CN108663160A - 一种光学复合传感器探头 - Google Patents

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Abstract

一种光学复合传感器探头，涉及光学复合传感器领域，为了解决现有光学复合传感组件密封性能差的问题。上壳体通过定位环弹簧压紧光学复合传感组件，实现光学复合传感组件、密封垫和下壳体内壁的紧密接触，上壳体与下壳体紧密连接；定位环弹簧与上壳体的接触面为平面，定位环弹簧与光学复合传感组件的接触面为锥面，光学复合传感组件与密封垫的接触面为锥面，密封垫与下壳体的接触面为锥面；定位环弹簧包括多个圆环和多个支柱；相邻圆环之间采用支柱连接。本发明的密封性能好。

Description

一种光学复合传感器探头
技术领域
本发明涉及光学复合传感器领域。
背景技术
传统压力传感器的工作温度一般在600℃以下，由于电路无法在超过600℃环境下长时间稳定工作，为此超高温压力传感器要在超过600℃的环境下正常工作就必须采用光学检测方法进行压力信号的解调，超高温压力传感器的敏感结构目前主要采用蓝宝石、SiC、高温陶瓷等耐高温的非金属材料，同时光信号的传输也是通过光纤(蓝宝石光纤或石英光纤)。而超高温压力传感器为了满足超高温环境下的强度要求及密封性能，必须采用高温合金材料，因此，超高温压力传感器的敏感结构存在非金属与金属材料之间的密封问题。
美国专利US9404771中光学传感组件的两端都有圆锥形区域，其前端是与上壳体的圆锥形区域相契合，其后端通过碟形压缩垫圈与下壳体相契合，碟形压缩垫圈是用于提供预紧力以保证密封性能，但是在多次高低温循环之后，光学传感组件(非金属材料)与上壳体(金属材料)之间由于热胀系数不同而产生的结构变形将极大地降低传感头的密封性能。
美国专利US9804033中仅是提到了蓝宝石传感头及其各种光信号解调方法，由于敏感芯片与基座的外形尺寸相当，不利于传感头的安装密封，而且密封性能差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有光学复合传感组件密封性能差的问题，从而提供一种光学复合传感器探头。
本发明所述的一种光学复合传感器探头，包括上壳体1、下壳体2、定位环弹簧3、密封垫4和光学复合传感组件5；
上壳体1通过定位环弹簧3压紧光学复合传感组件5，实现光学复合传感组件5、密封垫4和下壳体2内壁的紧密接触，上壳体1与下壳体2紧密连接；
定位环弹簧3与上壳体1的接触面为平面，定位环弹簧3与光学复合传感组件5的接触面为锥面，光学复合传感组件5与密封垫4的接触面为锥面，密封垫4与下壳体2的接触面为锥面；
定位环弹簧3包括多个圆环3-1和多个支柱3-2；
相邻圆环3-1之间采用支柱3-2连接。
本发明即使受到超高温(600℃～1200℃)的影响也能保证结构的有效密封，而且定位环弹簧处于光学复合传感组件的前端以提供预紧力，在提高了光学复合传感组件的密封能力的同时吸收了学复合传感组件的非金属材料与上壳体、下壳体等金属材料之间由于材料线胀系数不匹配产生的热应力，补偿了由于热应力引起的结构的蠕变(热塑变)、位置偏移等结构变形，解决了传感器探头由于热应力引起的结构变形和密封性降低等问题，进而起到保护光学复合传感组件的作用，最终满足超高温光学复合传感组件的密封要求。
附图说明
图1是一种光学复合传感器探头的结构示意图；
图2是定位环弹簧的立体结构示意图；
图3是敏感芯片的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种光学复合传感器探头，包括上壳体1、下壳体2、定位环弹簧3、密封垫4和光学复合传感组件5；
上壳体1通过定位环弹簧3压紧光学复合传感组件5，实现光学复合传感组件5、密封垫4和下壳体2内壁的紧密接触，上壳体1与下壳体2紧密连接；
定位环弹簧3与上壳体1的接触面为平面，定位环弹簧3与光学复合传感组件5的接触面为锥面，光学复合传感组件5与密封垫4的接触面为锥面，密封垫4与下壳体2的接触面为锥面；
定位环弹簧3包括多个圆环3-1和多个支柱3-2；
相邻圆环3-1之间采用支柱3-2连接。
光学复合传感组件5包括敏感芯片5-1、基座5-2、光学校准器5-3和光纤5-4；
敏感芯片5-1键合在基座5-2上，基座5-2的中央设有通孔，光学校准器5-3嵌固在基座5-2的通孔中，光纤5-4穿入光学校准器5-3，且光纤5-4的端面与光学校准器5-3的端面平齐，并与敏感芯片5-1之间留有空隙。
定位环弹簧3的内孔径大于敏感芯片5-1的径向的外轮廓，并且小于基座5-2的外径。上壳体1与下壳体2通过螺纹或焊接实现紧密连接。
敏感芯片5-1包括敏感压片5-1-1和基片5-1-2；
敏感压片5-1-1和基片5-1-2之间设有空腔5-1-3，敏感压片5-1-1和基片5-1-2的材料相同。敏感芯片5-1为方形或圆形薄片。空腔5-1-3内为真空或低压气体。
敏感芯片5-1的外形尺寸不大于基座5-2的外径，便于装配。
光学校准器5-3为石英、蓝宝石、氧化锆或氧化铝陶瓷材料中的一种或多种的组合。光学校准器5-3和光纤5-4平齐的端面通过磨抛形成与光纤5-3垂直或略有倾斜的平面或曲面。敏感芯片5-1采用蓝宝石材料制备。蓝宝石材料耐高温，光纤5-4靠近敏感芯片5-3的一端采用蓝宝石材料，其余为石英或蓝宝石材料。
为适应高温环境，敏感芯片采用耐高温的非金属材料，传感器的壳体(上壳体和下壳体)材料采用高温合金，但是，在高温环境下，由于非金属材料和金属材料之间的线膨胀系数不匹配而产生较大的热应力会极大地减低密封性能，甚至导致传感器密封失效。因此，在密封结构设计上采用基座5-2与密封垫4之间的圆锥形区域紧配合，再通过定位环弹簧3提供预紧力，达到了光学复合传感组件密封的效果，提高了超高温环境密封性能的可靠性。
本实施方式中的光学复合传感组件，定位环弹簧3是关键元件，一方面是通过定位环弹簧中央的通孔将待测的外界压力传导到敏感芯片5-1上，另一方面是通过预紧力保证了传感组件的密封效果。定位环弹簧中的通孔将待测的外界压力直接作用到敏感芯片5-1上，使敏感压片5-1-1发生形变，进而改变空腔5-1-3的光程差，再经过白光干涉解调技术测量到外界压力的绝对值和变化值。定位环弹簧3为光学复合传感组件的密封提供预紧力，使得基座5-2与密封垫4之间的圆锥形区域紧配合，以达到密封效果，适用于几kPa～几百MPa的压力量程范围。
本实施方式是利用光学复合传感组件进行检测压力和温度，其可实现高温环境下的压力测量和温度补偿，其原理是通过两个FP干涉腔分别测量压力和温度，敏感芯片包含有一个压力传感光学腔(空腔)和一个温度传感光学腔(基片)。其中，敏感芯片5-1的敏感压片5-1-1用于测量压力变化，受外界压力的作用而产生形变进而引起空腔的FP干涉腔光程差的变化；敏感芯片5-1的基片5-1-2是用于测量温度变化，受外界温度的作用而产生的热膨胀进而引起FP干涉腔光程差的变化。最终，通过光程差的变化来直接反映压力或温度的变化。本实施方式可用于测量一种或多种物质(气体或液体)的压力。
本实施方式中上壳体1、定位环弹簧3、密封垫4、下壳体2为耐高温金属件(能够承受1200℃的高温)，本实施方式的光学复合传感组件能够在1200℃高温环境中工作。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种光学复合传感器探头作进一步说明，本实施方式中，敏感芯片5-1的中轴线与光纤5-4的光轴重合。
从而便于光纤5-4接收敏感芯片5-1反射的光信号。
具体实施方式三：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种光学复合传感器探头作进一步说明，本实施方式中，光学校准器5-3插入光纤5-4的一端设有锥形内表面。从而便于光纤5-4的装配。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种光学复合传感器探头作进一步说明，本实施方式中，光学校准器5-3和基座5-2与封接剂5-5接触的表面经过粗化加工。便于封接剂5-5的粘接。
具体实施方式五：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的一种光学复合传感器探头作进一步说明，本实施方式中，相邻圆环3-1之间采用2个支柱3-2连接，2个支柱3-2关于中心对称，每层2个支柱3-2的连线与相邻层2个支柱3-2的连线正交。定位环弹簧2为一体式结构。
定位环弹簧3的材料包括但是不限于高温合金、氧化锆或氧化铝等陶瓷，定位环弹簧3耐高温。定位环弹簧3结构对称，能够保证定位环弹簧3只沿轴向移动，不会向径向移动。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.一种光学复合传感器探头，其特征在于，包括上壳体(1)、下壳体(2)、定位环弹簧(3)、密封垫(4)和光学复合传感组件(5)；
上壳体(1)通过定位环弹簧(3)压紧光学复合传感组件(5)，实现光学复合传感组件(5)、密封垫(4)和下壳体(2)内壁的紧密接触，上壳体(1)与下壳体(2)紧密连接；
定位环弹簧(3)与上壳体(1)的接触面为平面，定位环弹簧(3)与光学复合传感组件(5)的接触面为锥面，光学复合传感组件(5)与密封垫(4)的接触面为锥面，密封垫(4)与下壳体(2)的接触面为锥面；
定位环弹簧(3)包括多个圆环(3-1)和多个支柱(3-2)，相邻圆环(3-1)之间采用支柱(3-2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种光学复合传感器探头，其特征在于，光学复合传感组件(5)包括敏感芯片(5-1)、基座(5-2)、光学校准器(5-3)和光纤(5-4)；
敏感芯片(5-1)键合在基座(5-2)上，基座(5-2)的中央设有通孔，光学校准器(5-3)嵌固在基座(5-2)的通孔中，光纤(5-4)穿入光学校准器(5-3)，且光纤(5-4)的端面与光学校准器(5-3)的端面平齐，并与敏感芯片(5-1)之间留有空隙。
3.根据权利要求2所述的一种光学复合传感器探头，其特征在于，光学复合传感组件(5)还包括封接剂(5-5)；
基座(5-2)远离空隙的一端的中央设有凹槽，凹槽与通孔连通，凹槽内注满封接剂(5-5)，实现光学校准器(5-3)与光纤(5-4)及基座(5-2)间的粘接。
4.根据权利要求3所述的一种光学复合传感器探头，其特征在于，光学校准器(5-3)和基座(5-2)与封接剂(5-5)接触的表面经过粗化加工。
5.根据权利要求2所述的一种光学复合传感器探头，其特征在于，敏感芯片(5-1)包括敏感压片(5-1-1)和基片(5-1-2)；
敏感压片(5-1-1)和基片(5-1-2)之间设有空腔(5-1-3)，敏感压片(5-1-1)和基片(5-1-2)的材料相同。
6.根据权利要求2所述的一种光学复合传感器探头，其特征在于，敏感芯片(5-1)的中轴线与光纤(5-4)的光轴重合。
7.根据权利要求2所述的一种光学复合传感器探头，其特征在于，光学校准器(5-3)插入光纤(5-4)的一端设有锥形内表面。
8.根据权利要求1所述的一种光学复合传感器探头，其特征在于，相邻圆环(3-1)之间采用2个支柱(3-2)连接，2个支柱(3-2)关于中心对称，每层2个支柱(3-2)的连线与相邻层2个支柱(3-2)的连线正交。
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