CN110926683A - 一种激光反射原理的压力传感器及其压力传感方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光反射原理的压力传感器及其压力传感方法，激光反射原理的压力传感器包括：壳体，设置空腔，所述壳体的一端设置测压口，用于将所述空腔与一被测空间连通；膜片，内置于所述空腔内，能根据测压口压力变化而发生形变；且所述膜片与所述测压口相背对侧设置反射面；激光发射器，设置于所述膜片的反射面同侧，用于将激光入射到所述膜片的反射面上；四象限传感器，设置于膜片的反射面同侧，用于接收经反射面反射的激光。本发明利用光线反射原理替代常见的电容测量原理，利用反射的激光在四象限传感器的光敏面上形成光斑，所述光斑随所述膜片形变而发生位移变化，根据检测到的所述光斑的位移变化，得到所述测压口处的压力变化。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种激光反射原理的压力传感器及其压力传感方法。
背景技术
电容式压力传感器常用结构是利用金属导电膜片作为电容其中一个电极，与陶瓷基底上的导电镀层形成电容。当金属膜片两侧压力发生变化，产生压力差，导致金属膜片发生形变，从而改变金属膜片与陶瓷基底上导电层的距离，改变电容值。通过对电容值的测量来实现被测空间内压力的测量。
常用结构中，金属膜片与陶瓷电极的间距由一个或多个垫片厚度来决定。间距的控制取决于一个或多个垫片的加工精度。并且，随着时间的推移或温度的变化，几何结构会发生微小的变化。金属外壳的热膨胀系数通常大于陶瓷电极的热膨胀系数。因此，加热或冷却电容式传感器组件可以在组件内产生内应力，从而影响几何形状尤其是金属膜片与陶瓷定电极之间的距离。机械应力在加热或冷却过程中会在一定范围内累积，当应力足够大时，电极和壳体会相对运动以释放应力。这种运动被称为“粘滑”或“机械滞后”。这些粘滑运动影响几何结构，并可能对电容传感器总成的精度产生不利影响，重复性较差，也无法预测和补偿。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光反射原理的压力传感器及其压力传感方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的其中之一。
作为本发明的一个方面，提供了一种激光反射原理的压力传感器，包括：
壳体，设置空腔，所述壳体的一端设置测压口，用于将所述空腔与一被测空间连通；
膜片，内置于所述空腔内，能根据测压口压力变化而发生形变；且所述膜片与所述测压口相背对侧设置反射面；
激光发射器，设置于所述膜片的反射面同侧，用于将激光入射到所述膜片的反射面上；
四象限传感器，设置于所述膜片的反射面同侧，用于接收经反射面反射的激光；
其中，所述四象限传感器包括光敏面，所述反射的激光在所述光敏面上形成光斑，所述光斑随所述膜片形变而发生位移变化。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种利用如上述的激光反射原理的压力传感器的压力传感方法，包括如下步骤：
一测量介质从测压口进入空腔内对膜片施加压力，使膜片发生形变；
激光发射器对发生形变的膜片的反射面发射激光，所述四象限传感器接收反射面反射的激光，所述反射的激光在所述光敏面上形成偏离光敏面中心的光斑；
根据检测到的偏离光敏面中心的光斑的位移量，得到所述测量介质对所述膜片施加的绝对压力。
基于上述技术方案，本发明相对于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
1、本发明利用光线反射原理替代常见的电容测量原理，本发明利用膜片形变带来的光线反射角度变化，采用四象限传感器探测，根据判断四象限传感器上形成的光斑的位移量来表征膜片的形变量，从而得到测量介质的绝对压力；本发明设计的激光反射原理的压力传感器测量精度高、灵敏且稳定性高；
2、本发明利用光线反射原理替代常见的电容测量原理，避免了因外界电磁干扰及温度变化对微型电容测量电路带来的影响；也避免了电容测量所需组件之间因热膨胀率差异导致的精度误差、重复性误差及稳定性问题；
3、本发明利用低功率激光光源产生连续激光，并利用微型光学准直镜对连续激光光束进行整形，更有利于四象限传感器信号的接收及检测，提高检测精度；
4、本发明设计膜片支撑部，用于对膜片进行限位和保护，避免膜片的形变量过载；且膜片支撑部设计为非球面形状，当膜片处于过载条件时，膜片与膜片支撑部完全接触，不会导致局部接触产生的摩擦和张力，保护膜片。
附图说明
图1是本发明实施例激光反射原理的压力传感器示意图；
图2A是本发明实施例膜片未发生形变时四象限传感器上光斑示意图；
图2B是本发明实施例膜片发生形变时四象限传感器上光斑示意图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1、壳体；101、测压口；2、膜片；2’、形变的膜片；3、激光发射器；4、四象限传感器；5、膜片支撑部；501、通光孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的示例性实施例中，图1是本发明实施例激光反射原理的压力传感器示意图，如图1所示，本发明提供一种激光反射原理的压力传感器，包括壳体1、膜片2、激光发射器3和四象限传感器4，以下分别对各个组成部件进行详细说明。
在本发明的实施例中，壳体1，设置空腔，壳体1的一端设置测压口101，用于将空腔与一被测空间连通；
其中，被测空间内的测量介质从测压口101流入空腔内，用于对被测空间的测量介质的压力进行测量；其中，测量介质并不局限于流体，还可以是气体或者蒸汽，只要能从被测空间流入空腔内并对膜片施加压力即可。
在本发明的实施例中，膜片2，内置于空腔内，能根据测压口101压力变化而发生形变；且膜片2与测压口101相背对侧设置反射面；
激光发射器3，设置于膜片2的反射面同侧，用于将激光入射到膜片2的反射面上；
四象限传感器4，设置于膜片2的反射面同侧，用于接收经反射面反射的激光；
其中，四象限传感器4包括光敏面，反射的激光在光敏面上形成光斑，光斑随膜片形变而发生位移变化。根据检测到的光斑位移变化，得到测压口101处的压力变化。
在本发明的实施例中，本发明利用光线反射原理替代常见的电容测量原理；更为具体的，本发明的原理为：测量介质对膜片2施加压力，使膜片2发生形变，入射到膜片2的反射面上的激光反射角度发生变化，反射的激光也随之发生角度的变化，进而在四象限传感器4上的光敏面上形成的光斑发生位移变化，根据光斑的位移变化得到测压口101处的压力变化。
在本发明的实施例中，一般说来，经反射面反射的激光，由光纤传导进四象限传感器4内部，在光敏面上形成光斑。
值得一提的是，在本发明的实施例中，四象限传感器4，其光敏面为圆形，四个传感器拼接形成一个十字线，交叉点的正中心位置为光敏面中心。
在本发明的实施例中，激光发射器3为二极管激光器，为低功率激光光源，产生连续激光，输出的激光的功率为5mW～20mW可调节；
在本发明的实施例中，激光反射原理的压力传感器还利用微型光学准直镜对光线整型，产生直径≤1mm的平行光束。
在本发明的实施例中，激光反射原理的压力传感器还包括：膜片支撑部5，膜片支撑部5设置于膜片2的远离测压口101侧，用于限制膜片2的形变量过载；且膜片支撑部5上设置通光孔501，用于将激光从通光孔501穿过；更为具体地，用于将激光从通光孔501入射到膜片2的反射面上；也用于将激光从膜片2的反射面反射出通光孔501。
在本发明的实施例中，膜片支撑部5设置为非球面形状，保证在过载条件下，膜片2与膜片支撑部5完全接触，避免导致局部接触而产生的摩擦和张力，避免膜片2受损。
在本发明的实施例中，膜片支撑部5有两种加工方式，一种是与壳体1一体加工成型，第二种是单独加工，然后利用高精度焊接与壳体1连接。膜片支撑部5是用来防止膜片2过度形变。膜片支撑部5的安装位置是与量程有关，不同量程采用不同性能的膜片，形变量会有差异。在本发明的实施例中不作具体限定。
综上所述，本发明利用激光反射原理测量压力的传感器结构中避免了电容式测试原理所需的复杂内部结构及组件。降低了组件加工误差，避免了组件之间因热膨胀率不同而导致的迟滞所带来的影响。
至此，本发明的第一个示例性实施例介绍完毕。
在本发明的第二个示例性实施例中，图1是本发明实施例激光反射原理的压力传感器示意图；图2A是本发明实施例膜片未发生形变时四象限传感器上光斑示意图；图2B是本发明实施例膜片发生形变时四象限传感器上光斑示意图。如图1、2A和2B所示，提供一种利用如上述的激光反射原理的压力传感器的压力传感方法，包括如下步骤：
一测量介质从测压口101进入空腔内对膜片2施加压力，使膜片2发生形变；
激光发射器3对发生形变的膜片2’的反射面发射激光，四象限传感器4接收反射面反射的激光，反射的激光在光敏面上形成偏离光敏面中心的光斑；
根据检测到的偏离光敏面中心的光斑的位移量，得到测量介质对膜片施加的绝对压力。
在本发明的实施例中，激光发射器3对未发生形变的膜片2的反射面发射激光，四象限传感器接4收反射面反射的激光，反射的激光在光敏面上形成的光斑处于光敏面中心位置。
更具体的说，当膜片2未发生形变的时候，光斑照射到光敏面正中心，每一个传感器上接收的光能量相同，产生的信号相同。当测量介质对膜片2施加压力，使膜片2发生形变，从而反射的激光也发生角度变化，进而光斑开始移动，导致分布到四个传感器上的光斑面积发生变化，这样四个传感器产生的信号将发生变化，通过对四个传感器产生的信号进行数据处理来判断光斑的位移量，进而得到测量介质对膜片2施加的绝对压力。本发明采用此方法测量精度高。
至此，本发明的第二个示例性实施例介绍完毕。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光反射原理的压力传感器，其特征在于，包括：
壳体，设置空腔，所述壳体的一端设置测压口，用于将所述空腔与一被测空间连通；
膜片，内置于所述空腔内，能根据测压口压力变化而发生形变；且所述膜片与所述测压口相背对侧设置反射面；
激光发射器，设置于所述膜片的反射面同侧，用于将激光入射到所述膜片的反射面上；
四象限传感器，设置于所述膜片的反射面同侧，用于接收经反射面反射的激光；
其中，所述四象限传感器包括光敏面，所述反射的激光在所述光敏面上形成光斑，所述光斑随所述膜片形变而发生位移变化。
2.如权利要求1所述的激光反射原理的压力传感器，其特征在于，所述激光反射原理的压力传感器还包括：
膜片支撑部，所述膜片支撑部设置于所述膜片的远离测压口侧，用于限制膜片的形变量过载；且所述膜片支撑部上设置通光孔，用于将激光从所述通光孔穿过。
3.如权利要求2所述的激光反射原理的压力传感器，其特征在于，所述膜片支撑部设置为非球面形状。
4.如权利要求2所述的激光反射原理的压力传感器，其特征在于，所述膜片支撑部与所述壳体一体成型或者所述膜片支撑部与所述壳体焊接。
5.如权利要求1所述的激光反射原理的压力传感器，其特征在于，所述激光发射器为二极管激光器。
6.如权利要求5所述的激光反射原理的压力传感器，其特征在于，所述激光发射器发射的激光的功率为5mW～20mW。
7.如权利要求6所述的激光反射原理的压力传感器，其特征在于，所述激光反射原理的压力传感器还包括微型光学准直镜，设置于所述激光发射器与所述膜片之间，用于对所述激光发射器发射的激光进行整形，以产生直径≤1mm的平行光束。
8.一种利用如权利要求1至7任一项所述的激光反射原理的压力传感器的压力传感方法，其特征在于，包括如下步骤：
一测量介质从测压口进入空腔内对膜片施加压力，使膜片发生形变；
激光发射器对发生形变的膜片的反射面发射激光，所述四象限传感器接收反射面反射的激光，所述反射的激光在所述光敏面上形成偏离光敏面中心的光斑；
根据检测到的偏离光敏面中心的光斑的位移量，得到所述测量介质对所述膜片施加的绝对压力。
9.如权利要求8所述的压力传感方法，其特征在于，所述激光发射器对未发生形变的膜片的反射面发射激光，所述四象限传感器接收反射面反射的激光，所述反射的激光在所述光敏面上形成的光斑处于光敏面中心中心位置。
10.如权利要求8所述的压力传感方法，其特征在于，所述测量介质包括气体、蒸汽或者液体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200327 |