一种真空压强测量装置、方法及系统

1.本发明涉及气压测量技术领域，尤其涉及的是一种真空压强测量装置、方法及系统。


背景技术：

2.目前在随着科学技术的发展，越来越多的仪器、设备需要工作在低气压或高气压环境下。这样就需要有一个高精度、高分辨率、小体积、低耗能的真空压强传感器来实时监控工作环境的压强变化。
3.通常用来测量气压的光学传感器有石墨烯传感器、氧化锌纳米结构传感器、电容传感器等等。但是，现有的真空压力传感器普遍存在的问题：测量方式复杂，需要辅助设备对所测数据进行分析处理以得到对应的压强值；响应缓慢，有的器件在进行测量之前需要几秒到几十秒的准备时间，有的器件在测量之后，需要有数秒的恢复时间，整体的迟滞率较高。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种真空压强测量装置、方法及系统，以解决现有测量气压的光学传感器测量方式复杂、响应缓慢的问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种真空压强测量装置，其包括：用于模拟应用场景气压环境的腔体、设置在所述腔体内的真空压强传感器以及与所述真空压强传感器连接的电信号测量仪；其中，所述真空压强传感器包括：
8.基板，与所述电信号测量仪连接；
9.发光元件，与所述基板连接，用于产生光；
10.收光元件，与所述基板连接，用接收所述发光元件发射的光并产生电信号；
11.气泡膜，包覆在所述发光元件与所述收光元件上，用于对所述发光元件发射的光进行反射；
12.所述电信号测量仪用于对所述收光元件产生的电信号进行检测；
13.其中，根据所述电信号测量仪测得的电信号的变化量可测算所述腔体内的气压强度。
14.本发明的进一步设置，所述真空压强测量装置还包括：电源；所述电源与所述基板连接，用于为所述真空压强传感器供电。
15.本发明的进一步设置，所述真空压强测量装置还包括：光耦合层；所述光耦合层连接在所述气泡膜与所述发光元件、所述收光元件之间；其中，所述气泡膜包覆在所述光耦合层外侧。
16.本发明的进一步设置，所述气泡膜内设置有密闭空间，所述密闭空间内设置有若
干气泡，所述气泡的体积随所述腔体内气压强度的大小变化。
17.本发明的进一步设置，所述气泡膜为柔性材料制成。
18.本发明的进一步设置，所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷。
19.本发明的进一步设置，所述真空压强测量装置还包括：基座；所述腔体与所述真空压强传感器设置在所述基座上。
20.基于同样的发明构思，本发明还提供了一种应用于上述所述的真空压强测量装置的真空压强测量方法，其包括：
21.通过调整腔体内的气压强度的大小以模拟应用场景气压环境中需要监测的气压变化；
22.气泡膜在气压产生变化的作用下使得发光元件发射的部分光的折射角发生变化；
23.收光元件接收到气泡膜反射的光的光强产生相应的变化，使得收光元件产生的电信号产生相应的变化；
24.电信号测量仪根据收光元件产生的电信号检测电信号的变化量；
25.根据电信号的变化量测算所述腔体内气压强度的大小。
26.本发明的进一步设置，所述通过调整腔体内的气压强度大小以模拟应用场景气压环境中需要监测的气压变化的步骤之前包括：
27.开启电信号测量仪并对真空压强传感器进行通电；
28.对收光元件产生的电信号进行测量。
29.基于同样的发明构思，本发明还提供了一种真空压强测量系统，其包括处理器以及如上述所述的真空压强测量装置；所述处理器与所述电信号测量仪连接，用于根据所述电信号测量仪测量得到的电信号的变化量测算所述腔体内的气压强度。
30.本发明提供的一种真空压强测量装置、方法及系统，真空压强测量装置，其包括：用于模拟应用场景气压环境的腔体、设置在所述腔体内的真空压强传感器以及与所述真空压强传感器连接的电信号测量仪；其中，所述真空压强传感器包括：基板，与所述电信号测量仪连接；发光元件，与所述基板连接，用于产生光；收光元件，与所述基板连接，用接收所述发光元件发射的光并产生电信号；气泡膜，包覆在所述发光元件与所述收光元件上，用于对所述发光元件发射的光进行反射；所述电信号测量仪用于对所述收光元件产生的电信号进行检测；其中，根据所述电信号测量仪测得的电信号的变化量可测算所述腔体内的气压强度。本发明通过调整腔体内的气压强度的大小以模拟应用场景气压环境中需要监测的气压变化，当腔体内的气压产生变化时，收光元件接收到气泡膜反射的光的光强产生变化，使得收光元件产生的电信号的大小相应发生变化，其后电信号测量仪根据收光元件产生的电信号检测电信号的变化量，根据电信号的变化量测算所述腔体内气压强度的大小。可见，本发明可直接从电信号的变化量读取出压强的变化，省去了复杂的数据分析处理过程，不仅测量方式更加简单，且响应快。
附图说明
31.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图示出的结构获得其他的附图。
32.图1是本发明中真空压强测量装置的整体结构示意图。
33.图2是本发明中真空压强传感器的结构示意图。
34.图3是本发明中真空压强传感器的原理图。
35.图4是本发明中真空压强测量系统的原理框图。
36.图5是本发明中真空压强测量方法的流程示意图。
37.附图中各标记：100、真空压强测量装置；110、腔体；120、真空压强传感器；121、基板；122、发光元件；123、收光元件；124、气泡膜；1241、气泡；125、光耦合层；130、电信号测量仪；140、电源；150、基座；200、处理器。
具体实施方式
38.本发明提供一种真空压强测量装置、方法及系统，不论是在对各种设备都要求精益求精的航天飞船及各种外太空探测器中，还是在需要有较好稳定性和响应速度的医疗健康相关领域，本发明可以极大地节省所需的空间和能源。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
40.应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
41.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
42.另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
43.经发明人研究发现，现有常用来测量气压的光学传感器有石墨烯传感器、氧化锌纳米结构传感器、电容传感器等。现有的真空压力传感器普遍存在的问题：制作复杂，需要用到化学气相沉积亦或是其他的沉积刻蚀方法；成本高昂，所用的材料价格较高；测量方式复杂，需要辅助设备对所测数据进行分析处理以得到对应的压强值；响应缓慢，有的器件在
进行测量之前需要几秒到几十秒的准备时间，有的器件在测量之后，需要有数秒的恢复时间，整体的迟滞率较高。
44.针对上述技术问题，本发明提供的一种真空压强测量装置、方法及系统，真空压强测量装置，其包括：用于模拟应用场景气压环境的腔体、设置在所述腔体内的真空压强传感器以及与所述真空压强传感器连接的电信号测量仪；其中，所述真空压强传感器包括：基板，与所述电信号测量仪连接；发光元件，与所述基板连接，用于产生光；收光元件，与所述基板连接，用接收所述发光元件发射的光并产生电信号；气泡膜，包覆在所述发光元件与所述收光元件上，用于对所述发光元件发射的光进行反射；所述电信号测量仪用于对所述收光元件产生的电信号进行检测。本发明通过调整腔体内的气压强度的大小以模拟应用场景气压环境中需要监测的气压变化，当腔体内的气压产生变化时，收光元件接收到气泡膜反射的光的光强产生变化，使得收光元件产生的电信号的大小相应发生变化，其后电信号测量仪根据收光元件产生的电信号检测电信号的变化量，根据电信号的变化量测算所述腔体内气压强度的大小。可见，本发明可直接从电信号的变化量读取出压强的变化，省去了复杂的数据分析处理过程，不仅测量方式更加简单、响应快，且制作简单、成本较低。
45.请同时参阅图1至图3，本发明提供了一种真空压强测量装置的较佳实施例。
46.请参阅图1至图3，本发明提供的一种真空压强测量装置100，其包括：用于模拟应用场景气压环境的腔体110、设置在所述腔体110内的真空压强传感器120以及与所述真空压强传感器120连接的电信号测量仪130。其中，所述真空压强传感器120包括：基板121，与所述电信号测量仪130连接；发光元件122，与所述基板121连接，用于产生光；收光元件123，与所述基板121连接，用接收所述发光元件122发射的光并产生电信号；气泡膜124，包覆在所述发光元件122与所述收光元件123上，用于对所述发光元件122发射的光进行反射；所述电信号测量仪130用于对所述收光元件123产生的电信号进行检测；其中，根据所述电信号测量仪130测得的电信号的变化量可测算所述腔体110内的气压强度。
47.具体地，所述发光元件122为光源，所述收光元件123为光探测器，所述光探测器能够接收光源发出的光信号并转换为电信号，例如光电流信号(感应电流)。光探测器产生的电信号可以通过基板121传输至所述电信号测量仪130。所述腔体110具有一定容置空间，真空压强传感器120可以容置在所述腔体110内。所述腔体110实现模拟应用场景气压环境的原理为通过使用抽真空泵将腔体110内的空气抽出或是打开气阀将气体放入至腔体110内，以使所述腔体110内的气压变小或变大，从而模拟出应用环境中需要监测的气压变化。所述气泡膜124能够将光源发射的光反射至光探测器，当所述腔体110的气压发生变化时，所述气泡膜124能够反射的光强也跟随变化，以使光探测器接收到的光强产生相应的变化。
48.具体实施时，通过抽真空泵调整所述腔体110内的气压强度的大小以模拟应用场景气压环境中需要监测的气压变化，当所述腔体110内的气压产生变化时，所述收光元件123接收到所述气泡膜124反射的光的光强产生变化，使得所述收光元件123产生的电信号的大小相应发生变化，其后所述电信号测量仪130根据收光元件123产生的电信号检测电信号的变化量，根据电信号的变化量测算所述腔体110内气压强度的大小，具体为通过之前已经建立的压强与对应电信号的变化量之间的线性负相关关系可获取气压强度的大小。可见，本发明可直接从电信号的变化量读取出压强的变化，省去了复杂的数据分析处理过程，不仅测量方式更加简单，且响应快、灵敏度好、重复性良好。另外，本发明提供的真空压强测
量装置100在制作时，无需要用到化学气相沉积亦或是其他的沉积刻蚀方法，使用到的材料也比较简单，因而制作工艺与成本也相对较低，完成之后的整体体积也较小、结构简单，且发光元件122与收光元件123具有寿命长、功耗低、发光稳定的优点，使得真空压强测量装置100的耐久性也较好。
49.请参阅图1，在一个实施例的进一步的实施方式中，所述真空压强测量装置100还包括：电源140；所述电源140与所述基板121连接，用于为所述真空压强传感器120供电。
50.具体地，所述电源140与真空压强传感器120的基板121连接，以通过所述基板121为所述发光元件122以及所述收光元件123供电。在一些实施例中，所述光源还可以给所述电信号测量仪130供电。
51.请参阅图2，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述真空压强测量装置100还包括：光耦合层125；所述光耦合层125连接在所述气泡膜124与所述发光元件122、所述收光元件123之间；其中，所述气泡膜124包覆在所述光耦合层125外侧。
52.具体的，所述光耦合层125作为所述发光元件122与所述收光元件123的衬底，所述发光元件122与所述收光元件123集成在所述光耦合层125上组成收发光芯片，其后再耦合至所述基板121上，以便于所述发光元件122与所述收光元件123的安装。所述发光元件122与所述收光元件123与所述基板121耦合之后，再将所述气泡膜124覆盖在所述光耦合层125上。
53.请参阅图2与图3，在一个实施例的进一步的实施方式中，所述气泡膜124内设置有密闭空间，所述密闭空间内设置有若干气泡1241，所述气泡1241的体积随所述腔体110内气压强度的大小变化。
54.具体地，所述气泡膜124内具有密闭的空间用于适应气压变化感应，通过搅拌与注射等方式在气泡膜124的密闭空间内制作若干气泡1241，其中气泡1241的尺寸为微米级。所述气泡膜124为柔性材料制成，当所述气泡膜124外围的压强发生改变时，所述气泡膜124内的气泡1241的体积会发生改变，即气泡1241的体积会变大或变小，使得所述气泡膜124反射的部分光的折射角发生变化，从而使得所述收光元件123收集到的所述气泡膜124反射回来的光强变少或变多，进而使得所述收光元件123产生的电信号变小或变大。
55.在一种实现方式中，所述柔性材料可以是但不限于是聚二甲基硅氧烷(pdms)材料制成。
56.请参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述真空压强测量装置100还包括：基座150；所述腔体110与所述真空压强传感器120设置在所述基座150上。
57.具体地，所述基座150的表面为平面，所述真空压强传感器120可以放置在所述基座150上，所述腔体110则安装在所述基座150上并罩设于所述真空压强传感器120上方。
58.请参阅图4，在一些实施例中，本发明还提供了一种真空压强测量系统，其包括处理器200以及如上述所述的真空压强测量装置100；所述处理器200与所述电信号测量仪130连接，用于根据所述电信号测量仪130测量得到的电信号的变化量测算所述腔体110内的气压强度。
59.具体地，所述真空压强测量装置100在需要监测的压强变化范围中进行电信号变化量的测量，获得压强大小所对应的电信号变化量的大小，通过处理器200建立压强与对应电信号的变化量之间的线性负相关关系。在对工作环境进行压强测量时，真空压强测量装
置100在获得电信号(例如光电流信号)之后，将该电信号传输给处理器200，处理器200通过比对已经建立好的压强-电流变化量关系，即可获取压强的大小。所述真空压强测量装置100具体如上述一种真空压强测量装置100的实施例所述，在此不再赘述。
60.请参阅图5，在一些实施例中，本发明还提供了一种应用于上述所述的真空压强测量装置的真空压强测量方法，其包括步骤：
61.s100、通过调整腔体内的气压强度的大小以模拟应用场景气压环境中需要监测的气压变化；
62.s200、气泡膜在气压产生变化的作用下使得发光元件发射的部分光的折射角发生变化；
63.s300、收光元件接收到气泡膜反射的光的光强产生相应的变化，使得收光元件产生的电信号产生相应的变化；
64.s400、电信号测量仪根据收光元件产生的电信号检测电信号的变化量；
65.s500、根据电信号的变化量测算所述腔体内气压强度的大小。
66.具体地，首先通过抽真空泵调整所述腔体内的气压强度的大小以模拟应用场景气压环境中需要监测的气压变化，当所述腔体内的气压产生变化时，所述收光元件接收到所述气泡膜反射的光的光强产生变化，使得所述收光元件产生的电信号的大小相应发生变化，其后所述电信号测量仪根据收光元件产生的电信号检测电信号的变化量，根据电信号的变化量测算所述腔体内气压强度的大小，具体为通过之前已经建立的压强与对应电信号的变化量之间的线性负相关关系可获取气压强度的大小。可见，本发明可直接从电信号的变化量读取出压强的变化，省去了复杂的数据分析处理过程，不仅测量方式更加简单，且响应快。另外，本发明提供的真空压强测量装置在制作时，无需要用到化学气相沉积亦或是其他的沉积刻蚀方法，使用到的材料也比较简单，因而制作工艺与成本也相对较低。
67.在一些实施例中，步骤s100之前还包括步骤：
68.s110、开启电信号测量仪并对真空压强传感器进行通电；
69.s120、对收光元件产生的电信号进行测量。
70.具体地，在监控工作气压环境时，首先将电信号测量仪打开，并通过电源为真空压强传感器供电，即为发光元件与收光元件供电，其后电信号测量仪开始对收光元件产生的电信号进行检测，当腔体内压强产生改变时，收光元件接收气泡膜反射的光的光强也相应产生改变，使得收光元件产生的感应的电信号随之变化，通过电信号测量仪可以检测到电信号的变化量。
71.综上所述，本发明所提供的一种真空压强测量装置、方法及系统，具有以下有益效果：
72.基于光反射原理可直接从电信号的变化量读取出压强的变化，省去了复杂的数据分析处理过程，不仅测量方式更加简单，且响应快、灵敏度好、重复性良好；
73.本发明提供的真空压强测量装置在制作时，无需要用到化学气相沉积亦或是其他的沉积刻蚀方法，使用到的材料也比较简单，因而制作工艺与成本也相对较低；
74.本发明结构简单，材料易得，完成之后的整体体积较小，测量步骤也比较容易，从而降低了整体成本；
75.发光元件与收光元件具有寿命长、功耗低、发光稳定的优点，使得真空压强测量装
置的耐久性也较好。
76.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。