CN105051512B

CN105051512B - 用于非接触压力测量的光学传感器

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Publication number: CN105051512B
Application number: CN201480003344.6A
Authority: CN
Inventors: 安德里亚·博瑞斯奥第; 卢乔·斯毕内托
Original assignee: Laser Point SRL
Current assignee: Laser Point SRL
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2018-01-02
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: BR112015013346B1; WO2014049178A3; WO2014049178A2; JP2016505149A; BR112015013346A2; SI2951547T1; US20150285699A1; HK1216664A1; ITMI20130138A1; CN105051512A; CA2890644A1; EP2951547A2; US9476784B2; EP2951547B1; CA2890644C; JP6297064B2; TR201819302T4

Abstract

描述了一种用于压力测量的光学传感器，它包括传感器头(8)，该传感器头(8)包括：隔膜(9)，其具有与流体相接触的第一表面(91)、和与第一表面相对的第二表面(92)，必须测量该流体的压力，本体，其具有管状空腔(200)，装置(92,10)，其布置在管状空腔内部，与隔膜的第二表面相关联，并且在所述管状空腔内部，响应隔膜的变形是可纵向运动的，所述装置包括反射表面(92,102)，波导管装置(4)的端部部分(12)，该端部部分(12)布置在管状空腔内部，并且具有端面(11)，该端面(11)面向所述装置的反射表面(92,102)，并且不与其相接触，所述波导管装置分别连接到光源(1)和接收器(5)上，以将从光源导出的光束(50)发送到所述装置，并且在接收器处收集从所述装置的反射表面反射的光束(60)，收集光束的强度取决于在波导管装置的端部部分的端面与反射表面之间的距离。波导管装置的端部部分(12)的端面(11)相对于平面(B)以第一角度(α)倾斜，该平面(B)与光轴(A)正交，该第一角度(α)具有这样的值，从而从光源导出的光束的入射角(θ_a)小于在波导管装置与空气之间的临界角(θ_c‑air)，并且大于波导管装置的临界角(θ_c)，并且所述装置的反射表面(102、92)相对于所述平面(B)以第二角度(β)倾斜，该平面(B)与光轴(A)正交，该第二角度(β)与来自波导管装置的端部部分(12)的所述端面(11)的光束的逃逸角相等。

Description

用于非接触压力测量的光学传感器

本发明涉及一种用于非接触压力测量的光学传感器。

用于压力测量的光学传感器根据用来测量压力参数的不同手段，一般可以划分成两个主要不同种类：“干涉式”和“强度调制式”光学传感器。在“干涉式”光学传感器中，压力通过在进来光学探测光束与来自光学压力检测元件的出来光束之间的相变而测量(使用Bragg、Fabry-Perot、Michelson、Mach-Zehnder干涉仪)。在“强度调制式”光学传感器中，压力通过在进来光学探测光束与来自光学压力检测元件(典型地压力检测隔膜的反射表面)的出来光束之间的强度变化而直接测量。在“强度调制式”光学传感器中，光导纤维用来驱动在压力检测反射隔膜前面的进来光束，并且用来收集由隔膜本身反射的光束。

“干涉式”传感器具有以比“强度调制式”传感器高的分辨率测量压力的优点，但另一方面，“干涉式”传感器由于较复杂光学设计的使用，对于机械振动(常常在工业环境中存在)较敏感，并且较不可能，该光学设计与干涉仪有关。干涉仪的使用和相干LASER(激光)源的需要使得“干涉式”传感器甚至比稳固和坚固光学“强度调制式”传感器昂贵，在该稳固和坚固光学“强度调制式”传感器中，可以使用低成本不相干LED源。

光学传感器允许在非接触条件下进行压力测量，使得这些传感器对于所有用途都非常有益，在这些用途中，必须连续地监视快速和周期压力变化，如在汽车领域中的发动机汽缸燃烧室中那样。

光学传感器对于电磁干扰强烈地不敏感，这种电磁干扰在工业环境中的测量区域中常常存在，这些光学传感器是光学探针，该光学探针用来仅仅基于光导纤维到达测量区域，该光导纤维是无电源的，并且固有地对于EMI问题不敏感；对于这些光学传感器，全部有源器件都布置得离压力测量区域足够远，并且典型地在受控位置中，这些有源器件需要进行光学信号传输和探测，在该受控位置中，EMI问题不再存在，消除了归因于EMI或RF干扰的信号降低。

压力测量大大地提高传感器本身的整体可靠性，使这个种类的传感器对于在工业环境中的使用非常有吸引力，这种压力测量使用光学传感器以非接触方式进行，并且在其中必须监视压力的区域中，不需要任何有源电子器件，在该工业环境中，到达苛刻条件，这些苛刻条件归因于极端高过程温度，如在塑料挤压、注射及吹制模压用途中那样，或在当必须监视在发动机汽缸燃烧室中的压力测量时的汽车用途中那样。所述压力测量大大地提高在工业区域中的安全性，这些工业区域具有苛刻条件，这些苛刻条件归因于爆炸性或易燃气体或材料的存在。

光学传感器允许高达数十千米距离的压力测量，使得这种传感器对于在油井设备、钻井系统及输油管道中的压力测量非常有吸引力，这些光学传感器将单模纤维(SingleMode Fibers)用作传输介质。

光学传感器还允许测量非常高压力级，因为压力变换器基于可变形压力检测隔膜、和在高温下的压力，而不使用汞(Hg)或其它潜在危险流体，并所以完全符合RoHS规程，修改该可变形压力检测隔膜的厚度，可以改变随压力的变形。

在光学传感器的出现之前，已经开发了用于压力测量的其它类型传感器，“压电式”或“压敏电阻式”压力传感器。在“压电式”电子传感器中使用的物理原理是压电效应，该压电效应由某些特定晶体(压电晶体)呈现，其中，沿特定方向施加到晶体上的压力的变化在晶体本身上产生电压变化，该电压变化是施加压力的度量。在“压敏电阻式”电子压力传感器中，压力变化通过典型地在Wheatstone电桥上的电阻变化而测量，该电阻变化由压力诱导。即使两个种类的这些传感器都广泛用在工业环境中，在该工业环境中达到苛刻条件，以前列出优点的多个也不再适用于这个种类的传感器；明确地说，这种传感器需要在变换器芯片与压力检测隔膜之间的机械接触。变换器芯片是有源电子器件，该有源电子器件需要放置得非常接近其中必须监视压力的区域(典型地离压力检测隔膜几个毫米)；因为这个原因，当它工作在具有苛刻条件的区域中时，其可靠性降低，这些苛刻条件与非常高温度有关，并且它需要供电。即使变换器芯片典型地屏蔽在避免EMI问题的金属外罩中，对于探测和信号调节需要的电子仪器也可仍然遭受EMI问题，因为它必须仍然足够接近变换器芯片盒，以避免小幅值信号的降低，该小幅值信号使用长和昂贵的电缆。最后，要测量的每个压力范围需要变换器芯片的专门设计，降低关于有关产品成本节省进行体积规模节约的可能性。

US4071753公开了一种变换器的一般基础，这种变换器能够根据接收的声能或机械能，改变光学耦合系数；变换器元件布置在两根不同纤维之间，第一根用作输入纤维，以将进来光束提供给变换器元件，并且第二根用作输出纤维，以接收在变换器元件之后的光束。根据声能或机械能改变光学耦合系数，允许变换器将这种能量变化转换成光学强度调制信号。多个其它专利公开了类似发明，这些发明基于两根或多根光导纤维。

US4620093公开了一种光学压力传感器，其中，衍射光栅建造在随压力隔膜可变形的表面上；光栅由来自输入光导纤维的光束照射，并且使用输出光导纤维带收集来自光栅的反射光束，以将调制强度信号提供给光-位置探测器，该光-位置探测器能够探测衍射光束的位置变化。基于多根纤维或带的光学传感器设计较复杂，较难以用可靠批量生产过程制造，及集成在比单纤维基光学传感器解决方案小的尺寸中甚至更复杂。

美国专利No.5600070、6131465、5390546公开了在发动机燃烧室内部用于压力测量的光导纤维传感器，该光导纤维传感器使用反射隔膜和单纤维手段，以便集成在火花塞中可得到的小尺寸中。增大传感器的信噪比(SNR)和灵敏度是非常重要的因素，特别是当必须测量反射光学信号的变化，而探测压力检测隔膜的小变形时。当光学传感器用来以可靠方式测量高压力级(100-1000Bar)时，这越来越重要；事实上，当必须测量这样高的压力级时，压力检测隔膜需要厚得足以避免其关于高压作用而破坏。另一方面，当增大隔膜的厚度时，其变形范围敏感地减小，并且光学反射信号的强度变化的探测可能非常关键，甚至达不到适当的SNR和灵敏度水平。为了提供幅值量级，当必须使用具有3.5mm半径的1mm厚钢圆形隔膜测量0-500Bar压力范围时，15μm是典型的总隔膜位移；如果需要10Bar分辨率，则这意味着，传感器应该能够光学探测0.3μm位移。

US4678902公开了一种压力光学传感器，这种压力光学传感器基于单根光导纤维和反射隔膜，其中，通过扩大光锥而改进灵敏度，该光锥来自圆形纤维端部表面，进一步向前投射到反射隔膜。

US5438873公开了一种类似压力光学传感器，这种压力光学传感器基于单根光导纤维和反射隔膜，其中，通过使用具有平端面的锥形纤维，达到改进灵敏度，该平端面允许在以前发明的类似基础上，增大数值孔径(N.A.)。

现有技术光学传感器不能用在工业环境中，在该工业环境中，达到归因于极高过程温度的苛刻条件；事实上，这归因于可得到胶和材料的有限温度操作范围，为了优化光学设计(即，用作抗反射层的涂敷材料，该抗反射层用于折射率匹配，以减小在光导纤维末端处的光学背反射)和为了包装在传感器本身内部的光学元件(例如，用来固定光学元件的胶材料，这些光学元件作为反射镜、透镜、纤维、等等)，需要这些可得到胶和材料。

EP1089062公开了根据本发明权利要求1前序部分的光学传感器，但是，其中的波导管装置的端部部分必须相互平行，以形成Fabry-Perot干涉仪空腔。

鉴于现有技术状态，本发明的目的是，提供一种用于非接触压力测量的光学传感器，这种光学传感器相对于已知传感器更有效，并且关于将它用在苛刻工业环境中的可能性，已经提高可靠性。

根据本发明，所述目的借助于一种适合用于压力测量的光学传感器实现，这种光学传感器包括传感器头，所述传感器头包括：

-具有与流体相接触的第一表面和与第一表面相对的第二表面隔的膜，必须测量该流体的压力，

-具有管状空腔的本体，

-布置在管状空腔内部的装置，与隔膜的第二表面相关联，并且在所述管状空腔内部，响应隔膜的变形是纵向可运动的，所述装置包括反射表面，

-波导管装置的端部部分，该端部部分布置在管状空腔内部，并且具有端面，该端面面向所述装置的反射表面，并且不与其相接触，所述波导管装置分别连接到光源和接收器上，以将从光源导出的光束发送到所述装置，并且在接收器处收集从所述装置的反射表面反射的光束，收集光束的强度取决于在波导管装置的端部部分的端面与反射表面之间的距离，其特征在于

波导管装置的端部部分的端面相对于平面以第一角度倾斜，该平面与光轴正交，该第一角度具有这样的值，从而从光源导出的光束的入射角小于在波导管装置与空气之间的临界角，并且大于波导管装置的临界角，并且

所述装置的反射表面相对于所述平面以第二角度倾斜，该平面与光轴正交，该第二角度与来自波导管装置的端部部分的所述端面的光束的逃逸角相等。

所述光学传感器是“强度调制式”光学传感器类型的，并且它基于优化光学设计，以改进传感器的SNR和灵敏度，且它基于构造方法，以允许这种光学传感器用在苛刻工业环境中，在该苛刻工业环境中，达到非常高的操作温度。

当必须使用较厚隔膜测量高压力范围时，光学传感器的使用允许压力检测隔膜的非常小位移的较容易探测，为了避免隔膜在高压力的作用下破坏需要该较厚隔膜，该光学传感器在接收器侧处具有所述改进灵敏度和增大信噪比。

为了压力的非接触光学测量用于压力测量的光学传感器的使用意味着，在传感器头内部，不发生可运动压力检测隔膜与其它部分的直接机械接触(与压敏电阻式和压电式传感器的情况相反，在该压敏电阻式和压电式传感器中，需要在探测器芯片与可动压力隔膜之间的直接接触，以在传感器头内部产生输出电压)。这种非接触特征，与所述光学传感器用在苛刻工业条件下的能力-在该苛刻工业条件下达到高过程温度、和所述光学传感器用在苛刻工业条件下的能力-在该苛刻工业条件下达到高压力值一起，允许所述光学传感器用在汽车领域中，用于在汽缸燃烧室中的压力测量；事实上，考虑到发动机的非常高转数值每分钟，以“非接触”方式进行的压力测量是强制性的，以提高传感器坚固性，避免传感器的破坏，这种破坏如在压电式和压敏电阻式传感器的情况下那样，归因于在可动可变形隔膜与其它传感器部分之间的磨损。另一方面，在燃烧室中达到的非常高温度和压力(700℃/200Bar)要求光学传感器以坚固光学设计实现，该坚固光学设计基于与如此高温度相容的材料，并且基于隔膜，该隔膜厚得足以抵抗高压力范围和抵抗快速压力变化。

在根据本发明的光学传感器中，来自光源，例如LED或LASER，的光，使用单模或多模波导管，优选地单模或多模光导纤维，在隔膜的反射表面的前面被驱动，该隔膜随压力是可变形的。这种纤维的端面刚好放置在隔膜的前面，非常接近它。这种隔膜安装或密封在本体传感器头末端上。

适当光学接收器，例如PIN或APD，用来探测反射光束的强度，该反射光束从所述隔膜的所述反射表面回来，并且由同一所述纤维端面重新收集回，该纤维端面放置在传感器头内部，刚好在隔膜的内表面的前面；所述隔膜的其它外表面与流体或气体直接接触，该流体或气体通过在容器上的空腔，在该处，这种流体或气体产生待由传感器头测量的压力。传感器头布置在，优选地安装或拧在这个空腔中，该空腔放置在所述容器的壁上。反射光束的强度取决于隔膜的变形，特别是取决于隔膜的中心位置的运动，该反射光束由所述纤维端面收集，这种运动又取决于在容器内部的压力。当在容器内部的压力变化时，可变形隔膜的反射表面相应地运动，并且反射光束的信号强度也变化。

在根据本发明的光学传感器中，波导管装置-优选地光导纤维，的端面以优化角度倾斜切割，该波导管装置用在传感器头内部，该优化角度能够减小在接收器侧处的光学噪声水平，该光学噪声水平来自Fresnel背反射，该Fresnel背反射总是出现在纤维端面处；事实上，当光束到达光学界面时，Fresnel背反射总是发生，在该光学界面处，折射率误匹配发生，如在纤维端面的情况下那样，这归因于在玻璃纤维与空气折射率之间的很大差别。用在本发明中的倾斜切割纤维端面以这样一种方式优化，从而在纤维端面处归因于固有Fresnel反射的反射光不再由光学纤维本身驱动回；这当来自Fresnel反射的反射光线在光导纤维内部具有入射角时发生，该入射角是其中反射光束切入在纤维芯部与包层之间的界面的角度，比使用纤维的临界角小。归因于Fresnel反射的反射光是造成在接收器侧处光学噪声水平增大的主要原因，该光学噪声水平增大又急剧地降低光学传感器的SNR。使用倾斜切割纤维端面，使逃逸光束的方向按照Snell折射定律偏离光学纤维轴线；为了使由倾斜切割纤维端面收集的反射光的强度最大，基座的反射表面必须适当地倾斜，以将入射光束反射回同一点，在该处，它从纤维本身逃逸。

况且，倾斜切割纤维端面的使用允许除去对Fresnel背反射的接收器性能的不利影响，而不使用任何防反射涂层材料，这些防反射涂层材料与高温操作条件不相容；这使基于本发明的传感器良好地适于用在苛刻工业环境中，在该苛刻工业环境中，达到非常高温度。

为了本发明的更好理解，现在纯粹作为非限制性例子，并且参照附图，描述本发明的优选实施例，在这些附图中：

图1是根据本发明实施例的用于压力测量的光学传感器的示意图；

图2a-2c更详细地表示根据本发明的光学传感器的光学传感器头的示意图(图2a)、根据线II-II的光学传感器头的截面(图2b)、及光学传感器头的一部分(图2c)；

图3更详细地表示在图2b中的倾斜光导纤维端面和光学传感器头的基座；

图4a、4b是来自可动反射表面的光学反射信号的测量，这些测量使用根据本发明的光学传感器；

图5是模拟和测量光学反射信号的比较，该模拟和测量光学反射信号来自根据本发明的光学传感器的光导纤维端面。

根据本发明的一种用于压力测量的光学传感器表示在图1-3中。明确地说，光学传感器包括(图1)光源1，例如LED或LASER，该光源1借助于纤维连接到光学隔离器2上，并且光学隔离器还光学连接到定向光学耦合器3的输入端口PORT 1上。需要光学隔离器2，以避免背反射的光到达光源，可能产生光源本身的某些光学不稳定性。定向光学耦合器3包括另一个输入端口PORT 2，该输入端口PORT 2借助于纤维与接收器5，例如PIN或APD，光学地连接；定向光学耦合器3的输出端口PORT3光学地连接到波导管装置4，例如单模或多模光学纤维，的输入上。这个波导管装置4的长度可以制作得足够长，从几米到几千米，以远程到达其中借助于光学传感器头8必须测量压力参数的点，允许分离其中放置有源电子和光学元件的位置、和其中只布置无源光学传感器头8的点。

光学传感器头8布置在，优选地通过旋拧安装在，容器6的空腔上，该空腔限制体积7，该体积7在内部由流体或气体填充，该流体或气体产生待由光学传感器测量的压力。

光学传感器的头8更详细地表示在图2a-2c中。头8(图2b)包括优选地圆形的隔膜9，该隔膜9设计成，薄得足以当将压力施加在其外表面91上是可变形的，该外表面91与在容器内部的流体或气体相直接接触，并且必须测量该流体或气体的压力；另一方面，隔膜9必须厚得当施加压力时是可靠的。

光学传感器的头8包括管状空腔200，该管状空腔200在头8的内部，并且优选地与隔膜9的外表面91正交。

所述隔膜9的内表面92可根据角度α′相对于正交平面B倾斜，该内表面92是与外表面91相对的表面，并且面向管状空腔200或在其内部，，该正交平面B是对于光轴A，但优选地，隔膜9的内表面92对于纵向轴线A正交，并且面向管状空腔200；基座10放置成与内表面92相接触。更详细地，基座10的端面101放置、安装、焊接或直接建造在隔膜9的内表面92上。基座10具有其它端面102，该端面102与端面101相对，是反射性的，及根据角度α′相对于正交平面B倾斜(图2c和图3)，该正交平面B是对于光轴A。基座10用作垫片，该垫片增大在隔膜9的外表面91与波导管装置4的端部部分12之间的距离；以这种方式，波导管装置4暴露于较低和较安全温度，以保持良好驱动光束的特征。

优选地，为了使基座的表面102更有反射性，将它抛光和金属涂敷(如果需要)，以增大其反射性。隔膜9与基座10安装在光学传感器1的头8内部，并且由激光焊接密封到头8上。

波导管装置4的端部部分12放置在基座10的反射性内表面102的前面。端部部分12具有端面11，并且需要完成如下两个功能，该端面11根据角度α相对于正交平面B倾斜，该正交平面B是对于光轴A：

a)在基座的反射表面102前面驱动光束探针50，该光束探针50来自光源1，和

b)收集来自基座10的反射表面102的反射光束60，并且将反射光束60驱动回接收器5。

当从容器6内部的流体或气体施加能够使隔膜9变形的压力时，基座10沿纵向方向，就是说沿光轴A，在管状空腔200内部根据向端部部分12的端面11的施加压力而运动，该端面11不与基座10的反射表面102相接触，而是放置在基座10前面在合适距离D处，该合适距离D是这样一个距离，从而保证：隔膜9的最大变形不使基座10运动成与波导管装置4的端部部分12相接触。

施加的压力越大，基座10向端面11的位移越大，并且由端部部分12收集的反射光束60的光学耦合越大，该光学耦合又是压力参数的直接度量，就是说，从接收器5收集的反射光束60的强度越大，并且探测的压力值越大。端部部分12的区段在外侧上金属化，以便允许端部部分12的这个区段焊接在金属或陶瓷套圈13的通孔内部。套圈13与内部的固定端部部分12通过金属套管14进一步焊接。金属套管14安装在传感器头8的本体15内部，并且转动，以在来自基座10的反射表面的反射光束与端面11之间达到最大光学耦合；套管14也密封到本体15上。

波导管装置4的端部部分12的端面11相对于平面B以优化倾斜角度α倾斜切割，这能够使光导纤维本身将光束探针50驱动回接收器5的能力最小，该光束探针50来自光源1；光学反射归因于Fresnel反射，该Fresnel反射总是发生在波导管端部末端处，在该处对于玻璃对空气材料指数误匹配的误匹配出现，并且归因于波导管装置4、和空气的不同折射率，特别是如果光导纤维用作波导管装置4，则芯部41的折射率是n₁，并且空气的折射率是n₀。在接收器处归因于Fresnel反射的背反射水平的降低意味着，急剧地降低由接收器测量的光学噪声水平。

当内部传播光束以大于临界角θ_c的入射角γ在芯部-包层界面处入射时，波导管装置4能够在它内部驱动光束，该波导管装置4优选地是光导纤维，该光导纤维包括芯部41和包层42，临界角θ_c是相对于平面B形成的最小入射角，该平面B与所述界面正交，在该处，归因于光导纤维芯部和包层折射率n₁、n₂，出现全光束反射。

波导管装置4的端部部分12的端面11相对于第一角度α的平面B倾斜，并且所述装置10的反射表面102相对于第二角度α′的平面B倾斜。第一角度α选择成，保证光束50以小于在波导管装置4与空气之间的临界角θ_c-air的角度切入端面11，该光束50从光源1导出，该端面11与空气相接触，从而光束50不驱动回接收器5。

在端部部分12内部来自端面11的反射光束由同一波导管装置吸收，特别是由包层42吸收，并且不驱动回接收器5，而光束50的折射部分以逃逸角β从端部部分12发射。

优选地，端面11的第一角度α定义为能够将来自所述纤维端部末端的Fresnel反射光束以这样一种方式反射回的角度，从而这个反射光束61关于纤维的内部芯部-包层界面具有入射角γ，该入射角γ小于纤维本身的临界角θ_c(图3)：以这种方式，归因于Fresnel反射的反射光束不再由纤维驱动回接收器侧，而是它立刻吸收到包层中。

第一角度α取决于在纤维本身的芯部层41的折射率n₁和空气的折射率n₀的具体差别，该第一角度α用来切割光导纤维4的端部部分12。

例如，可能的是，将波导管装置4用作单模光导纤维，该单模光导纤维具有在表中表示的如下参数：

其中，各参数借助于如下公式计算，这些公式从芯部和包层的折射率开始：

NA＝ARCSEN(n₁ ²–n₂ ²)^1/2 (NA:数值孔径)

θ_a＝ARCSEN(NA) (θ_a:在光束50与光轴A之间形成的接受角)

θ_c＝ARCSEN(n₂/n₁) (θ_c:光导纤维的临界角)

θ_c-air＝ARCSEN(n₁/n₀) (θ_c-air:在光导纤维的芯部层41与空气之间的临界角)

θ_c′＝90°-ARCCOS(n₂/n₁) (θ_c′:互补临界角)

光束50根据Snell折射定律以逃逸角β偏离纤维光轴A，该光束50通过倾斜端面11传输，该逃逸角β按如下计算：

β＝ARCSEN((n₁/n₀)·SEN(α)-α(β：来自倾斜端面11的逃逸角，该逃逸角形成在折射光束50与光轴A之间；α：纤维切割角；n₀：空气的折射率＝1)。

来自倾斜端面11的逃逸光束相对于基座10的反射倾斜表面102具有入射角φ，该入射角φ按如下计算：

φ＝α′-β，其中，α′是基座10的反射表面102的倾斜角。

为了使信号最大，必须满足条件φ＝0，该信号从基座10的反射表面102反射，并且由端部部分12收集。

以前条件意味着，基座10的反射表面102的倾斜角α′必须满足如下条件：α′＝β。

因此，基座10的反射表面102必须以与光束50的逃逸角β相等的角度切割，该光束50来自倾斜纤维端面11；以这种方式，反射光束60以入射角β撞击端面11，并且反射光束60的折射部分由波导管装置4的端部部分12以入射角θ_a驱动回，该入射角θ_a是光束50的入射角，该光束50从光源1导出。

在基座10的反射表面102与倾斜端面11之间的初始距离必须固定在空间值处，该空间值能够优化收集光学信号的测量；明确地说，这个优化距离必须小得足以增大在来自基座10的反射表面102的反射光与由端部部分12本身返回收集光之间的光学耦合。

压力测量取决于在端面11与基座10的反射表面102之间的距离D，该压力测量借助于根据本发明的光学传感器实现。

事实上，所述距离D的增大与光束的强度的减小相对应，该光束从接收器5收集，优选地由波导管的端部收集，并且引导回接收器；这发生，因为在距离D的增大时，在端面11上的反射光束60的入射点通过减小在光导纤维内部折射的光束的量，向端面的部分运动，该部分与包层相对应。事实上，反射光束60集中在数值孔径NA的光锥内部，并且所以距离D的增大将导致光学功率密度的减小，减小在波导管内部引导的折射光的量，该光学功率密度切入在波导管4的端面11上。

因此，基座10越靠近光导纤维末端12(这与隔膜9的大变形相对应，就是说与高压力值相对应)，测量的压力值越高，因为反射光束60撞击在端面11的芯部层41上，而基座10离光导纤维末端12越远(这与隔膜9的小变形相对应，就是说与低压力值相对应)，测量的压力值越低，因为反射光束60部分地撞击光导纤维12的芯部层41和包层42，因为只有撞击芯部层41的光束的部分驱动到光导纤维的背后，并且由接收器5收集。

在本发明中描述的光学传感器不需要任何介电防反射涂层，因为使用的方法仅仅基于倾斜切割纤维端面11的优化，允许Fresnel反射到这样一个角度的偏转，从而纤维不能够驱动光。

优选地，波导管装置4的端部部分的端面11和基座的反射表面102必须纵向布置，从而端面11的突出端部部分110面向反射表面102的突出端部部分122。

关于用根据本发明的光学传感器测量光学信号的另一个主要优点是指如下事实：所述倾斜纤维端面11的使用甚至允许避免任何光学驻波，这些光学驻波典型地出现在光学空腔中，当使用平纤维末端时由基座的反射表面和纤维切割末端形成。避免这些光学驻波使光学信号测量非常稳定和准确，消除光学信号振荡，并且更加增大在接收器侧处的信噪比，这些光学驻波归因于光学空腔反射。

如果在传感器头内部的端部部分12选择成是相容的，以关于非常高操作温度使用，则光学传感器是完全相容的，以用在苛刻环境中，在该苛刻环境中，达到这些高温。

图4a、4b表示光学信号的测量，该光学信号由接收器5探测，并且之后由纤维收集，该纤维放置在基座10的可运动反射表面102的前面。具有1550nm的操作波长的激光器已经用作光源1，该光源1具有-3dBm的光学输出功率。PIN光探测器已经用作用于光学功率测量的接收器5。反射表面102已经从纤维端部末端12以亚微米分辨率步骤运动。已经使用单模光导纤维4。图4a的测量表示在接收器5处，通过关于可运动反射表面的固定位置而改变反射表面102的倾斜角对接收光学信号的优化，该接收光学信号是光电流Ir，表示在倾斜角处的最大值，在该倾斜角处，证实条件α′＝β。在这种情况下，角α′＝β＝3.7°，并且角α＝8°。

图4b表示在接收器侧5处，使反射表面分别以以前定义固定倾斜角α′＝β＝3.7°(能够保证在收集纤维与反射表面之间的最大光学耦合)和以另一个固定倾斜角α′＝β＝0°倾斜的情况下按距离D的函数的接收光学信号，该接收光学信号是光电流Ir1和Ir2；光学信号通过增大在纤维末端12与反射表面102之间的距离而减小，表示在光电流Ir1的情况下的良好线性和灵敏度(例如，1μm的表面位移与1.5％的测量光学信号变化相对应，这种测量光学信号变化容易地用标准接收器探测)，而在光电流Ir2的情况下，噪声水平相对于Ir1增大因数1000。来自图4b的另一个重要证据是：在具有标准平端面的非优化纤维末端的情况下，由于较高噪声水平，操作距离范围完全受到限制，在该操作距离范围内，在接收侧处仍观察到光学接收信号的可测得变化。

图5表示根据如下手段来自光导纤维端面11的光学反射信号的测量数据DATA1和计算数据DATA2之间的比较，该手段用来模拟由来自纤维端面11的逃逸光束对反射表面的照射、和在反射表面102上的反射之后由同一纤维收集的光学信号；数据DATA1和DATA2按距离D的函数提供。在模型中，纤维末端12本身看作光源，该光源在4.5μm半径的圆形芯部上具有恒定光学密度能量。在反射表面上的反射之后由纤维收集的光学信号按离纤维末端的不同距离计算，作为来自不同照射区域元素的Gaussian光束的重叠，纤维芯部已经划分成这些照射区域元素；每个表面元素看作单个光学锥体源，该单个光学锥体源具有与β相等的逃逸角、和与纤维的NA的一半相等的张角。在反射表面上的反射之后每个锥体的中心的位置和其半径根据光学反射定律计算。锥体的中心看作Gaussian光束的中心，并且锥体的半径认为与Gaussian分布的3σ相等，这意味着，光学信号的99.999％在锥体内部。

Claims

1.一种适于压力测量的光学传感器，包括传感器头(8)，所述传感器头包括：

隔膜(9)，其具有与流体相接触的第一表面(91)和与第一表面相对的第二表面(92)，必须测量该流体的压力；

本体，其具有管状空腔(200)；

装置(92,10)，其布置在管状空腔内部，与隔膜的第二表面相关联，并且在所述管状空腔内部，响应隔膜的变形是可纵向运动的，所述装置包括反射表面(92,102)；

波导管装置(4)的端部部分(12)，该端部部分(12)布置在管状空腔内部，并且具有端面(11)，该端面(11)面向所述装置的反射表面(92,102)，并且不与其相接触，所述波导管装置分别连接到光源(1)和接收器(5)上，以将从光源导出的光束(50)发送到所述装置，并且在接收器处收集从所述装置的反射表面反射的光束(60)，收集光束的强度取决于在波导管装置的端部部分的端面与反射表面之间的距离(D)，

其特征在于，

波导管装置的端部部分(12)的端面(11)相对于平面(B)以第一角度(α)倾斜，该平面(B)与光轴(A)正交，该第一角度(α)的值使得从光源导出的光束的入射角(θ_a)小于在波导管装置与空气之间的临界角(θ_c-air)，并且大于波导管装置的临界角(θ_c)，并且

所述装置的反射表面(102,92)相对于所述平面(B)以第二角度(β)倾斜，该平面(B)与光轴(A)正交，该第二角度(β)与来自波导管装置的端部部分(12)的所述端面(11)的光束的逃逸角相等。

2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述装置包括隔膜(9)，并且与第一表面(91)相对的第二表面(92)是所述反射表面。

3.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述装置包括基座(10)，该基座(10)具有端面(101)，该端面(101)布置成与隔膜的第二表面(92)相接触，而相对另一个端部的端面是所述反射表面。

4.如权利要求3所述的光学传感器，其特征在于，隔膜(9)的第二表面(92)面向管状空腔(200)。

5.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一角度(α)具有这样的值，从而光束(50)的反射部分由波导管装置吸收，该光束(50)从光源导出，并且切入波导管装置的端部部分(12)的所述端面(11)。

6.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述波导管装置(4)是光导纤维，该光导纤维具有芯部(41)和包层(42)。

7.如权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，所述第一角度(α)具有这样的值，从而光束(50)的反射部分由光导纤维的包层(42)吸收，该光束(50)从光源导出，并且切入波导管装置的端部部分(12)的所述端面(11)；光束(50)的被反射部分关于纤维的内部芯部-包层界面具有入射角γ，该入射角γ小于纤维本身的临界角θ_c。

8.如权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，所述第一角度(α)具有8°的值。

9.如权利要求8所述的光学传感器，其特征在于，所述第二角度(β)具有3.7°的值。

10.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，波导管装置(4)的端部部分的端面(11)和所述反射表面(92,102)纵向布置，从而所述端面(11)的突出端部部分(110)面向所述反射表面的突出端部部分(122)。