TWI803006B - 壓力感測器 - Google Patents

Abstract

本發明之壓力感測器，係包括第一作用件、第二作用件、受力件以及光纖光柵，其中，於壓力感測器受有施力時，使該第一作用件向該第二作用件移動而夾壓該受力件，致該光纖光柵之中心波長產生變化，即可分析光纖光柵之中心波長飄移量，以得到所受之施力的實際數值，據之達到量測壓力之目的。

Description

壓力感測器

本發明為一種壓力感測器，尤指一種使用光纖光柵而可量測壓力之壓力感測器。

物體之重量或環境之壓力(例如氣壓或液壓等)之量測，通常利用壓力感測器進行重量或壓力值之感測，據以將所受之壓力或重量轉換為對應之數值，使用者即可利用壓力感測器量測物體之重量或環境之壓力。

習知之壓力感測器往往為電子式感測器，例如壓電感測器於承受壓力時，將產生電性變化，依據電性變化之程度，以產生對應之電氣訊號輸出，使用者即可依據該電氣訊號轉換為壓電感測器所受之該壓力的真實數值。惟，電子式感測器存在金屬氧化之問題，即電子式感測器隨時使用時候愈久，將產生金屬氧化，其將影像感測器量測之數值的精準度，更甚者，將造成感測器損壞，致無法提供量測之功能。

鑑此，若能找出一種非電子式之壓力感測器，特別是，結構簡單，使用壽命長之感測器，避免因金屬氧化所造成之感測器的量測精準度以及使用壽命之問題，此將成為目前本技術領域人員極力追求之目標。

有鑑於上述問題，本發明提出一種壓力感測器，係包括：第一作用件，係包括凸部；第二作用件，係包括對應該凸部之凹部；受力件，係位於該凸部以及該凹部之間；以及光纖光柵，係固定於該受力件，其中，於該凸部向該凹部移動而夾壓該受力件時，使該光纖光柵之中心波長產生變化。

於一實施例中，該第一作用件之該凸部係為第一凸塊，而該第二作用件係包括設於該第二作用件之側面的二第二凸塊，該二第二凸塊之間形成對應該第一凸塊之凹部。

於一實施例中，該第二作用件復包括具有容置空間以容置該受力件以及該光纖光柵之容置主體，該第一作用件復包括蓋設於該容置主體以使該容置空間形成密閉空間之蓋體。

於一實施例中，該蓋體係自如滑動地設於該容置主體之內側壁或外側壁。

於一實施例中，本發明復包括設於該第一作用件與該第二作用件之間的至少一彈性件。

於一實施例中，該至少一彈性件係為至少一彈簧或彈性膠。

於一實施例中，本發明復包括設於該容置主體與該蓋體之間的彈性件。

於一實施例中，該容置主體係開設貫穿側壁之至少一開孔，該光纖光柵係具有至少一光纖，該光纖自該光纖光柵之一端延伸，且經對應之該至少一開孔穿出於該容置主體外部。

於一實施例中，該光纖光柵係以二端固定於該受力件上。

於又一實施例中，該光纖光柵係貼附於該作用件上。

綜上，本發明之壓力感測器係透過第一作用件以及第二作用件於受有施力時，使第一作用件以及第二作用件夾壓受力件，使光纖光柵之中心波長發生變化，據之分析得到施力之實際大小值。另外，本發明亦可透過形成密閉空間之蓋體以及容置主體，以量測如氣壓或液壓之外部施力，據以達到量測氣壓或液壓之目的。

1、1'、1"、1''':壓力感測器

11、11'、11":第一作用件

111:凸部

112:第一凸塊

113、113'、113":蓋體

12、12'、12":第二作用件

121:凹部

122:第二凸塊

123:容置主體

124；容置空間

125:密閉空間

126:開孔

13:受力件

14:光纖光柵

141:光柵部

142:光纖

15、16:彈性件

2:固定件

P1:第一中心波長

P2:第二中心波長

Δλ:波長飄移量

F:施力

圖1係本發明之壓力感測器的第一實施例之立體結構分解圖。

圖2係本發明之壓力感測器側視圖。

圖3係本發明之壓力感測器於受到施力時之狀態示意圖。

圖4係本發明之壓力感測器之中心波長變化示意圖。

圖5係本發明之壓力感測器之第二實施例的立體結構分解圖。

圖5'係本發明之壓力感測器之第二實施例的另一實施態樣之立體結構分解圖。

圖6係本發明之壓力感測器之第三實施例之立體結構分解圖。

圖7係本發明之壓力感測器之第三實施力之側向剖視圖。

圖8係本發明之壓力感測器之第三實施例中設置彈性體之側面視圖。

圖9A-9B係本發明之壓力感測器之第四實施例之結構剖視圖。

以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。然本發明可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

圖1係本發明之壓力感測器的第一實施例之立體結構分解圖，圖2係本發明之壓力感測器側視圖，以及圖3係本發明之壓力感測器於受到施力時之狀態示意圖。如圖所示，本發明之壓力感測器1包括第一作用件11、第二作用件12、受力件13以及光纖光柵14，於本發明之壓力感測器1受力時，使第一作用件11以及第二作用件12之間的距離改變，進而使得受力件13受來自第一作用件11以及第二作用件12之壓迫而產生不同程度之形變(例如彎曲)，透過光纖光柵14對應該形變而產生對應之中心波長飄移，進而推知所受到之該壓力的實際大小。有關本發明之詳細說明如下。

第一作用件11係包括凸部111，其中，該凸部111係可為自該第一作用件11之一側向外凸伸的凸塊，具體地，該凸部111係可為凸柱、半圓型凸塊或凸片等形態。

第二作用件12係包括對應該凸部111之凹部121，其中，該凹部121係可為自該第二作用件12之一側向內凹入之凹槽或貫穿槽，以供凸部111可將受力件13以及光纖光柵14壓入凹部121內，於一具體實施例中，如圖1所示，第二作用件12之凹部121係可為環形塊之內凹部位，另外，於該凹部121之對應的二側係分別具有槽孔122。據此，於第一作用件11或第二作用件12或第一作用件11與第二作用件12同時受力時，使第一作用件11之凸部11係可向第二作用件12之凹部121移動，以伸入凹部121內。

受力件13係可為具有可撓性之長形片狀結構，且可具有彈性，以於施力解除後，可回復原本形狀，具體地，受力件13可為彈片。受力件13係位於該凸部111以及該凹部121之間，具體而言，該凸部111接觸結合於受力件13之上側面，該受力件3之下側面的二端則跨接於凹部121之二側上，俾於第一作用件11受力，而使凸部111向凹部121之方向移動時，如圖3所示，將受力件13之中間部位受凸部111之壓迫而被壓入凹部121之內部。

光纖光柵14係包括相互連接以供光訊號傳送之光柵部141以及光纖142，具體地，光纖光柵14係可為短週期光纖光柵(或布拉格光纖光柵)、長週期光纖光柵或混合型光纖光柵，其中，短週期光纖光柵係可為均勻型光纖光柵或週期漸變型光纖光柵等。光纖光柵14係固定於該受力件3之下側面上，於受力件13跨設於凹部121時，使光纖光柵14之側邊所延伸之光纖142可設置於對應之槽孔內，以減少光纖142受壓而損壞。另外，光纖光柵14亦可固定於該受力件13之上側面上，該凸部111則對應該光纖光柵14而凹設另一槽孔，以供光纖光柵14之光柵部141於凸部接觸結合於受力件之上側面時，使光柵部141容置於該另一槽孔內。於一實施例中，該光纖光柵14係以二端固定於該受力件13上，具體地，光纖光柵14係透過二固定件2或二固定膠將光纖光柵14之二端固定至受力件13上。於另一實施中，該光纖光柵14係貼附於該受力件13上，例如以固定膠塗佈於光纖光柵上，藉以黏貼固定於受力件13上。

於一實施例中，本發明之壓力感測器1復可包括設於該第一作用件11與該第二作用件12之間的至少一彈性件15，藉以提供第一作用件11以及該第二作用件12較大之復位彈力。具體而言，該至少一彈性件15係可為至少一彈簧或彈性膠，以彈簧為例，其係可利用一個可圍繞於第一作用件11之周側的彈簧，或 平均設置於第一作用件11與第二作用件12之間的多個彈簧(如圖1所示)，另外，以彈性膠為例，其係可直接填充於第一作用件1與第二作用件12之間。據此，於本發明之壓力感測器1解除所受之施力時，透過受力件13之回復力以及彈性件15之復位彈力，以復位第一作用件11以及第二作用件12至未受施力之狀態下的位置或距離。

如圖2所示，本發明之壓力感測器1於未受施力時，第一作用件11與第二作用件12維持一初始位置，且受力件13維持一初始狀態(如圖所示之未彎曲狀態)，再者，如圖4所示，其係本發明之壓力感測器之中心波長變化示意圖，於受力件13維持一初始狀態時，光纖光柵14之中心波長如第一中心波長P1所示。進言之，如圖3所示，本發明之壓力感測器1於感測到施力F時，致該凸部111向該凹部121移動而壓迫該受力件13，此時，如圖4所示，該光纖光柵14之中心波長產生飄移，如飄移後之第二中心波長P2，詳言之，於受力件受到夾壓而彎曲，致受力件產生不同之彎曲程度時，使光纖光柵之中心波長產生對應之飄移，透過分析光纖光柵之中心波長的飄移量，以推知第一作用件或第二作用件或第一作用件與第二作用件同時所受之力的實際大小，舉例來說，於受力件13處於初始狀態時(如圖2所示)，光纖光柵14之第一中心波長P1為1550nm(如圖4所示)，進而於本發明之壓力感測器1感測到施力F時(如圖3所示)，致受力件13彎曲而拉伸光纖光柵14，此時，光纖光柵14之中心波長將往長波長之方向飄移，使得第二中心波長P2為1555nm，若本發明之壓力感測器1於1單位之力產生1nm之中心波長飄移量時，由於第一心中波長P1與第二中心波長P2之波長飄移量Δλ為5nm，因此，可推得此時之施力F為5單位之力。

於本發明之壓力感測器之實際感測架構方面，光纖光柵14之至少一端係延伸一光纖142，以光纖142連接至光耦合器(圖未繪示)之一端，而光耦合器之另一端則分別與光源以及光譜分析儀(圖未繪示)，透過光源發射入射光，入射光經耦合器入射至光纖光柵後，光纖光柵反射入射光中對應光纖光柵之中心波長之部分入射光，以形成反射光，反射光經該光纖光柵之光纖返回耦合器，經耦合器將反射光耦合至光譜分析儀，即可透過光譜分析儀顯示反射光之中心波長(如圖4所示之初始狀態的第一波長P1以及於飄移後之第二中心波長P2)，俾於光纖光柵處於拉緊或放鬆狀態時，透過中心波長之變化，以推算得知該施力F之實際數值。

圖5係本發明之壓力感測器之第二實施例的立體結構分解圖。如圖所示，於本實施例中，大致與第一實施例相同，其不同之處在於，本實施例之第一作用件11之凸部係為第一凸塊112，而第二作用12件係包括設於第二作用件12'之側面的二第二凸塊122，二第二凸塊122之間形成對應該第一凸塊112之凹部121，其中，第一凸塊112與第二凸塊122係可為相同形狀之凸柱。於一實施例中，第二凸塊122之頂端係凹設用以供受力件設置之開槽(圖未繪示)，以避免受力件13因故移出第一凸塊112與各第二凸塊122之間，而無法為第一凸塊112與各第二凸塊122所夾壓，致本發明之壓力感測器1'無法進行施力之感測。另外，本發明之壓力感測器1'復可使第一凸塊112與所接觸之受力件13之部位相互結合固定，以避免受力件13與脫離第一凸塊112之壓抵，據之確保本發明之壓力感測器1'可達到量測施力之目的。

圖5'係本發明之壓力感測器之第二實施例的另一實施態樣之立體結構分解圖。如圖所示，本發明之壓力感測器1'亦可使第一作用件11以第一凸塊 112承載受力件13以及光纖光柵14，令受力件13之中間區段固定於第一凸塊112，再使第二作用件12'設於受力件13上，以二第二凸塊122分別抵壓於受力件13之二端。

圖6係本發明之壓力感測器之第三實施例之立體結構分解圖，圖7係本發明之壓力感測器之第三實施力之側向剖視圖。如圖所示，本實施例之壓力感測器1"與第一實施例或第二實施例之結構大致相同，其不同之處在於本實施例中，該第二作用件12"復包括具有容置空間124以容置該受力件13以及該光纖光柵14之容置主體123，該第一作用11件復包括蓋設於該容置主體123以使該容置空間124形成密閉空間之蓋體113，於一實施例中，蓋體113係可具有彈性，據此，本發明之壓力感測器1"可藉由蓋體113與容置主體123之間所形成之密閉空間125，以使本發明之壓力感測器1"可量測流體(例如氣體或液體)之壓力，亦即，於密閉空間125外之氣壓或液壓發生改變，進而造成施加於第一作用件11與第二作用件12"之施力發生變化，例如外部之流體的壓力大於密閉空間125之氣壓，致第一凸塊112向凹部121移動，使第一凸塊112與第二凸塊122夾壓受力件13，令受力件13發生彎曲，即可透過光纖光柵14對應之中心波長飄移量，推知施力變化之程度，或量測變化之施力的實際值。

於一實施例中，該容置主體123係開設貫穿側壁之至少一開孔126，該光纖光柵14之光纖142，該光纖142經對應之開孔126穿出於該容置主體123外部，再利用封裝膠材對開孔進行密封，使密閉空間125維持密封狀態。於一實施例中，係可使得開孔向容置主體123之頂端延伸開設，形成槽孔之結構，於組裝時，光纖光柵14之光纖142可直接自槽孔上端放入容置主體123至定位，再利用封裝膠材對槽孔進行封密，亦可使密閉空間維持密閉狀態，且透過槽孔之設置， 可便於裝置，因而可縮小容置主體123之尺寸，以達到縮小本發明之壓力感測器1"之尺寸的目的。

圖8係本發明之壓力感測器之第三實施例中設置彈性體之側面視圖。如圖所示，本發明之壓力感測器1"於該容置主體123與該蓋體113之間係可設置彈性件16，亦可提供第一作用件11以及第二作用件12"之間的復位彈力，據此，本發明提供多種可使第一作用件11以及第二作用件12"復位之方式，即可依實際需求設置，並不以本發明所揭示例為限。

圖9A-9B係本發明之壓力感測器之第四實施例之結構剖視圖。如圖所示，本實施例與第三實施例之結構大致相同，其不同之處在於本實施例之壓力感測器1'''中，該蓋體113'、113"係自如滑動地設於該容置主體123之內側壁(如圖9A所示)或外側壁(如圖9B所示)，據之形成活塞結構，即於第一作用件11'、11"受有施力時，使得蓋體113'、113"向接近凹部121之方向或向遠離凹部121之方向移動，詳言之，於密閉空間125之氣壓與小於外部之氣壓或液壓時，使得蓋體113'、113"向接近凹部之方向移動，使受力件13之彎曲程度增加，反之，於密閉空間125之氣壓與大於外部之氣壓或液壓時，使得蓋體113'、113"向遠離凹部之方向移動，使受力件13之彎曲程度減小，據以使光纖光柵14發生波長飄移，俾達到利用本發明之壓力感測器1'''量測環境之氣壓或液壓之目的。

綜上所述，本發明透過第一作用件以及第二作用件於受有施力時，使第一作用件以及第二作用件夾壓受力件，使光纖光柵之中心波長發生變化，據之分析得到施力之實際大小值。另外，本發明亦可透過形成密閉空間之蓋體以及容置主體，以量測如氣壓或液壓之外部施力，據以達到量測氣壓或液壓之目的。

上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1:壓力感測器

11:第一作用件

111:凸部

12:第二作用件

121:凹部

13:受力件

14:光纖光柵

141:光柵部

142:光纖

15:彈性件

Claims (8)

1. 一種壓力感測器，係包括：第一作用件，係包括凸部以及蓋體；第二作用件，係包括對應該凸部之凹部以及具有容置空間之容置主體；受力件，係位於該凸部以及該凹部之間，且容置於該容置空間中；以及光纖光柵，係固定於該受力件，且容置於該容置空間中，其中，於該凸部向該凹部移動而夾壓該受力件時，使該光纖光柵之中心波長產生變化，且其中，該蓋體係自如滑動地設於該容置主體之內側壁或外側壁而蓋設於該容置主體，以使該容置空間形成密閉空間。
2. 如請求項1所述之壓力感測器，其中，該第一作用件之該凸部係為第一凸塊，而該第二作用件係包括設於該第二作用件之側面的二第二凸塊，該二第二凸塊之間形成對應該第一凸塊之凹部。
3. 如請求項1所述之壓力感測器，復包括設於該第一作用件與該第二作用件之間的至少一彈性件。
4. 如請求項1所述之壓力感測器，其中，該至少一彈性件係為至少一彈簧或彈性膠。
5. 如請求項3所述之壓力感測器，復包括設於該容置主體與該蓋體之間的彈性件。
6. 如請求項4所述之壓力感測器，其中，該容置主體係開設貫穿側壁之至少一開孔，該光纖光柵係具有至少一光纖，該光纖自該光纖光柵之一端延伸，且經對應之該至少一開孔穿出於該容置主體外部。
7. 如請求項1所述之壓力感測器，其中，該光纖光柵係以二端固定於該受力件上。
8. 如請求項1所述之壓力感測器，其中，該光纖光柵係貼附於該作用件上。

Images