專利名稱：一種激光式壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用激光光束和光電管等相關控制電路組成的新型高精度壓力傳感器。
背景技術：
傳統的壓力傳感器種類有應變片壓力傳感器，陶瓷壓力傳感器，擴散硅壓力傳感器，電容式壓力傳感器，藍寶石壓力傳感器等，他們的共同問題是生產工藝比較復雜，有些高精度的敏感元件技術還掌握在國外的幾個大公司手上。現有傳感器的電路部分能輕易做到很高的精度和溫度特性，影響壓力傳感器精度的最大瓶頸是敏感元件，而影響敏感元件精度的主要原因之一是溫度漂移。因同材料同型號敏感元件存在一致性的差異，需要分別對每個敏感元件的特性做調整和溫度補償，增加了壓力傳感器量產的難度。有些敏感元件內部已經帶有溫度補償，這些敏感元件價格相對比較高，但在不能滿足實際使用的要求時還需外部補償電路來補償。 傳統壓力傳感器還有容易產生滯后，疲勞和蠕變現象。所以要想生產出高精度高穩定的壓力傳感器，除了用高精度高穩定的敏感元件，還要合理的結構和精確的補償。導致現有壓力傳感器生產成本居高不下。
發明內容
鑒于上述傳統壓力傳感器復雜的生產工藝和相對較高的價格，本發明提供了一種生產工藝簡單，成本低，無需任何補償就有著很高的精度的激光式壓力傳感器。本發明是通過以下技術方案實現的一種激光式壓力傳感器，具體包括壓力敏感組件、控制電路和外殼，所述壓力敏感組件的信號通過連線與所述控制電路連接在一起；其中，所述壓力敏感組件的殼體形成壓力孔和腔體，其中，所述腔體內部安裝有彈性膜片、遮光片和透光槽、激光二極管或普通發光二極管和光電二極管，其中，所述光電二極管接收發光二極管和激光二極管或普通發光二極管通過透光槽的光束，其中光電二極管和激光二極管或普通發光二極管間有遮光片；所述光電二極管接收激光二極管或普通發光二極管和激光二極管或普通發光二極管的光束。進一步地，優選的結構是，所述壓力敏感組件的殼體用金屬或工程塑料等材料制成。進一步地，優選的結構是，所述控制電路由多個光伏線性放大，精密基準電壓，采樣保持，方波產生，斬波、電流放大電路組成。進一步地，優選的結構是，所述激光二極管或普通發光二極管和激光二極管或普通發光二極管以交替的方式發射光束，其中激光二極管或普通發光二極管產生的光束應用于檢測壓力應變量，激光二極管或普通發光二極管產生的光束應用于檢測溫度補償，光電二極管檢測激光二極管或普通發光二極管和激光二極管或普通發光二極管的光束發射功率是否相同。進一步地，優選的結構是，所述光電二極管是用于檢測反應壓力應變量的敏感元件和用于檢測溫度漂移的敏感元件。進一步地，優選的結構是，所述光電二極管與線性放大電路組成光伏放大電路，使壓力應變量轉換成電信號。進一步地，優選的結構是，第一采樣保持電路和第二采樣保持電路分離出反應壓力應變量的電壓信號和溫度誤差量信號，第三采樣保持電路和第四采樣保持電路分離出反應激光二極管或普通發光二極管和激光二極管或普通發光二極管光束強度的信號，兩信號送入比較電路中用于調整激光二極管或普通發光二極管跟激光二極管或普通發光二極管的光束功率一致。進一步地，優選的結構是，所述第一斬波電路和第二斬波電路斬掉方波邊緣的干擾和失真，提供給相應采樣保持電路精確的采樣指令信號。進一步地，優選的結構是，所述光電二極管、線性放大電路，第一采樣保持電路，第二采樣保持電路，比較電路，精密基準電壓和激光二極管或普通發光二極管形成具有溫度自我補償回路。本發明跟傳統壓力傳感器相比具有以下優點傳統壓力傳感器基本上采用把壓力應變量直接作用于敏感元件上，敏感元件會受壓力大小做物理應變，容易產生滯后，疲勞和蠕變現象。傳統傳感器的主要器件敏感元件不能做溫度自我補償方式，即用敏感元件自己的溫度特性來補償自己的溫度誤差。只能做額外的修正和補償，很難達到跟敏感元件一樣的溫度特性。本發明顛覆了傳統壓力傳感器固有的工作方式。采用激光光束或普通發光二極管光束和光電管以非直接接觸方式檢測壓力應變量，消除了因敏感元件引起的滯后，疲勞和蠕變現象。利用激光束的特性可以制造出精度很高的壓力傳感器，對精度要求相對不是很高的壓力傳感器可以用普通發光二極管光束。光電二極管檢測激光光束或普通發光二極管光束的光通量，來反應壓力應變量， 因為光電二極管在光伏模式下有著非常精確的線性度，所以本發明無需做線性補償就有很高的精度。本發明是利用光束的光通量來檢測壓力應變量，光電二極管接收高速交替發射的穩定的和反應壓力應變量的兩束光束。當光電二極管接收穩定光束時，光電二極管的光伏輸出隨溫度變化的變化量就是光電二極管自身的溫度漂移量。當光電二極管接收反應壓力應變量的光束時，光電二極管的光伏輸出是壓力應變和溫度漂移的兩個變量。這樣只要用光電二極管接收穩定光束時產生的溫度漂移量來補償自己在接收壓力應變量光束時產生的溫度漂移，就達到了自我溫度補償的目的。溫度自我補償的好處是顯而易見，除了有很高的精確度，無需分別對每個敏感元件的溫度漂移做溫度補償校正，使生產工藝簡單化，降低了生產成本。
下面結合附圖對本發明進行詳細的描述，以使得本發明的上述優點更加明確。圖1為本發明最佳實施的結構剖面圖；圖2為本發明壓力敏感組件的結構底附圖；圖3為本發明的所述激光管或普通發光二極管和光電二極管之間的配合關系圖；圖4為本發明控制電路結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述。圖1為本發明最佳實施的結構剖面圖；圖2為本發明壓力敏感組件的結構底附圖。如圖所示，所述激光式壓力傳感器，包括壓力敏感組件1，控制電路2和外殼13。 壓力敏感組件1的信號通過連線11跟控制電路2連接。其中，壓力敏感組件1殼體用金屬或工程塑料等材料制成，構成壓力孔3，腔體4， 安裝有彈性膜片5，遮光片6，透光槽7，激光二極管或普通發光二極管9，12，光電二極管8， 10等。所述控制電路部分2由光伏線性放大，精密基準電壓，采樣保持，方波產生，斬波等，電流放大等電路組成。圖3為本發明的所述激光管或普通發光二極管和光電二極管之間的配合關系圖； 圖4為本發明控制電路結構圖。參照附圖4控制電路結構，方波產生電路輸出頻率幾千hz的方波Yl驅動Q2和經過倒向的方波^a驅動Q1，使激光二極管9，12以幾千hz的頻率交替發射光束。光電二極管8，10同時接收激光二極管9，12幾千hz的脈沖光束，此脈沖方波信號分別通過對應的光伏放大電路加以放大，再經過相應的采用保持電路輸出線性電壓。方波產生電路輸出的方波Yl同時輸入到斬波電路2和倒向電路，倒向后的方波Y2b輸入到斬波電路1，斬波電路1 和斬波電路2輸出的波形Y4，Y3分別輸入到采樣電路中，控制所需的采樣點。下面對激光式壓力傳感器的檢測壓力應變量的工作原理參照附圖1，附圖2和附圖3，光電二極管8接收由激光二極管12通過透光槽7發送波形為Y2a的脈沖光束。遮光片6處于激光二極管12，透光槽7和光電二極管8之間。 當壓力從壓力孔3進入到腔體4中，壓力彈性膜片5受壓力的作用變形，跟壓力彈性膜片5 一體的遮光片6向下運動。如壓力彈性膜片5受壓力大，遮光片6的運動幅度就大，遮擋住激光二極管12光束的面積多，通過的光束就小，光電二極管8受光面積小，光電二極管8的光伏脈沖輸出幅度就小。反之，如壓力彈性膜片5受壓力小，遮光片6的運動幅度就小，遮擋住激光二極管12光束的面積小，通過的光束就大，光電二極管8受光面積大，光電二極管 8的光伏脈沖輸出幅度就大，這樣就形成壓力的變化量轉變成光伏變化量的過程。參照附圖4，光電二級管8接收到波形為Yh的脈沖光伏變化量被輸入到線性放大 A加以放大，然后把放大后的脈沖光伏信號輸入到采樣保持1電路中。采樣保持1的采樣信號波形為W，由斬波電路1提供。由波形對照圖可以看出，斬波電路起斬掉方波Y2b邊緣的失真作用，波形料相應的波形是Y2b。因波形Y2b跟波形Yh是一樣，激光二極管12發射跟波形Y2b —樣的脈沖光束。由于采樣保持1的采樣信號波形為W，所以采樣保持1電路只采樣激光二極管12發射的脈沖光束光伏信號，激光二極管12發射的脈沖光伏信號經采樣保持1電路處理后變成線性的電壓，再通過差分放大器到電流放大電路中，最后把壓力變化量以電信號形式輸出。此外，下面對本發明進行溫度自我補償的工作原理描述參照附圖1，附圖2和附圖3，光電二極管8在接收前面所述激光二極管12光束的同時還接收激光二極管9的光束。跟光電二極管8和激光二極管12之間的關系不同，光電二極管8和激光二極管9之間沒有遮光片。光電二極管10處于激光二極管12和激光二極管9下面，光電二極管10同時接收激光二極管12和激光二極管9的光束。參照附圖4，溫度自我補償的關鍵是怎樣控制光電二極管8的光伏輸出不受溫度的影響。從電路中可以看出，激光二極管12和激光二極管9高速交替發射光束。光電二極管8輸出的是包含兩個光束信號的光伏電量，其中由激光二極管12光束產生的光伏量作為反應壓力應變量用，激光二極管9光束產生的光伏量作為溫度補償參考值。當光電二極管8受到溫度影響而使光伏量輸出產生誤差，其誤差量跟激光二極管 12和激光二極管9光束產生的光伏量一起通過線性放大A加以放大。此光伏量被輸入到采樣保持1和采樣保持2中。采樣保持1處理后的電壓信號前面已經描述過，故不再做描述。采樣保持2的采樣信號波形為Y3，由斬波電路2提供，由波形對照圖可以看出，波形TO 相應的波形是Y1。采樣保持2電路只采樣激光二極管9發射的脈沖光束光伏信號，激光二極管9發射的脈沖光伏信號經采樣保持2電路處理后輸出線性的電壓，此電壓包含溫度補償參考值和溫度誤差量，然后送入比較電路2跟精密基準電壓進行比較。比較電路2控制激光二極管9的發射功率使光電二極管8始終保持非常穩定的光伏電壓。由于檢測壓力變化量的光束是激光二極管12提供，激光二極管12光束發射功率必須跟激光二極管9 一樣才能起到補償壓力變化量的溫度誤差。參照附圖2和附圖3，光電二極管10處于激光二極管9和激光二極管12同平面的下方，同時接收激光二極管9和激光二極管12的脈沖光束。又參照附圖4，線性放大B電路把光電二極管10接收到的光伏信號放大，輸入到采樣保持電路3和采樣保持電路4。采樣保持電路3的采樣信號是波形為W，輸出的是激光二極管12的線性電壓。采樣保持電路4的采樣信號是波形為^，輸出的是激光二極管9 的線性電壓。把兩個電壓輸入到比較電路1進行比較，比較電路1調節激光二極管12的發射功率，使激光二極管12的發射功率和激光二極管9的發射功率相同。從以上描述可以看出，光電二極管8即是檢測壓力應變量的敏感元件同時又是檢測溫度漂移量的敏感元件，這樣就形成一個以精密基準電壓為參考值的精密溫度自我補償方案。需要注意的是，上述具體實施例僅僅是示例性的，在本發明的上述教導下，本領域技術人員可以在上述實施例的基礎上進行各種改進和變形，而這些改進或者變形落在本發明的保護范圍內。本領域技術人員應該明白，上面的具體描述只是為了解釋本發明的目的，并非用于限制本發明。本發明的保護范圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種激光式壓力傳感器，其特征在于，具體包括壓力敏感組件(1)、控制電路( 和外殼(13)，所述壓力敏感組件(1)的信號通過連線 (11)與所述控制電路( 連接在一起；其中，所述壓力敏感組件(1)的殼體形成壓力孔(3) 和腔體，其中，所述腔體⑷內部安裝有彈性膜片(5)、遮光片(6)和透光槽(7)、激光二極管或普通發光二極管(9) (12)和光電二極管(8)和光電二極管(10)，其中，所述光電二極管(8)接收激光二極管或普通發光二極管(9)和激光二極管或普通發光二極管(1 通過透光槽(7)的光束，其中光電二極管⑶和激光二極管或普通發光二極管(12)之間有遮光片(6)；所述光電二極管(10)接收激光二極管或普通發光二極管(9)和激光二極管或普通發光二極管(1 的光束。
2.根據權利要求1所述的激光式壓力傳感器，其特征在于，所述壓力敏感組件(1)的殼體用金屬或工程塑料等材料制成。
3.根據權利要求1所述的激光式壓力傳感器，其特征在于，所述控制電路( 由多個光伏線性放大，精密基準電壓，采樣保持，方波產生，斬波、電流放大電路組成。
4.根據權利要求1所述的激光式壓力傳感器，其特征在于，所述激光二極管或普通發光二極管(9)和激光二極管或普通發光二極管(1 以交替的方式發射光束，其中激光二極管或普通發光二極管(1 產生的光束應用于檢測壓力應變量，激光二極管或普通發光二極管(9)產生的光束應用于檢測溫度補償，光電二極管(10)檢測激光二極管或普通發光二極管(9)和激光二極管或普通發光二極管(1 的光束發射功率是否相同。
5.根據權利要求4所述的激光式壓力傳感器，其特征在于，所述光電二極管(8)是用于檢測反應壓力應變量的敏感元件和用于檢測溫度漂移的敏感元件。
6.根據權利要求5所述的激光式壓力傳感器，其特征在于，所述光電二極管(8)與線性放大電路組成光伏放大電路，使壓力應變量轉換成電信號。
7.根據權利要求5所述的激光式壓力傳感器，其特征在于，第一采樣保持電路和第二采樣保持電路分離出反應壓力應變量的電壓信號和溫度誤差量信號。
8.根據權利要求4所述的激光式壓力傳感器，第三采樣保持電路和第四采樣保持電路分離出反應激光二極管或普通發光二極管(9)和激光二極管或普通發光二極管(1 光束強度的信號，兩信號送入比較電路中用于調整激光二極管或普通發光二極管(1 跟激光二極管或普通發光二極管(9)的光束功率一致。
9.根據權利要求7所述的激光式壓力傳感器，其特征在于，所述第一斬波電路和第二斬波電路斬掉方波邊緣的干擾和失真，提供給相應采樣保持電路精確的采樣指令信號。
10.根據權利要求7所述的激光式壓力傳感器，其特征在于，所述光電二極管(8)、線性放大電路，第一采樣保持電路，第二采樣保持電路，比較電路，精密基準電壓和激光二極管或普通發光二極管(9)形成具有溫度自我補償回路。
全文摘要
本發明公開了一種激光式壓力傳感器，具體包括壓力敏感組件、控制電路和外殼，所述壓力敏感組件的信號通過連線與所述控制電路連接在一起；其中，所述壓力敏感組件的殼體形成壓力孔和腔體，其中，所述腔體內部安裝有彈性膜片、遮光片和透光槽、激光二極管或普通發光二極管和光電二極管和光電二極管，其中，所述光電二極管接收發光二極管和激光二極管或普通發光二極管通過透光槽的光束，其中光電二極管和激光二極管或普通發光二極管之間有遮光片；所述光電二極管接收激光二極管或普通發光二極管和激光二極管或普通發光二極管的光束。
文檔編號G01L1/24GK102359838SQ20111022870
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月10日 優先權日2011年8月10日
發明者陳擁軍 申請人:陳擁軍