專利名稱：用于壓力變送器的壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及過程控制工業。更具體地，本發明涉及在壓力變送器中 的壓力傳感器。
背景技術：
在過程應用中，壓力變送器測量過程的壓力并且響應地通過兩線式
過程應用回路傳達信息，所述回路例如是4-20 mA電流回路。在變送器 中的壓力傳感器通常包括某一類型的壓力響應結構，該結構具有響應于 施加的壓力而移動的可撓曲的隔膜。可應用這些結構測量絕對壓力和差 壓。這里使用的術語"差壓傳感器"是一種在相對寬的絕對壓力范圍內 測量相對小的壓差(例如跨越流量管的管口或在充滿流體的容器的兩個 不同高度之間產生的壓差)的傳感器。在現有技術的典型的變送器中， 為了測量差壓，兩個不同的壓力施加至所述結構的兩個相對側面上，從 而在所述結構中引起可以被測量的相對的形變。例如，通過電阻應變儀 等的電阻變化測量由于承載在所述結構上的電容器板的移動導致的電容 的變化，可實現所述形變的測量。
高精確度的絕對壓力傳感器是一直被期望的。采用兩個分離的絕對 壓力傳感器在機械上比機械耦合兩個壓力至差壓傳感器簡單很多，因此 用兩個分離的絕對壓力傳感器測量差壓也可能是更被期望的。此外，在 這樣的差壓傳感器中過壓力條件可能損壞所述差壓傳感器。然而， 一直 以來很難獲得具有充分精確度的絕對壓力傳感器，以允許在器件中測量 在0.4 psi (磅/平方英尺)至40 psi范圍內的差壓，所述器件必須耐受靜 態的或線壓力極限高達4000 psia (絕對壓強)。例如，0.01%的4 psid需 要0細01%的4000 psia (10-7或O.lppm)。
在過程應用中使用的已知的典型的壓力傳感器具有在感測壓力靈敏 度上的單元至單元(unit-to-unit)的變化以及對諸如溫度的外部參數的不希望的響應的單元至單元的變化。當兩個絕對或計示壓力傳感器的輸出 被結合以提供代表差壓的輸出時，或當所述傳感器在一個大的壓力范圍 上使用時，這可能是一個特殊的問題。此外，與安裝所述傳感器至所述 壓力變送器相關的機械應力可能導致在壓力測量上的相對大的誤差。
在轉讓給Rosemount公司的由Sittler等發明的題目為"用于壓力變 送器的壓力傳感器"并于2002年11月26日授權的美國專利6484585中 描述了另一種類型的壓力傳感器。Sittler等的專利描述了由脆性材料制成 的一種不同類型的壓力傳感器。電容板由所述材料形成并且響應于施加 的壓力，所述電容板之間的間距發生變化。這引起了所述板之間的電容 發生變化，該電容可被測量并且與所述施加的壓力相關聯。

發明內容
一種壓力傳感器包括響應于施加的壓力形變的結構。光源對準所述 的結構。這提供了來自所述結構的反射。傳感器被布置用以感測所述反 射并且提供與所述施加的壓力相關的輸出。


圖l是一種過程控制或監視系統的簡化圖2是一種可形變的壓敏體的透視圖3是用于顯示穿過所述可形變的壓敏體的反射光的圖4是可形變的壓敏體的圖5是包括可形變的壓敏體的壓力變送器的圖6顯示了根據本發明的壓力傳感器的另一個實施例的配置的平面 視圖；禾口
圖7顯示了根據本發明的壓力傳感器的另一個實施例的配置的平截 面視圖。
具體實施例方式
在本發明中，提供了一種具有響應于施加的壓力發生形變的結構的 壓力傳感器。光對準所述的結構，并且它的反射被觀測以及相關聯于所述施加的壓力。在一些現有技術的配置中，通常使用單頻光源，由其產
生的反射用于測定隔膜的撓曲(deflection)。然而，在這樣的配置中，對 于隔膜的多種撓曲，所述反射的頻率周期性地重復。因而，不利用一些 其他的技術，不可能確定頻率的哪一個周期性重復被觀測，并且因此不 可能測定所述隔膜的撓曲。相反地，在本發明的一個配置中使用多頻用 以測定由一對基板形成的隔膜構造的撓曲。
圖1顯示了一種類型的包括過程管道12的工業過程控制或監視系統 10，其中本發明的壓力傳感器是可適用的。在這個例子中，顯示了連接 至管道12的壓力變送器14并且通過兩線式過程控制回路18提供信號給 控制室16。來自變送器14的輸出與在過程管道12中輸送的過程流體的 壓力相關。在一些配置中，使用兩線式過程控制回路18以發送信號和提 供電力給變送器14。回路18能根據任何適合的技術運行，諸如包括4-20 mA標準、HART 通信協議、FieldBus通信協議等的己知標準。此外， 所述控制回路可無線運行等。
圖2是大致透明或半透明材料的可形變的壓敏體50的透視圖。例 如，可形變的壓敏體50可根據轉讓給Rosemount公司的由Sittler等在美 國專利號為6， 484， 585、題目為"用于壓力變送器的壓力傳感器"中闡 述的技術制備，其于2002年11月26日授權，通過引用這篇文獻的全文 將其并入本文中。例如，可形變的壓敏體50可由藍寶石、硅、紅寶石、 石英、金剛石形成，并且其可包括單晶材料。體50包括形成于其中的空 腔52。隨著施加壓力P于體50，空腔52的內壁54之間的間距變化。
例如，體50可由兩個或多個脆性材料的基板形成，其通過在壓力下 將所述基板放置在一起和可選擇性地施加熱能熔融結合在一起。這種構 造降低了在體50中的缺陷的數量，并且改善了在所述間距d的變化和施 加的壓力P之間的關系的可重復性。
圖3是顯示本發明操作的可形變體50的橫截面視圖。在圖3中，通 過使用光源60和分光計62形成壓力傳感器58。元件62可以是包含 CCD探測傳感器的任何適合的探測器。光源60被配置以朝向體50引導 光束64。光束64的一部分64A在壁54和空腔52之間的一個界面上反 射，而第二部分64B在空腔52和壁54之間的另一個界面上反射。傳感器62被定位以接收包括反射的部分64A和64B的光束64。所述反射的 部分64A和64B引起了在它們之間的干涉，該干涉對某一波長是相長的 或是破壞性的。所述干涉是在空腔52的兩壁54之間的間距d的一個函 數。由于所述間距d隨著施加的壓力P的變化而變化，因此來自分光計 62的輸出66可與所述施加的壓力P相關聯。
在一個配置中，空腔52包括諸如油的流體。隨著所述間距d的變 化，所述油膜的厚度同時變化。采用反射光譜，所述反射光的顏色變化 可通過傳感器62被感測到并且與所述施加的壓力P相關聯。在這樣的配 置中，隨著所述間距d的減小，提供用于接收容納在空腔52中的油的貯 存器55 (reservoir)。類似地，隨著間距d的增加，貯存器55供給油用以 填充所述增加的容量。用于填充空腔52的流體應該能吸收一些光，因而 允許所述反射光譜觀測在距離d上的變化。
在另一個配置中，例如所述空腔52可包括在被觀測的反射光之間的 相長的/破壞性的干涉中的真空。通過使用干涉測量，使用帶有諸如圖3 中顯示的光柵57的衍射(defraction)光柵的分光計監視所述反射光。所 述光柵可以是在所述分光計62中的部件。如果不使用分光計，例如通過 使用一維CCD探測器，那么可使用外部的光柵。傳感器62可以包括線 性的CCD。所述光柵57提供了具有改變的強度水平的干擾(disbursed) 圖案。通過所述反射光的干涉造成改變的強度水平。對于多種壓力重復 這些圖案。在通常采用衍射光柵的現有技術中，每一次使用所述系統或 如果失去電力(停電)，所述壓力傳感器58必須被重新特征化。然而， 一方面，本發明包括諸如存儲器104 (參見圖5)的存儲器，其被配置以 儲存跨越一定壓力范圍的反射光的光譜特性。因而，當系統失去電力 時，所述壓力傳感器不需要最初的再校準。
所述光源60可以是任何適合的光源，例如包括激光器。所述光束64 可以是任何合適的形式并且不需要是相干光。另外，所述光不需要是可 見光并且可以是任何合適的波長的電磁輻射。類似地，所述傳感器62可 以是優選對光束64靈敏的任何合適的傳感技術，例如一維線性CCD陣 列。將光譜的圖像投影到一維線性CCD陣列62上。通過A/D變換器 100 (參見圖5)將相應于所述壓力的數據傳送給存儲器104。當壓力變化時，空腔長度d變化并且光譜發生變化。通過由控制器103執行的與
在存儲器104內儲存的數據對比，探測所述壓力的變化。如果存儲器104 包括非易失性存儲器104，甚至停電時，所述系統仍然將壓力數據和光 譜數據保持在存儲器104中。
圖4是包括壓力傳感器58的壓力傳感器模塊70的一個實施例的橫 截面視圖。壓力傳感器模塊70包括充滿隔離流體74的密封殼體72。所 述體50使用例如支撐件懸浮在所述流體中，或可以被安裝在光纖80 上。例如，隔離流體可以是油或類似物，其基本上是不可壓縮的。隔離 隔膜76在殼體72的開口上延伸以使得施加至隔離隔膜76的施加的壓力 P跨越隔膜76傳送至隔離流體74。因此隔離流體74施加所述壓力P給 體50。
在圖4中，顯示了體50具有兩個部分扁平部分50A和蝕刻部分 50B。例如，所述部分50A和50B通過使用熔融結合被結合在一起以形 成所述空腔52。光纖80延伸至殼體72中，并且有一個對準體50的尖 端。光纖80將光束64 (參見圖3)從光源/傳感器60/62耦合至體50。在 圖4中示出的配置中，光源60和傳感器62作為單個部件示出。
在一些壓力傳感器的配置中，傳感器主體的管芯必須延伸至傳感器 封裝體的外部，從而將所述傳感電容器與所述體形成電連接。這需要相 對大的密封裝置圍繞所述傳感器主體的管芯延伸。此外， 一些傳感器具 有矩形橫截面，其產生了尖角，這是難以密封的。可用黃銅制備這樣的 密封裝置。然而，黃銅可施加大的力給所述傳感器管芯，并因此在測量 中引入不準確性。
優選地，所述光纖80具有圓形的橫截面，并且因此不具有任何尖 角。例如，所述光纖可以是直徑為125 )im量級的，因而只需要周長為 0.015英寸以密封所述光纖80進入殼體72的地方。所述密封裝置81 (參 見在圖4中的改變)可采用包括蒸(braising)或其他技術的任何合適的 技術形成。隔離隔膜76可以是金屬薄層并且可采用在壓力變送器的制造 中已知的技術制備。盡管兩個實施例顯示了與過程流體隔離的傳感器主 體50，可以理解其他的實施例可提供將傳感器直接接觸過程流體。提供輸出66至過程電子設備82。注意到如果光束64包括單頻，可 被準確感測的最大撓曲距離d被限制于該單頻的一個波長。這是因為對 于大于一個波長的撓曲干涉圖案會重復，并且所述過程電子設備82不能 區別所述重復圖案。然而，如果在光束64中使用多頻，那么會產生更加 復雜的圖案。所述更加復雜的圖案可被映射至體50的間距d的撓曲并且 該撓曲大于一個波長，從而允許用于所述壓力傳感器58的擴大了的操作 范圍。在這樣的配置中，光源60包括多頻光源。在一個例子中，所述光 源掃描過大約250 nm至大約700 nm的范圍并且可觀測所述反射光的強 度。所述強度圖案可以被特征化并且與所述施加的壓力相關聯。在一個 配置中，由于這種頻率掃描可能花幾秒鐘，所述掃描只是間歇性地被執 行。 一旦采用反射光譜技術測定所述施加的壓力，通過使用單頻可連續 監視所述壓力。如上面討論的，當使用單頻時，不可能知道許多個撓曲 位置中的哪一個引起了反射光。這是因為反射光周期性地重復。例如， 所述反射光可能對基板之間的多個間距呈現同樣的顏色，例如在2500 埃、4000埃、8500埃以及12000埃的間距上。所述反射光的頻率對于這 些間距中的每一個是同樣的。然而，通過周期性地使用多頻技術以測定 實際的撓曲，單頻技術可被應用于更加迅速地更新所述壓力測定中。如 果單頻測量技術顯示在隔膜之間的撓曲正在快速變化，可周期性地或更 加頻繁地重復所述多頻技術。
圖5是連接至過程管道12和包括壓力傳感器模塊70的變送器14的 簡化圖。在圖5的配置中，提供來自光源/傳感器60/62的所述輸出66給 模擬至數字轉化器100。提供來自模擬至數字轉化器100的輸出給控制器 102，該控制器102可包括例如微處理器或類似物。控制器102根據儲存 在存儲器104中的程序指令運行，并且提供輸出106給輸入/輸出電路 108。所述輸出106相關聯于所述施加的壓力P。 I/O電路108耦合至兩 線式控制回路18并且被配置以傳送與所述施加的壓力P相關聯的輸出。 在一些配置中，I/O 108包括可應用于變送器14的功率電路的功率輸出。
優選地，所述傳感器主體由至少一部分透明材料形成，以使得所述 光能進入所述材料并被反射。圖6顯示了本發明的另一個實施例的配置120，其中所述壓力傳感器
通過直接耦合光纖122至可形變傳感器主體124形成。所述光纖122包 括覆蓋層123和芯125。所述可形變傳感器主體優選地包括結合至光纖 122的端部的透明脆性材料。在這個配置中，上述討論的第一和第二層由 傳感器物體124的層126和在光纖122的所述端部設置的面128形成。 在一種特定的配置中，所述主體124可包括直接密封結合至光纖122的 尖端的蝕刻的藍寶石晶片。
圖7顯示了本發明的另一個實施例的配置，其中所述可形變傳感器 主體124通過使用薄藍寶石隔膜130形成，該藍寶石隔膜130被熔融至 在中心形成有孔131的薄藍寶石圓盤129上。藍寶石圓盤129提供了在 薄藍寶石隔膜130的表面和光纖122的端部之間的間隔體。注意到所述 隔膜130和圓盤129能是任何合適的構形并且不限于此處討論的圓形的 構形。所述圓盤129被熔融至藍寶石纖維122上。任何合適的材料可以 被使用，包括石英，并且所述纖維可以包括標準光纖。這種構形允許在 厚度、平行的取向和所述隔膜的表面光潔度上的改善了的控制。這也更 容易地允許隔膜和光纖的尖端更接近平行。所述孔或間隙131也更容易 地被控制和制備。所述隔膜130本身可以是如期望的那樣被分離地制備。
一方面，本發明涉及肥皂泡或在水上的薄油膜上發生的已知的效 果。這個效果被用來測定薄膜的厚度。例如，在肥皂泡上可以看到許多 顏色，其根據層的厚度變化，例如當肥皂泡被鼓起來時。這些"在薄層 上的顏色"是基于干涉現象，即光波的疊加，所述光波在所述層的前面 和后面(在不同光學密度的兩個邊界上)發生反射。
兩個反射光線1和2的未受干擾的疊加導致在白光連續光源(例如 鹵素光譜燈作偽白光光源)的光譜中的周期性的增強和消失。
由于兩個光線疊加不是純粹地相加，發生了所謂的干涉。例如，通 過具有耦合器的光導纖維光纜照亮所述傳感器，其連接至所述分光計和 鹵素燈。所述反射的干涉光譜被引導返回至所述分光計，在那里被分 析，并計算所述空腔長度d的變化。盡管參考優選實施描述了本發明，但本領域技術人員將會認識到 在不偏離本發明的實質和范圍的情況下，可以做一些形式與細節的變 動。如上討論的，本發明的多頻技術用作單頻技術的補充而被執行。在 這樣的配置中，使用多頻測量技術以測定所述基板之間的真實距離。使 用所述單頻技術進行隨后的測量。如果所述單頻測量技術顯示了基板之 間的間距正在快速地變化，可以周期性地或更頻繁地重復多頻測量。使 用多頻光源來執行本發明所述多頻測量技術，在該光源中同時提供多個 頻率，或使用隨時間移動通過一個頻率的多頻光源。所述頻率范圍可以 是連續的范圍或者它是離散的階段。任何適合的薄膜材料可以被使用， 包括油、空氣、其它的氣體或液體等。本發明包括使用反射光譜以測定 光譜的變化(光譜的偏移/移動)，從而測量與壓力變化相關聯的空腔的變 化。
權利要求
1. 一種壓力傳感器，包括第一層；第二層，該第二層與第一層間隔開，其中，在所述第一層和第二層之間的間距與施加的壓力相關聯；填充材料，該填充材料在所述第一層和第二層之間；光源，該光源對準所述填充材料，從而提供來自所述填充材料的反射；和光傳感器，該光傳感器被布置以感測所述反射和基于所述反射提供與施加的壓力相關聯的輸出。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一層和第二層是脆性 透明材料。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一層和第二層由可形 變的壓敏體形成。
4. 根據權利要求3所述的裝置，其包括形成于所述可形變的壓敏體 中的空腔，該空腔限定了所述第一層和第二層之間的間距。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一層和第二層包括單 晶材料。
6. 根據權利要求1所述的裝置，包括光纖，該光纖被配置以將來自 光源的光朝向所述第一層和第二層引導。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其中，所述光纖延伸穿過一殼體， 該殼體包括所述第一層和第二層。
8. 根據權利要求1所述的裝置，其包括殼體，該殼體包括第一和第 二層，該殼體填充有隔離填充流體。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其包括安裝于所述殼體上的隔離隔 膜，所述隔離隔膜隔離過程流體與所述填充流體，并將所述過程流體的 壓力傳遞至所述填充流體。
10. 根據權利要求1所述的裝置，包括I/O電路，該I/O電路被配置 以向與施加至所述壓力傳感器的壓力相關的過程控制回路提供輸出。
11. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二層被結合在 一起并且在它們之間形成空腔。
12. 根據權利要求11所述的裝置，其中，所述的第一和第二層通過熔 融結合被結合在一起，并且所述空腔被密閉密封。
13. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二層包括藍寶石。
14. 根據權利要求1所述的裝置，包括控制器，該控制器被配置以基 于所述干涉提供與所述施加的壓力相關的輸出。
15. 根據權利要求所述的裝置，其中，使所述光源通過一頻率范圍掃 描以提供多頻。
16. 根據權利要求l所述的裝置，其中，所述光源同時提供多頻。
17. 根據權利要求1所述的裝置，包括用以接收所述填充材料的貯存器。
18. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述填充材料包括油。
19. 一種檢測過程流體的壓力的方法，包括.-施加壓力至具有間隔開的第一和第二層的可形變壓敏體，并且因此 引起在所述第 一和第二層之間的間距的變化；將光源對準所述第一和第二層并且產生來自在所述第一層和第二層 之間的填充材料的反射；感測所述反射；和基于所述第一和第二層的反射提供與所述施加的壓力相關聯的輸出。
20. 根據權利要求19所述的方法，包括提供用以接收所述填充材料的貯存器。
21. 根據權利要求19所述的方法，其中，所述填充材料包括油。
22. —種被配置以感測過程流體的壓力的裝置，包括 壓力傳感器主體，包括第一層；第二層，該第二層與所述第一層間隔開，其中，在所述第一和第 二層之間的間距與施加的壓力相關；光源，該光源對準提供反射的所述壓力傳感器主體； 光傳感器，該光傳感器被布置以感測所述反射并且基于所述反射 提供與所述施加的壓力相關聯的輸出；非易失性存儲器，該非易失性存儲器被配置以存儲與來自所述壓 力傳感器的反射光譜相關的數據和所述壓力傳感器的當前狀態； 禾口控制器，該控制器具有與所述過程流體的壓力相關的輸出，該輸 出為所述感測的反射和存儲的數據的函數。
23. 根據權利要求22所述的裝置，其中，所述第一和第二層包括脆 性透明材料。
24. 根據權利要求22所述的裝置，其中，所述第一和第二層由可形變 壓敏體形成。
25. 根據權利要求22所述的裝置，其包括殼體，該殼體包括所述壓力 傳感器主體，所述殼體填充有隔離填充流體。
26. 根據權利要求22所述的裝置，其包括I/O電路，該I/O電路被配 置以向與所述過程流體的壓力相關的過程控制回路提供輸出。
27. 根據權利要求22所述的裝置，其中，所述光源包括光柵。
28. —種檢測過程流體的壓力的方法，包括施加壓力至具有間隔開的第一和第二層的可形變壓敏體，并且因此 引起在所述第 一和第二層之間的間距的變化；將光源對準所述第一和第二層并且產生來自所述第一層和第二層的 反射；感測所述反射；將所感測的反射與存儲在非易失性存儲器中的與反射光譜和所述壓 敏體的傳導體相關的數據進行比較；和基于所述第一和第二層的反射提供與所述施加的壓力相關聯的輸出。
29. 根據權利要求28所述的方法，包括在感測所述反射之前，將所述 反射穿過光柵。
30. —種用于測量過程流體的壓力的裝置，包括-、主體，該主體響應于施加的壓力形變；光源，該光源對準所述主體；傳感器，該傳感器被配置以感測來自所述主體的光譜； 存儲器，該存儲器被配置以存儲光譜數據；和控制器，該控制器被配置以將所述被感測的光譜與所述存儲的光譜 數據對比，并提供與所述施加的壓力相關的輸出。
31. 根據權利要求30所述的裝置，其中，所述傳感器包括CCD傳感器。
32. 根據權利要求30所述的裝置，其中，所述傳感器包括光柵。
33. —種壓力傳感器，包括 具有端部的光纖；可形變的結構，該可形變的結構被結合至所述光纖的所述端部，且 具有響應于施加的壓力相對于所述光纖的端部形變的表面；光源，所述光源通過所述光纖被引導至所述光纖的所述端部和所述 表面，從而所述表面反射來自光源的光；和光傳感器，該光傳感器被布置以感測來自所述表面的反射和基于所 述反射提供與所述施加的壓力相關的輸出。
34. 根據權利要求33所述的裝置，其中，所述可形變的結構是密封地結合至所述光纖。
35. 根據權利要求33所述的裝置，其中，所述可形變的結構包括藍寶石。
36. 根據權利要求33所述的裝置，其中，所述可形變的結構的表面與所述光纖的所述端部間隔開。
37. 根據權利要求33所述的裝置，其中，所述可形變的結構的表面大致與所述光纖的所述端部平行。
全文摘要
一種壓力傳感器(58)包括響應于施加的壓力(P)形變的結構(54)。光源(60)對準該結構。這提供了來自所述結構的反射。傳感器(62)被布置用以感測所述反射并且提供與所述施加的壓力(P)相關的輸出(66)。
文檔編號G01L9/00GK101449139SQ200780018610
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月18日 優先權日2006年5月23日
發明者盧良駒, 阿德里安·C·托伊 申請人:羅斯蒙德公司