一种压力传感器、系统及控制方法与流程

本发明涉及压力传感，具体地说，涉及一种压力传感器、系统及控制方法。

背景技术：

1、压力作为一项基本环境参数，为环境监控、生产安全提供重要依据，其检测技术早已广泛应用于各行各业。随着工业和国防科技的发展，尤其是对于航空复杂环境中压力的测量，本质安全、大量程、高精度的压力传感器成为研究重点。

2、光纤压力传感器具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰等优势，更适合于应用在复杂环境中。基于mems技术的光纤f-p压力传感器具有灵敏度高和结构多变、温度系数低等优势，但现有的光纤压力传感方案中，压力量程与精度无法兼顾，对于具有压力突变的测量环境，例如航空环境中液体压力的测量，由于加速度的变化，液体压力会在短时间内产生极大值或极小值，现有的压力传感器无法满足实际应用的需求。

技术实现思路

1、本发明针对现有的压力传感测量方法中，存在压力量程与精度无法兼顾，无法针对突变的测量环境的问题，提出一种压力传感器、系统及控制方法；通过解调压力信号，并根据解调的压力信号量级，将激励电压控制信号反馈给激励电压源，调节压力传感器中复合压力传感膜片的弹性模量，通过改变传感膜片的弹性模量实现了量程的自适应调节，提高了压力传感分辨率和精度，并具有结构简单、抗电磁干扰、传感单元小巧便于安装的特点。

2、本发明具体实现内容如下：

3、一种压力传感器，包括复合压力传感膜片、电极、导线、壳体、光纤；

4、所述复合压力传感膜片设置在所述壳体的端部；

5、所述光纤设置在所述壳体内，且设置在所述壳体远离所述复合压力传感膜片的端部；

6、所述电极嵌入在所述复合压力传感膜片内，且通过所述导线与外部电源连接；

7、所述光纤，用于作为所述压力传感器的第一反射面，生成第一反射光；

8、所述复合压力传感膜片，用于作为所述压力传感器的第二反射面，生成第二反射光并与所述第一反射光干涉，生成干涉光。

9、为了更好地实现本发明，进一步地，所述复合压力传感膜片包括依次设置的氧化硅压力平衡层、氮化硅压力敏感层、超材料薄膜、氮化硅压力敏感层、氧化硅压力平衡层、光学高反射镀层；

10、所述电极嵌入在所述复合压力传感膜片内，一端与所述超材料薄膜连接，另一端通过所述导线与外部电源连接。

11、为了更好地实现本发明，进一步地，所述压力传感器还包括硅基、环氧树脂密封胶、光纤准直安装套管、光学准直镜；

12、所述光纤准直安装套管设置在所述光纤外侧，通过所述环氧树脂密封胶与所述壳体连接；

13、所述光学准直镜设置在所述光纤与所述复合压力传感膜片之间；

14、所述压力传感膜片通过所述硅基与所述壳体的端部连接。

15、基于上述提出的压力传感器，为了更好地实现本发明，进一步地，提出一种压力传感系统，包括上述的压力传感器；还包括激光器、环形器、激励电源、处理器；

16、所述环形器的第一输入端与所述激光器的输出端连接，所述环形器的第一输出端与所述压力传感器的输入端连接，所述环形器的第二输出端与所述处理器的输入端连接，所述环形器的第二输入端与所述压力传感器的输出端连接；

17、所述激励电源与所述压力传感器连接；

18、所述激光器，用于生成激光信号；所述激励电源，用于生成激励电压；

19、所述压力传感器，用于获取外部压力，并调制所述激光信号，生成干涉光信号；

20、所述环形器，用于将所述干涉光信号发送至所述压力传感器，并将所述干涉光信号传输至所述处理器；

21、所述处理器，用于解调所述外部压力，计算干涉光强度变化量，并根据所述干涉光强度变化量，计算外界压力变化量。

22、为了更好地实现本发明，进一步地，所述处理器还用于根据解调后的压力信号量级，生成激励电压控制信号，调节所述复合压力传感膜片的弹性模量。

23、基于上述提出的压力传感器，为了更好地实现本发明，进一步地，提出一种压力传感控制方法，基于上述的压力传感器实现；通过激励电压进行反馈调节，具体包括：首先设定初始激励电压，并获取初始电压下的压力pi；然后进行第一次电压采集得到压力p1，利用二分逼近算法比较pi/2与p1大小关系，若pi/2>p1，则pi＝pi/2，继续比较pi/2与p1的大小关系；若pi/2≤p1，pi＝(pi+pi/2)/2，则继续比较pi/2与p1的大小关系，直到pi-p1/pi*100％≤10％；最后将激励电压设置为压力pi对应的激励电压vi，根据激励电压vi调节所述复合压力传感膜片的弹性模量。

24、为了更好地实现本发明，进一步地，首先根据供电电压和压力传感器的恒温温度，计算所述压力传感器的恒定有效温度，并根据所述压力传感器的恒定有效温度，计算弹性模量；然后根据获取的干涉光强度，计算干涉光强度变化量；最后根据所述弹性模量和所述干涉光强度变化量，计算外界压力信号作用到压力传感器的干涉腔腔长变化量。

25、本发明具有以下有益效果：

26、(1)本发明通过生成激励电压控制信号并反馈给激励电压源，调节压力传感器中复合压力传感膜片的弹性模量，通过改变传感膜片的弹性模量实现了量程的自适应调节，提高了压力传感分辨率和精度，并具有结构简单、抗电磁干扰、传感单元小巧便于安装的特点。

27、(2)本发明在较大压力环境中，利用超材料较强的刚性提供支持力，保护氮化硅压力传感膜片不产生非弹性形变；在较小压力环境中，通过解调超材料薄膜的弹性模量，使复合膜片产生较大的弹性形变，提高压力传感分辨率和精度。

28、(3)本发明在未知压力环境中，将超材料的弹性模量预设为最大，通过反馈调节实现高精度测量，记录未知压力环境的压力特性变化。

技术特征：

1.一种压力传感器，其特征在于，包括复合压力传感膜片、电极(5)、导线(7)、壳体(8)、光纤(12)；

2.根据权利要求1所述的一种压力传感器，其特征在于，所述复合压力传感膜片包括依次设置的第一氧化硅压力平衡层(101)、第一氮化硅压力敏感层(21)、超材料薄膜(3)、第二氮化硅压力敏感层(22)、第二氧化硅压力平衡层(102)、光学高反射镀层(4)；

3.根据权利要求1所述的一种压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括硅基(6)、环氧树脂密封胶(9)、光纤准直安装套管(10)、光学准直镜(11)；

4.一种压力传感系统，包括如权利要求1所述的压力传感器；其特征在于还包括激光器(13)、环形器(14)、激励电源(16)、处理器(17)；

5.根据权利要求4所述的一种压力传感系统，其特征在于，所述处理器还用于根据解调后的压力信号量级，生成激励电压控制信号，调节所述复合压力传感膜片的弹性模量。

6.一种压力传感控制方法，基于权利要求1所述的压力传感器实现；其特征在于，通过激励电压进行反馈调节，具体包括：首先设定初始激励电压，并获取初始电压下的压力pi；然后进行第一次电压采集得到压力p1，利用二分逼近算法比较pi/2与p1大小关系，若pi/2>p1，则pi＝pi/2，继续比较pi/2与p1的大小关系；若pi/2≤p1，pi＝(pi+pi/2)/2，则继续比较pi/2与p1的大小关系，直到(pi-p1)/pi*100％≤10％；最后将激励电压设置为压力pi对应的激励电压vi，根据激励电压vi调节所述复合压力传感膜片的弹性模量。

7.根据权利要求6所述的一种压力传感控制方法，其特征在于，首先根据供电电压和压力传感器(15)的恒温温度，计算所述压力传感器(15)的恒定有效温度，并根据所述压力传感器(15)的恒定有效温度，计算弹性模量；然后根据获取的干涉光强度，计算干涉光强度变化量；最后根据所述弹性模量和所述干涉光强度变化量，计算外界压力信号作用到压力传感器(15)的干涉腔腔长变化量。

技术总结
本发明涉及压力传感技术领域，具体地说，涉及一种压力传感器、系统及控制方法；通过解调压力信号，并根据解调的压力信号量级，将激励电压控制信号反馈给激励电压源，调节压力传感器中复合压力传感膜片的弹性模量，通过改变传感膜片的弹性模量实现了量程的自适应调节，提高了压力传感分辨率和精度，并具有结构简单、抗电磁干扰、传感单元小巧便于安装的特点。

技术研发人员：王美玲,黄攀,郑芝莉,许扬
受保护的技术使用者：四川泛华航空仪表电器有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16