專利名稱:應(yīng)力雙折射壓力傳感器的制作方法
本發(fā)明屬于非電量電測技術(shù)領(lǐng)域：
目前，在動(dòng)態(tài)壓力測量中，具有高頻率響應(yīng)的壓電式壓力傳感器占有很重要的地位。但它并不適用于靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)的測量條件中。另一方面，在壓電式變換器的結(jié)構(gòu)中及二次儀表的輸入回路中對(duì)絕緣電阻值要求很高，并且對(duì)放大電路要求也較高。本發(fā)明便是在保留壓電式傳感器高頻率響應(yīng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足準(zhǔn)靜態(tài)及靜態(tài)壓力測量的一種應(yīng)力雙折射壓力傳感器。
圖1是應(yīng)力雙折射壓力傳注器的結(jié)構(gòu)圖，圖2是其光路布置，圖1、2中(1)-入射光導(dǎo)纖維，(2)-光導(dǎo)纖維端套，(3)-傳感器體，(4)-偏振器，(5)-應(yīng)力雙折射體，(6)-出射光導(dǎo)纖維，(7)-承壓體，(8)-墊片，(9)-密封膜片，(10)-壓緊螺釘，(11)-白熾燈光源，(12)-透鏡組，(13)-遮光罩，(14)-光敏元件。
本發(fā)明主要點(diǎn)是利用光學(xué)系統(tǒng)完成壓力-電量的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明由偏振器，應(yīng)力雙折射體、光敏元件，光導(dǎo)纖維及承壓體等部件構(gòu)成。本發(fā)明由入射光導(dǎo)纖維引入的光束透射過置于兩正交偏振器中間的應(yīng)力雙折射體，再由出射光導(dǎo)纖維將光束引至光敏元件。壓力信號(hào)經(jīng)承壓體作用于應(yīng)力雙折射體，由偏振器轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆鈴?qiáng)度的變化，光敏元件將這種光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，這就構(gòu)成了一個(gè)用來測量壓力的應(yīng)力雙折射壓力傳感器。其工作原理為某些各向同性的物質(zhì)在受到一確定方向的力作用時(shí)，就轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋缘奈镔|(zhì)，并顯示雙折射性質(zhì)。本發(fā)明以一塊形狀為六面體(其中正六面體最佳)應(yīng)力雙折射體(應(yīng)力雙折射體可用玻璃，或石英玻璃，或環(huán)氧樹脂等材料所制成)為被測壓力的作用體。用透鏡組(如圖2)將普通白熾燈光源所產(chǎn)生的光束聚焦后由入射光導(dǎo)纖維引入位于應(yīng)力雙折射體一側(cè)的偏振器，并使這一光束沿垂直于壓力作用的方向通過該應(yīng)力雙折射體。于是在光線傳播方向上兩主折射率ne及n1ne-n1＝C.P
式中C為常數(shù)。
兩主折射率之差同光程差δ之間存在如下關(guān)系δ＝C·P·h式中h為應(yīng)力雙折射體在透光方向上的長度。
為了將這種與作用力呈線性關(guān)系的光程顯示出來，本發(fā)明又在應(yīng)力雙折射體兩側(cè)布置了正交的偏振器，偏振器可用微晶二色性型人造偏振片，分子二色性型人造偏振片或薄玻璃所構(gòu)成的玻片堆起偏器。偏振片可用聚氨酯膠劑劑或酚醛膠粘劑粘接在應(yīng)力雙折射體兩個(gè)側(cè)面上，而且兩偏振片相正交，這樣由光導(dǎo)纖維引入的光強(qiáng)為I0的光束其透射光強(qiáng)可以表示為壓力P的函數(shù)。
I＝I0sin2( (π)/(λ) C·P·h)壓力通過承壓體作用于應(yīng)力雙折射體。當(dāng)壓力變化時(shí)，透射光強(qiáng)度相應(yīng)產(chǎn)生變化，這一改變了光強(qiáng)的光束再通過應(yīng)力雙折體另一側(cè)的偏振器，由光導(dǎo)纖維傳至光敏元件(光敏元件可是硅光電池，光電管，光敏電阻或光敏晶體管)，光敏元件將感受這種光強(qiáng)度的變化，將其轉(zhuǎn)變，為電信號(hào)最后由由二次儀表，如電壓放大器示波器等，進(jìn)行信號(hào)處理，并且示記錄下來。
由于采用了與壓電式變換器中同樣的石英玻璃材料做為壓力轉(zhuǎn)換體故彈性模量的一致保證了它們具有同樣高的頻率響應(yīng)特性，而且本傳感器本身的特性對(duì)高頻，低頻及靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)是一致的。以環(huán)氧樹脂作為壓力變換器，其靈敏度高于石英材料的壓力轉(zhuǎn)換體，可用于對(duì)頻率響應(yīng)要求不高的測量中，本發(fā)明主要由光學(xué)元件構(gòu)成，故不受電，磁場等外界干擾的影響，而且靈敏度高，可在不加前置放大器的條件下工作，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可適用于低壓，中壓和高壓的壓力測量中。
應(yīng)力雙折射壓力傳感器實(shí)施例應(yīng)力雙折射體是一個(gè)形為正六面體(長×寬×厚＝4×4×3毫米)的石英玻璃(6)，沿光束傳播方向用聚氨酯膠粘劑將二片分子二色性型偏振片(4)正交地粘貼在玻璃二側(cè)。
光導(dǎo)纖維(1)，(6)直徑2毫米，長1米，用其端部的端套(2)固定在傳感器體(3)上，T形承壓體一端與玻璃接觸，直徑為6毫米，另一端直徑可在2～5毫米之間選擇，改變這個(gè)直徑尺寸則可以改變作用在玻璃上的力，從而改變了測量壓力的量程。厚0.1毫米的密封膜片被壓緊螺釘(10)壓靠在墊片(9)上，其作用是密封被測壓力。端套，承壓體，密封膜片及墊片均用不銹鋼制成。
出射光導(dǎo)纖維的另一端與4×4毫米硅光電池(14)接觸。遮光罩(13)是為了防止外界的雜光干擾而設(shè)置的。
光源(11)采用的是光強(qiáng)度較高的小型碘鎢燈泡。實(shí)驗(yàn)表明由硅光電池輸出的測量電壓值在不加放大器的情況下就可以由電子示波器進(jìn)行測量，在進(jìn)行放大及信號(hào)處理后則可以獲得更大的功率輸出。
圖3為本實(shí)施例標(biāo)定曲線。圖中A、B、C分別于大同的入射光強(qiáng)I0值。縱坐標(biāo)是硅光電池輸出的未經(jīng)放大及信號(hào)處理的電壓值。橫坐標(biāo)是作用于傳感器上的壓力值。本實(shí)施例測量范圍為0～70公斤/厘米。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)力雙折射壓力傳感器，其特征在于它由光導(dǎo)纖維，偏振器，承壓體，應(yīng)力雙折射體和光敏元件構(gòu)成，由入射光導(dǎo)纖維(1)引入的光束透射過置于兩正交偏振器(4)中間的應(yīng)力雙折射體(5)，再由出射光導(dǎo)纖維(6)將光束引至光敏元件(14)，壓力信號(hào)經(jīng)承壓體(7)作用于應(yīng)力雙折射體，由偏振器轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆鈴?qiáng)度的變化，光敏元件將這種光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。
2.按照權(quán)利要求
1所述的應(yīng)力雙折射壓力傳感器，其特征在于所述的應(yīng)力雙折射體是由玻璃或石英玻璃或環(huán)氧樹脂材料所制成的六面體。
3.按照權(quán)利要求
1所述的應(yīng)力雙折射壓力傳感器，其特征在于所述的光敏元件是硅光電池;光電管;光敏電阻或光敏晶體管。
4.按照權(quán)利要求
1所述的應(yīng)力雙折射壓力傳感器，其特征在于所述的偏振器是微晶二色性型人造偏振片;分子二色性型人造偏振片或是薄玻璃所構(gòu)成的玻片堆起偏器。
5.按照權(quán)利要求
2所述的六面體，其特征在于正六面體最佳。
專利摘要
一種應(yīng)力雙折射壓力傳感器，用光學(xué)系統(tǒng)完成壓力一電量的轉(zhuǎn)換，從而解決了壓電式傳感器不適于靜態(tài)測量的問題，同時(shí)具有與壓電傳感器同樣高的頻響特性，可適用于低壓，中壓和高壓的壓力測量中。
文檔編號(hào)G01L1/24GK85102177SQ85102177
公開日1986年3月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者王子延 申請人:西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan