CN110631746A - 压力检测组件、检测方法及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种压力检测组件、检测方法及终端，压力检测组件包括：敏感元件，所述敏感元件为透光且在按压下可形变的材料件；光线发射器，设置于所述敏感元件的一侧，用于向所述敏感元件投射偏振光线；检测器，设置于所述敏感元件的另一侧，用于接收从所述敏感元件出射的光线，并根据接收到的光线的参数信息确定按压所述敏感元件的压力。根据本发明实施例的压力检测组件灵敏度高，检测精确度高，可靠性高，不受电磁干扰，抗干扰能力强，绝缘性强，不会漏电打火，防爆性能好，可弯曲，能够根据需要做成各种形状，能够应用于高温高压环境下。
Description
技术领域
本发明涉及压力检测领域，具体涉及一种压力检测组件、检测方法及终端。
背景技术
能够测量压力并提供远传电信号的装置统称为压力传感器，压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，其结构型式多种多样，常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式或振频式压力传感器等。例如，压阻式压力传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中，平时敏感芯体没有外加压力作用，电桥处于平衡状态(称为零位)，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了输入电压成线性对应关系的4～20mA的标准输出信号。但是温度变化易对芯体电阻值的影响，导致压力测量精度低，使用时需要进行校准，可靠性不好。
电容式压力传感器是利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器，这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。压力传感器的灵敏度低，抗干扰能力低，易于受到外界影响，测量精度不高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种压力检测组件、检测方法及终端，用以解决现有传感器检测压力时灵敏度低，抗干扰能力弱，检测精度和可靠性低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
第一方面，根据本发明实施例的压力检测组件，包括：
敏感元件，所述敏感元件为透光且在按压下可形变的材料件；
光线发射器，设置于所述敏感元件的一侧，用于向所述敏感元件投射偏振光线；
检测器，设置于所述敏感元件的另一侧，用于接收从所述敏感元件出射的光线，并根据接收到的光线的参数信息确定按压所述敏感元件的压力。
其中，所述敏感元件为聚氨酯弹性件。
其中，所述参数信息包括：光的强度、光的振幅、光的偏振态、光的频率和光的相位中的至少一个。
其中，所述光线发射器包括：
光源，用于发射光线；
起偏器，所述光源设置于所述起偏器的一侧，所述敏感元件设置于所述起偏器的另一侧，所述光源发射的光线向所述起偏器投射后，从所述起偏器的另一侧向所述敏感元件出射偏振光线。
其中，所述压力检测组件还包括：
波长板，所述波长板设在所述起偏器与所述敏感元件之间，从所述起偏器的另一侧出射的所述偏振光线穿过所述波长板后投射向所述敏感元件。
其中，所述压力检测组件还包括：
自聚焦透镜，所述自聚焦透镜设在所述光源与所述起偏器之间，所述光源发射的光线传输至所述自聚焦透镜并经过所述自聚焦透镜后投射向所述起偏器。
其中，所述压力检测组件还包括：
光纤，所述光源发射的光线经过所述光纤传输至所述自聚焦透镜。
其中，所述检测器包括：
光电二极管，所述光电二极管用于将接收到的光线转换成电信号；
电信号检测器，用于检测所述电信号；
压力检测器，用于根据所述电信号来确定所述敏感元件所承受的压力。
其中，所述电信号检测器包括：
振荡线圈和电源，所述振荡线圈、所述光电二极管和所述电源串联形成回路；
电压检测器，用于检测所述振荡线圈两端的电压信号，所述压力检测器根据所述电压信号来确定所述敏感元件所承受的压力。
第二方面，本发明实施例还提供一种终端，包括如上述实施例所述的压力检测组件。
其中，所述终端还包括：
显示屏，所述压力检测组件设在所述显示屏的一侧，所述敏感元件止抵于所述显示屏的一侧。
第三方面，本发明实施例还提供一种压力检测方法，包括以下步骤：
向透光的敏感元件投射偏振光线；
检测从所述敏感元件出射的光线；
根据从所述敏感元件出射的光线的参数信息确定所述敏感元件所承受的压力。
其中，所述参数信息包括：光的强度、光的振幅、光的偏振态、光的频率和光的相位中的至少一个。
其中，所述根据从所述敏感元件出射的光线的参数信息确定所述敏感元件所承受的压力包括：
将从所述敏感元件出射的光线的光信号转化成电信号，根据所述电信号确定所述敏感元件所承受的压力。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
根据本发明实施例的压力检测组件，敏感元件为透光且在按压下可形变的材料件，向敏感元件投射偏振光线，通过检测器接收从敏感元件出射的光线，并根据接收到的光线的参数信息确定按压敏感元件的压力，该压力检测组件灵敏度高，检测精确度高，可靠性高，不受电磁干扰，抗干扰能力强，绝缘性强，不会漏电打火，防爆性能好，可弯曲，能够根据需要做成各种形状，能够应用于高温高压环境下。
附图说明
图1为本发明实施例的压力检测组件的一个结构示意图；
图2为本发明实施例的压力检测组件的一个结构示意图；
图3为本发明实施例的压力检测组件的一个结构示意图；
图4a为光线投射敏感元件之前的入射光的光线强度示意图；
图4b为向敏感元件施加一个作用强度为Is的信号的示意图；
图4c为从敏感元件出射的出射光的强度；
图4d为出射光经过检测器检测后获取的光线的强度变化示意图；
图4e为入射光经敏感元件强度调制后出射光经过检测器检测的示意图；
图5位当光照射到各向异性晶体时发生在两个不同方向折射的示意图；
图6为本发明实施例的终端中显示屏与压力检测组件的一个配合示意图；
图7为本发明实施例的终端中显示屏与压力检测组件的一个配合示意图。
附图标记
敏感元件10；
光源20；起偏器21；波长板22；自聚焦透镜23；光纤24；
光电二极管30；第一振荡线圈31；第一电源32；电压检测器33；第二电源34；第二振荡线圈35；
显示屏40。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的压力检测组件。
如图1至图3所示，根据本发明实施例的压力检测组件包括敏感元件10、光线发射器和检测器。
具体而言，敏感元件10为透光且在按压下可形变的材料件，光线发射器设置于敏感元件10的一侧，用于向敏感元件10投射偏振光线，检测器设置于敏感元件10的另一侧，用于接收从敏感元件10出射的光线，并根据接收到的光线的参数信息确定按压敏感元件10的压力。
也就是说，压力检测组件主要由敏感元件10、光线发射器和检测器构成，敏感元件10可以为透光件，比如，可以为透明材料件，且敏感元件10为在按压下可形变的材料件，可形变的材料件可以具有一定的弯曲，可以适于做成不同的形状。光线发射器可以设置于敏感元件10的一侧，检测器可以设置于敏感元件10的另一侧，通过光线发射器可以用于向敏感元件10投射偏振光线，偏振光线可以从敏感元件10的一侧穿过，并从敏感元件10的另一侧出射，当敏感元件10受到外界作用力时，从敏感元件10的另一侧出射的光线的参数信息发生变化，比如，光的相位发生变化，参数信息的变化量与敏感元件10受到外界的作用力大小呈现一定的关系，检测器用于接收从敏感元件10出射的光线，并根据接收到的光线的参数信息来确定按压敏感元件10的压力，通过参数信息的变化量来确定敏感元件10受到的压力。利用本发明实施例的压力检测组件检测压力时，检测灵敏度高，检测精确度高，可靠性高，不受电磁干扰，抗干扰能力强，不会漏电打火，防爆性能好，能够根据需要做成各种形状，能够应用于高温高压环境下。
可选地，敏感元件10可以为聚氨酯弹性件，敏感元件10可以为透明的聚氨酯弹性件，形变灵敏度高，能够精确检测敏感元件10受到的压力。
在本发明的一些实施例中，参数信息可以包括：光的强度、光的振幅、光的偏振态、光的频率和光的相位中的至少一个，比如，可包括光的相位，通过从敏感元件10的另一侧出射的光线的相位变化来确定敏感元件10所受到的压力，使得压力检测更加灵敏，精确度高。
光线经晶体之后，晶体受到外界作用时，光的某一性质(参数信息)受到外界作用的调制，被调制的光从晶体出射后的经检测器检测，根据检测的光的性质可以判断晶体受到的作用强度。根据普克耳效应，可以对入射晶体的光线进行调制，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压时，晶体将呈现双折射现象，在晶体中，光发生两个不同方向的折射，其中一个遵守折射定律的称为O光(寻常光)，另一束不遵守折射定律的称为e光(非常光)，这两束光都是偏振光，正交的两束偏振光的相位发生变化，光的相位变化可以根据以下公式(1)计算：
其中，
为光的相位，l为沿光线方向上的晶体的长度，d为沿电压方向上的晶体的厚度，n0为晶体的折射率，λ为光波的波长，U为施加在晶体上的电压，rG为晶体的电阻。
本发明实施例中的压力检测组件的原理如下：由光线发射器发出的光经敏感元件10之后，敏感元件10受到外界作用力，光的某一性质(参数信息)受到外界作用力(被测量)的调制，被调制的从敏感元件10出射的光经检测器接收检测，可以使接收到的光信号变为电信号，最后经信号处理得到被测量。
可以利用外界作用力(被测量)对敏感元件10的作用，使敏感元件10的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测量的信息。比如，如图4a至图4e所示，图4e为入射光经敏感元件的强制调制后出射光经过检测器检测的示意图，如图4a所示，在光线投射敏感元件10之前的入射光a的光线强度为Ii，由于敏感元件10受到作用力，如图4b所示，向敏感元件10施加一个作用强度为Is的作用信号(比如压力)以进行强制调制，如图4c所示，经调制后从敏感元件10出射的出射光c的强度为Io，如图4d所示，出射光经过检测器检测后能够获取表示光线的强度变化的信号d，进而通过信号d的变化来获取敏感元件10受到的作用力。
根据光弹性效应，当外力或振动作用于弹性物体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，如图5所示，当光照射到各向异性晶体50时，发生两个不同方向的折射，其中一个遵守折射定律的称为O光(寻常光)，另一束不遵守折射定律的称为e光(非常光)，这两束光都是偏振光，光从一个特殊的角度入射晶体不会发生折射现象，这个角度称为晶体的光轴，这两束光经过形变的弹性材料件后出射到检偏器，由于两束光的频率相同，有固定的相位差，能够产生干涉，根据相位差的不同产生的干涉不同。
根据光弹性效应，如图1所示，当光线穿过敏感元件10时，在垂直于光波传播方向对敏感元件10施加压力，敏感元件10将会产生双折射现象，通过检偏器25检测从敏感元件10出射的偏振光，在敏感元件10和检偏器25之间可以设有补偿器26，从敏感元件10出射的光通过补偿器26之后检偏器25可以检测出稳定的相位差，相位差的大小强弱正比于压力，根据出射光线的相位变化来检测压力，出射的偏振光的相位变化可根据下述式(2)计算：
其中，k为敏感元件材料的光弹性系数；P为施加在敏感元件上的压强；L为光波通过的敏感元件的长度，λ0为光波的波长。
在本发明实施例中，由光线发射器发出的光经敏感元件10之后，敏感元件10受到外界作用力，光的相位受到外界作用力的调制，从敏感元件10出射的光经检测器接收检测，可以根据接收到的光的相位的变化来获取敏感元件10所受的压力。
在本发明的另一些实施例中，如图1和图2所示，光线发射器可以包括光源20和起偏器21，光源20可以用于发射光线，光源20可以为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源，通过光源20发出自然光。光源20可以设置于起偏器21的一侧，敏感元件10可以设置于起偏器21的另一侧，起偏器21可以为偏振片，光源20发射的光线向起偏器21投射后从起偏器21的另一侧向敏感元件10出射偏振光线，光源20发射的光线经过起偏器21可以从起偏器21出射线性偏振光。
根据本发明的一些实施例，如图2和图3所示，压力检测组件还可以包括波长板22，波长板22设在起偏器21与敏感元件10之间，从起偏器21的另一侧出射的偏振光线穿过波长板22后投射向敏感元件10，通过波长板22可以使压力检测组件获得较高的灵敏度。波长板22可以为四分之一波长板，线偏振光垂直入射四分之一波长板时，能够从四分之一波长板出射圆偏振光，当有与入射光偏振方向呈45°的压力作用于敏感元件10时，使敏感元件10呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，通过四分之一波长板之后使得压力检测组件的灵敏度提高。
可选地，如图3所示，压力检测组件还可以包括自聚焦透镜23，自聚焦透镜23可以设在光源20与起偏器21之间，光源20发射的光线传输至自聚焦透镜23并经过自聚焦透镜23后投射向起偏器21，光源20发射的光线经过自聚焦透镜23能够汇聚成一点，汇聚后的光线投射向起偏器21能够增强投射向起偏器21的光线强度。
在本发明的实施例中，如图3所示，压力检测组件还可以包括光纤24，光源20发射的光线经过光纤24传输至自聚焦透镜23，通过光纤24传输光线能够使得光线更集中，使得光线有效地传输至自聚焦透镜23。
如图2所示，从光源20发出的光经起偏器21后成为线偏振光p1，线偏振光p1经过四分之一波长板后出射圆偏振光p2，圆偏振光p2经过敏感元件10后从敏感元件10出射，当有与入射光偏振方向呈45°的压力作用于敏感元件10时，使敏感元件10呈双折射，从而使从敏感元件10出射的光成为椭圆偏振光p3，检测器中可以包括检偏器25，通过检偏器25可以检测从敏感元件10出射的光成为椭圆偏振光，从检偏器25出射线偏振光p4，以便检测偏振光的相位差。在敏感元件10和检偏器25之间可以设有补偿器26，从敏感元件10出射的光通过补偿器26之后检偏器25可以检测出稳定的相位差。
在本发明的一些实施例中，检测器可以包括光电二极管30、电信号检测器和压力检测器，其中，光电二极管30可以用于将接收到的光线转换成电信号，通过电信号检测器可以用于检测电信号，压力检测器可以用于根据电信号来确定敏感元件10所承受的压力，通过将光线转换成电信号进而来检测压力，便于检测，能够提高压力的检测灵敏度，提高检测精确度。
在本发明的另一些实施例中，如图7所示，电信号检测器包括第一振荡线圈31、第一电源32和电压检测器33，其中，第一振荡线圈31、光电二极管30和第一电源32可以串联形成回路，当光电二极管30接收到的光线发生变化时，光电二极管30转换成的电信号也发生变化，此时，第一振荡线圈31两端的电压也会发生变化，通过电压检测器33可以检测第一振荡线圈31两端的电压信号，压力检测器根据电压信号来确定敏感元件10所承受的压力，通过第一振荡线圈31、第一电源32和电压检测器33能够灵敏精确地检测光电二极管30转换成的电信号，进而使得压力检测器能够更好地获取敏感元件10所承受的压力。
本发明实施例还提供一种终端，终端包括如上述实施例中的压力检测组件，将上述实施例中的压力检测组件与终端上的按压部件配合来检测按压部件承受的压力，比如，将上述实施例中的压力检测组件与终端上的按键配合，能够灵敏精确地检测按键所承受的压力，检测精确度高，可靠性高，抗干扰能力强，能够根据需要做成各种形状。目前普遍的做法是将电阻传感器放置在终端的按键结构下方，需要贴合粘胶，还需要开孔配合，影响外观以及性能，而用本发明实施例中的压力检测组件替换电阻、电容式压力传感器，相对于电阻、电容式压力传感器灵敏度更高，不需要校准，结构组装难度上比较低。
在本发明的一些实施例中，如图6所示，终端还可以包括显示屏40，压力检测组件可以设在显示屏40的一侧，敏感元件10可以止抵于显示屏40的一侧，当显示屏40受到压力作用时能够灵敏地检测显示屏承受的压力。压力检测组件中的光源20可以为LED光源，可以通过第二电源34为光源20供电，为了保持电路中的启动稳定，可以在第二电源34与光源20串联的电路上再串联一个第二振荡线圈35。由于压力检测组件中的敏感元件10可弯曲，可在终端上设置多个压力检测组件，可沿着显示屏的周向设置一圈，分别进行定义不同的压力按键。通过光源20发出自然光，敏感元件10可以为透明材料件，通过本发明实施例中的压力检测组件替代目前电阻、电容式压力传感器用于游戏终端上的附加键，压力检测灵敏，游戏按键的灵敏度高，便于操作，由于LED光源可以提高光效，能够提高游戏的使用体验。
本发明实施例还提供一种压力检测方法，包括以下步骤：向透光的敏感元件投射偏振光线；检测从敏感元件10出射的光线；根据从敏感元件10出射的光线的参数信息确定敏感元件10所承受的压力。
也就是说，可以通过光线发射器向敏感元件10投射偏振光线，偏振光线可以从敏感元件10的一侧穿过，并从敏感元件10的另一侧出射，当敏感元件10受到外界作用力时，从敏感元件10的另一侧出射的光线的参数信息发生变化，比如，光的相位发生变化，参数信息的变化量与敏感元件10受到外界的作用力大小呈现一定的关系。可以通过检测器接收从敏感元件10出射的光线，并根据接收到的光线的参数信息来确定按压敏感元件10的压力，通过参数信息的变化量来确定敏感元件10受到的压力。利用本发明实施例的压力检测方法检测压力时，检测灵敏度高，检测精确度低，可靠性高，抗干扰能力强，能够根据需要做成各种形状，可应用于高温高压环境。
在本发明实施例中，参数信息可以包括：光的强度、光的振幅、光的偏振态、光的频率和光的相位中的至少一个，比如，可以只包括光的相位，根据接收到的光线的光的相位来确定按压敏感元件10的压力。
在本发明实施例中，根据从敏感元件10出射的光线的参数信息确定敏感元件10所承受的压力可以包括：
将从敏感元件10出射的光线的光信号转化成电信号，根据电信号确定敏感元件10所承受的压力，通过将光信号转换成电信号便于检测，能够提高压力的检测灵敏度，提高检测精确度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种压力检测组件，其特征在于，包括：
敏感元件，所述敏感元件为透光且在按压下可形变的材料件；
光线发射器，设置于所述敏感元件的一侧，用于向所述敏感元件投射偏振光线；
检测器，设置于所述敏感元件的另一侧，用于接收从所述敏感元件出射的光线，并根据接收到的光线的参数信息确定按压所述敏感元件的压力。
2.根据权利要求1所述的压力检测组件，其特征在于，所述敏感元件为聚氨酯弹性件。
3.根据权利要求1所述的压力检测组件，其特征在于，所述光线发射器包括：
光源，用于发射光线；
起偏器，所述光源设置于所述起偏器的一侧，所述敏感元件设置于所述起偏器的另一侧，所述光源发射的光线向所述起偏器投射后，从所述起偏器的另一侧向所述敏感元件出射偏振光线。
4.根据权利要求3所述的压力检测组件，其特征在于，还包括：
波长板，所述波长板设在所述起偏器与所述敏感元件之间，从所述起偏器的另一侧出射的所述偏振光线穿过所述波长板后投射向所述敏感元件。
5.根据权利要求3所述的压力检测组件，其特征在于，还包括：
自聚焦透镜，所述自聚焦透镜设在所述光源与所述起偏器之间，所述光源发射的光线传输至所述自聚焦透镜并经过所述自聚焦透镜后投射向所述起偏器。
6.根据权利要求5所述的压力检测组件，其特征在于，还包括：
光纤，所述光源发射的光线经过所述光纤传输至所述自聚焦透镜。
7.根据权利要求1所述的压力检测组件，其特征在于，所述检测器包括：
光电二极管，所述光电二极管用于将接收到的光线转换成电信号；
电信号检测器，用于检测所述电信号；
压力检测器，用于根据所述电信号来确定所述敏感元件所承受的压力。
8.根据权利要求7所述的压力检测组件，其特征在于，所述电信号检测器包括：
振荡线圈和电源，所述振荡线圈、所述光电二极管和所述电源串联形成回路；
电压检测器，用于检测所述振荡线圈两端的电压信号，所述压力检测器根据所述电压信号来确定所述敏感元件所承受的压力。
9.一种终端，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的压力检测组件。
10.根据权利要求9所述的终端，其特征在于，所述终端还包括：
显示屏，所述压力检测组件设在所述显示屏的一侧，所述敏感元件止抵于所述显示屏的一侧。
11.一种压力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
向透光的敏感元件投射偏振光线；
检测从所述敏感元件出射的光线；
根据从所述敏感元件出射的光线的参数信息确定所述敏感元件所承受的压力。
12.根据权利要求11所述的压力检测方法，其特征在于，所述根据从所述敏感元件出射的光线的参数信息确定所述敏感元件所承受的压力包括：
将从所述敏感元件出射的光线的光信号转化成电信号，根据所述电信号确定所述敏感元件所承受的压力。
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