤的所述部分由蓝宝石制成，其可以耐受所述高温。

根据本发明的另一实施例，连接到所述传感器元件的所述光纤的所述部分具有1 cm～100 cm或1 cm～10 cm的长度。能够耐受所述连续温度所需的光纤长度将位于这些区间中的至少一个内，因为在系统的预期使用中通常将不存在超过这些区间的上限的这类高连续温度。然而，光纤当然可以是也超过所述部分的末端的相同材料。

根据本发明的另一实施例，所述光纤具有基于石英的标准纤维部分，并且所述系统包括被配置为将所述标准纤维部分连接至连接到所述传感器元件的所述光纤部分的装置。其中不要求高温稳定性的基于石英的这类标准纤维部分的使用不仅的确导致相当大的成本节省，而且还可以由此相当大地增加到达所述设备的测量信号的强度，因为在这类标准纤维中传送光的衰减度比在高温纤维中低得多。

根据本发明的另一实施例，所述连接装置包括用于将光束从所述纤维部分中的一个传递至另一个的透镜，使得可以由多个纤维部分来形成光传送路径。

根据本发明的另一实施例，所述光源是单色光源，例如发光二极管或激光二极管，优选地具有相对于所述纤维的高耦合因数。

本发明还涉及根据本发明的根据任意实施例的用于压力测量的纤维光学系统与燃料燃烧过程相结合，诸如在内燃机中和在燃气涡轮机中的用途，其中，可以完全受益于这类纤维光学系统的特征。

通过本发明的实施例的以下说明，将清楚本发明的其它优点以及有利特征。

附图说明

参考附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的特定说明。

在所述附图中：

图1是举例说明根据本发明的实施例的纤维光学系统的非常简化的电路图;

图2示意性地举例说明根据本发明的第一实施例的纤维光学系统的压力传感器元件;

图3示意性地举例说明根据本发明的第二实施例的纤维光学系统的压力传感器元件;

图4是举例说明根据本发明的实施例的纤维光学系统的一部分的简化视图;以及

图5是根据本发明的另一实施例的对应于图4的视图。

具体实施方式

图1非常示意性地举例说明本发明适合的类型的纤维光学系统的一般结构。现在将简要地解释此纤维光学系统的构造和操作方式，并对SE 510 449进行参考以进行此类型纤维光学系统的进一步解释。

纤维光学系统包括光源1，诸如发光二极管或激光二极管，发射具有诸如约750nm的适当波长的单色光，这将在下文进一步解释。从光源1发射的光在到达具有两个平行部分反射表面的压力传感器元件4的光纤3的分支2中被传送，所述两个平行部分反射表面中的一个5被布置在隔膜6上，可由于跨越隔膜6的压力差而相对于另一固定所述表面7移动。所述表面5、7之间的典型距离被选择以便根据这些表面之间的实际距离引起基本上垂直地入射到两个表面上并被其反射的光的干涉现象。不具有跨越所述隔膜的压力差的情况下的处于静止位置的两个表面的距离是使得当隔膜由于隔膜的这类压力差而在极限位置之间移动时，其在由于被所述固定表面和被隔膜上的表面反射的光的干涉而引起的信号的谷值与峰值之间的区域中移动。这意味着跨越所述隔膜的压力在此测量范围内将是所述距离的单调函数。

所述系统还包括荧光部件8，诸如用氧化钕或具有荧光性质的另一稀土金属的离子掺杂的玻璃板。荧光部件被布置在压力传感器元件的两个反射表面上游的从光源传送的所述光的路径中，并被配置为吸收来自光源的所述光的一部分以便在所述光纤中在相反方向重新发送由光学激励引起的辅助光以便被提供用于评估。此光学激励导致比由光源1发射的光的波长更长的波长的辅助光，在氧化钕离子的情况下约1060nm。

纤维光学系统还包括分束器9，其在分支10中的光纤3中将在远离压力传感器元件4的方向传送的光分离，将被压力传感器元件4的所述两个平行表面反射的光传送至检测器11，检测器11进一步向设备12发送电信号，设备12被配置为评估此信号，从而确定所述隔膜处盛行的压力值。分束器9将源自于荧光部件8的所述辅助光分离到另一分支13以便由检测器14进行检测并转移到适当的信号。检测器14将所述信号进一步发送到被配置为确定压力传感器元件周围的介质的温度值的装置15，这将由于用于被选择用于荧光部件8的材料的所述辅助光的温度相关谱分布或是温度相关的最后提及的光的时间延迟常数而是可能的。

温度确定装置15还被配置为将关于所述温度的信息发送到设备12，并且设备12被配置为在确定所述隔膜处的所述压力时考虑这类温度信息。

装置15和设备12被配置为向设备16提供关于温度和压力的信息以便显示这些量。

图2示意性地举例说明根据本发明的纤维光学系统的压力传感器元件4。压力传感器元件具有晶体SiC，诸如多型3C的第一层17，其形成采取封闭腔体18的所述固定表面7的形式的顶面，封闭腔体18具有由隔膜6形成的底部19。第一层17和隔膜6具有通过第一层的单晶结构到隔膜6的转移实现的公共晶体结构。这样形成了在底部19的中心部分中的固定表面7和活动表面5，其相互平行，部分地反射入射在其上面的光。此外，看起来腔体18在被层25封闭的其隔膜侧面上，层25覆盖在腔体的产生期间存在的通过隔膜的开口。

隔膜6被设计为当在相对于固定表面移动时在表面5外面的区域20中变形以被来自光纤的光命中。这是通过设计具有基本上比所述表面5的直径大的直径的隔膜6获得的，因为隔膜的变形将主要在其周界处发生，在那里，其被固定到传感器元件结构的其余部分。并且，隔膜由晶体SiC制成。腔体的深度、即将表面7和5分离的距离约为1 μm。通过使整个压力传感器元件由在远远超过1000℃的温度上稳定的SiC制成，纤维光学系统可以可靠地测量并确定其中存在这类高温的环境中的压力。

图3示意性地举例说明根据本发明的另一实施例的纤维光学系统中的压力传感器元件4'，其中，此压力传感器元件由于这样的事实而不同于根据图2的一个，即，腔体18提供有到压力传感器元件周围的介质的通道状开口21，这使得压力传感器元件适合于测量动态压力，即变化的压力且尤其是随高频率而变的压力，因为SiC的高杨氏模量使这成为可能。

图4和图5分别示意性地举例说明根据本发明的纤维光学系统中的布置荧光部件8'和8"的两个不同方式。荧光部件8'在图4所示的实施例中被布置在光纤的低温部分中，并且其然后可以由用氧化钕或具有荧光性质的任何其它稀土金属的离子掺杂的玻璃盘制成。部件8'在这里是在由基于石英的标准纤维形成的光纤的低温部分22与连接到压力传感器元件4且由能够耐受至少800℃的连续温度的材料（诸如蓝宝石）制成的光纤的高温部分23之间传递光束的透镜。

根据图5的实施例由于这样的事实而不同于根据图4的一个，即，荧光部件8"被与压力传感器元件相连地布置以便暴露于与压力传感器元件相同的压力传感器元件周围介质的温度，这意味着荧光部件必须由能够耐受高温的材料制成。这通过由用Ti掺杂的蓝宝石或一层掺杂SiC制成荧光部件8"来实现。光纤的两个部分22和23在这里被适当的透镜24连接以便在这些部分之间传递光束。

本发明当然不以任何方式局限于上述实施例，而是在不脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员将清楚其修改的许多可能性。

虽然已经显示用于反射光的所述固定表面是在与光纤分离的压力传感器元件的一部分上形成的，但此固定表面可以主要是光纤的一部分。

Claims (15)

1.一种用于压力测量的纤维光学系统，包括

· 压力传感器元件（4），其具有至少两个平行部分反射表面（5、7），其中的一个被布置在隔膜（6）上，可由于跨越所述隔膜的压力差而相对于另一固定的所述表面移动，所述表面被布置为以便根据这些表面之间的实际距离引起基本上垂直地入射到两个表面（5、7）上且被其反射的光的干涉现象，

· 光源（1），其被配置为发射光，

· 光纤（3），其被配置为接收和传送在一个方向中从所述光源到所述压力传感器元件的光和在相反方向中采取被所述表面反射的光的形式的测量信号，以及

· 设备（12），其被配置为接收所述测量信号并评估此信号，以便确定所述隔膜处的压力值，其特征在于所述压力传感器元件（4）由在高达至少800℃的连续温度上稳定的材料制成，所述传感器的至少所述隔膜（6）由SiC制成，并且连接到所述传感器元件的所述光纤（3）的至少一部分（23）由能够耐受至少800℃的连续温度的材料制成。

2.根据权利要求1所述的纤维光学系统，其特征在于实质上整个压力传感器元件（4）由SiC制成。

3.根据权利要求1或2所述的纤维光学系统，其特征在于所述压力传感器元件（4）包括具有紧挨着所述光纤的限定所述固定表面的顶面（17）和由所述隔膜（6）限定的远离所述光纤的底部（19）的腔体（18）。

4.根据权利要求3所述的纤维光学系统，其特征在于所述腔体（18）被封闭且所述设备（12）被配置为确定所述腔体外面的介质的静态或动态压力的值。

5.根据权利要求3所述的纤维光学系统，其特征在于所述腔体（18）具有到所述压力传感器元件（4）周围的介质的通道状开口（21），并且所述设备（12）被配置为确定所述介质的动态压力的值。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的纤维光学系统，其特征在于所述隔膜（6）被设计为在相对于所述固定表面（7）移动时在所述表面（5）外面的区域（20）中变形以被来自所述光纤的光命中，从而保持所述隔膜的反射表面的外观不受隔膜的这类移动的影响。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的纤维光学系统，其特征在于其包括荧光部件（8'、8"），其被布置于在压力传感器元件（4）的所述反射表面（5、7）的上游从所述光源（1）传送的所述光的路径中，并被配置为吸收来自光源的所述光的一部分以便在所述光纤中在相反方向中重新发送由光学激励引起的辅助光以便被提供用于评估。

8.根据权利要求7所述的纤维光学系统，其特征在于所述荧光部件（8"）被与所述压力传感器元件（4）相连地布置以便暴露于与压力传感器元件相同的压力传感器元件周围介质的温度，所述荧光部件由一种材料制成，该材料具有温度相关荧光性质，其为所述辅助光的温度相关谱分布或是温度相关的最后提及的光的时间延迟常数的形式，并且所述系统还包括被配置为接收从所述荧光部件重新发送的所述光并由其确定压力传感器元件周围的介质的温度值的装置（15）。

9.根据权利要求8所述的纤维光学系统，其特征在于所述装置（15）被配置为将关于所述温度的信息发送到所述设备（12），并且所述设备被配置为在确定所述隔膜（6）处的所述压力时考虑这类温度信息。

10.根据权利要求8或9所述的纤维光学系统，其特征在于所述荧光部件（8"）由用Ti掺杂的蓝宝石或掺杂SiC层制成。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的纤维光学系统，其特征在于连接到所述传感器元件的所述光纤的所述部分（23）由蓝宝石制成。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的纤维光学系统，其特征在于连接到所述传感器元件的所述光纤的所述部分（23）具有1 cm～100 cm或1 cm～10 cm的长度。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的纤维光学系统，其特征在于所述光纤具有基于石英的标准纤维部分（22），并且该系统包括被配置为将所述标准纤维部分连接至连接到所述传感器元件的光纤的所述部分（23）的装置（24）。

14.根据权利要求13所述的纤维光学系统，其特征在于所述连接装置（24）包括用于从所述纤维部分中的一个向另一个传递光束的透镜。

15.根据权利要求1～14中的任一项所述的用于压力测量的纤维光学系统与燃料燃烧过程相结合,诸如在内燃机中和燃气涡轮机中的用途。

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