用于非接触压力测量的光学传感器的制造方法
【专利说明】用于非接触压力测量的光学传感器
[0001] 本发明涉及一种用于非接触压力测量的光学传感器。
[0002] 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。
[0003] "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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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（Single Mode Fibers)用作传输介质。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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（IOO-1000 Bar)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Imm厚 钢圆形隔膜测量0_500Bar压力范围时，15 μm是典型的总隔膜位移；如果需要IOBar分辨 率，则这意味着，传感器应该能够光学探测0. 3 μ m位移。
[0013] 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。
[0014] 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.)。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 根据本发明，所述目的借助于一种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：
[0018] -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，
[0019] -具有管状空腔的本体，
[0020] -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