ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 1999 года по МПК G01D5/26 

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (линейных перемещений, ускорения, температуры, механических колебаний, скорости потока и др.) в электрический сигнал.

Известны чувствительные элементы на основе тензо- и терморезисторов (см. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. -Л.: Энергоатомиздат, 1973), используемые для преобразования различных физических величин в электрический сигнал.

Недостатком таких чувствительных элементов является то, что выходные сигналы чувствительных элементов (ток или напряжение), передаваемые по проводным линиям связи, чувствительны к влиянию электромагнитных волн, что исключает возможность их эффективного использования в условиях воздействия электромагнитных помех.

Наиболее близким к предлагаемому волоконно-оптическому чувствительному элементу является чувствительный элемент, содержащий основание, приемный и передающий волоконные световоды, торцы которых расположены напротив друг друга, при этом передающий световод закреплен на неподвижном основании, а приемный - скреплен с инерционной массой (см. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. -Л.: Энергоатомиздат, 1990, с. 151 - 152).

К недостаткам данной конструкции чувствительного элемента следует отнести следующие:
- низкая технологичность, приводящая к усложнению процесса изготовления и удорожанию конструкции чувствительного элемента;
- низкие технические характеристики (чувствительность, точность), характерные для устройств этого класса;
- ограниченные функциональные возможности.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в исключении указанных выше недостатков и улучшении технических характеристик.

Это достигается тем, что в волоконно-оптическом чувствительном элементе для измерительных преобразователей физических величин, содержащем неподвижное основание, передающий и приемный волоконные световоды, торцы которых расположены один напротив другого, подвижную инерционную массу, при этом один из световодов закреплен на основании, а другой световод скреплен с инерционной массой, неподвижное основание и подвижная инерционная масса выполнены из одной профилированной монолитной пластины, причем инерционная масса содержит не менее двух балок, каждая из которых отделена от неподвижного основания сквозными отверстиями и имеет канавку, проходящую вдоль балки и содержащую закрепленный в ней приемный подвижный световод, передающий волоконный световод закреплен на неподвижном основании и расположен в канавке, вырезанной в неподвижном основании соосно с канавкой балки, при этом на каждой из балок вблизи ее основания и перпендикулярно ее продольной оси выполнены прорези различной глубины, а также тем, что балки чувствительного элемента расположены с различной ориентацией в пространстве.

В общем случае формирование инерционной массы в виде балки, сопряженной с неподвижным основанием из одной и той же монолитной пластины, повышает технологичность конструкции, т.к. неподвижное основание и балка могут быть выполнены с помощью одной технологической операции - травления через одну защитную маску. Технологичность изготовления чувствительного элемента повышается также и за счет того, что процесс сборки сводится к одной операции - укладке (закреплению) световодов в канавках, например, с помощью эпоксидного компаунда, при этом надежно обеспечивается позиционирование световодов, что значительно упрощает юстировку.

В качестве примера рассмотрим волоконно-оптический чувствительный элемент (ВОЧЭ), служащий для измерения ускорения.

Под действием ускорения, действующего перпендикулярно балке, свободный ее конец совершает малые линейные перемещения

где q - интенсивность распределенной нагрузки, кг/м;
l - длина балки, м;
E - модуль продольной упругости, кг/м²;
осевой момент инерции поперечного сечения относительно продольной оси, м⁴;
a - толщина балки в той ее части, которая соединена с монолитной пластиной, м;
b - ширина балки, м.

При некоторых реальных значениях параметров балки (l = 7 мм, a = 300 мкм), изготовленной из кремния (E = 2•10¹¹ кг/м•с², плотность ρ = 2,33•10³ кг/м³), при величине ускорения g = 200 м/с², перемещение балки невелико и составляет v=10^-1 мкм.

Очевидно, что изменение технических характеристик ВОЧЭ возможно путем уменьшения или увеличения соответствующих значений параметров в выражении (1), т.е. a, b, l.

В изобретении предлагается новый путь улучшения характеристик ВОЧЭ, при котором геометрические размеры балки не меняются. Это достигается посредством создания концентратора напряжений (прорези) у основания балки. Тогда выражение (1) примет вид

где a₀ - толщина свободного конца балки;
a - толщина балки в сечении прорези.

Из выражения (2) следует, что, если на балке имеется прорезь, глубиною a₀-a, то максимальное отклонение свободного конца балки v_maxa будет равно

В отсутствие прорези, т.е. при a = a_o, максимальное отклонение свободного конца балки будет равно

Отсюда следует, что

и
Из формулы (3) следует, что максимальное отклонение балки с прорезью тем больше максимального отклонения балки без прорези, чем больше отношение (a₀/a)³.

Так, чтобы увеличить отклонение балки толщиною 300 мкм от 0,1 мкм до 25 мкм, т. е. в 250 раз, на балке необходимо нанести прорезь, глубина которой а_o-а определится из соотношения

и составит a₀ - a ≈ 250 мкм.

Таким образом, данное конструктивное решение ВОЧЭ позволяет увеличить его чувствительность более чем на два порядка.

При выбранном значении параметра а следует учитывать частоту w собственных колебаний и максимальное допустимое напряжение балки при изгибе σ_из у основания, которые связаны с a соотношением

Из выражения (4) следует, что w и σ_из зависят от a, как от параметра в первой степени, что не внесет существенных ограничений на величину v_maxa, зависящую от а как от параметра в третьей степени. Возможность создания прорези произвольной глубины открывает возможность разработки ВОЧЭ с различными чувствительностью и диапазоном измерения входного параметра.

Кроме того, представляется возможной разработка измерительного устройства, содержащего несколько балок из одной пластины, характеристики которых различны, что позволяет контролировать входной параметр, например ускорение, в различных диапазонах и с различной чувствительностью и точностью. При этом балки пространственно могут быть размещены произвольно: по прямой, по окружности, в секторе и т.д.

Задача повышения точности измерений с помощью ВОЧЭ по данному изобретению решается следующим образом.

Величина фототока I на выходе фотоприемника, сопряженного с передающим световодом, в общем виде описывается выражением
I = P_о•F{f(g)}S_с•S_и•k, (5)
где P_o - интенсивность источника излучения;
F{f(g)} - функция преобразования ВОЧЭ;
S_с - спектральная чувствительность фотоприемника;
S_и - интегральная чувствительность фотоприемника;
k - коэффициент потерь мощности оптического излучения.

Функция преобразования F описывает изменение мощности излучения, падающей на входной торец передающего световода (с выходного торца приемного световода) от величины смещения торца приемного световода относительно торца передающего световода в зависимости от величины ускорения g.

Как следует из выражения (5), погрешность изменения будет зависеть от нестабильности параметров P_o, S_c, S_и, k. Эта погрешность может быть значительной и требует принятия специальных мер, предусматривающих их коррекцию. Широкое практическое применение в измерительной технике получили измерители физических величин, содержащие измерительный и опорный каналы, что позволяет уменьшить влияние нестабильности перечисленных выше параметров.

В данном изобретении предложен новый путь повышения точности измерений, исключающий необходимость введения опорного канала. Это достигается следующим образом.

Приведем выражение (5) к более простому виду, представив функцию преобразования F{ f(g)} как линейную функцию ускорения g с масштабным коэффициентом K, величина которого при заданных параметрах балки связана с глубиною прорези балки, тогда
I = K•g•k_o, (6)
где k_o=P_oS_cS_и•k
Переход от выражения (5) с выражению (6) возможен в малом диапазоне перемещений свободного конца балки ±Δv_max относительно некоторой начальной точки отсчета v_o, соответствующей середине малого интервала перемещений балки от v₀+Δv_max до v₀-Δv_max, на котором функция I описывается выражением (6) с заданной точностью.

В данной конструкции зависимость I от g представляет собой функцию вида
I = I₀±ΔI = I₀±k₀KΔg (7)
где I_o - фототок при Δg = 0;
Δg - приращение ускорения относительно нулевой точки отсчета.

Очевидно, что модуляция параметра k_o приведет к адекватному изменению I_o. Тогда запишем

где δ - коэффициент нестабильности.

Отсюда следует, что, если ВОЧЭ содержит не одну, а две балки с разными K, влияние δ на точность измерений исключается.

Действительно, при наличии двух балок с разной глубиной прорези для фототоков можно записать (Δg>0)


где K_1,2 - масштабные коэффициенты функций F, характеризующие чувствительность первой и второй балок соответственно.

Преложим K₁>K₂. Сформировав отношение фототоков

получим выражение, не содержащее δ и позволяющее определить Δg при известных и снятых с фотоприемников, сопряженных с первой и второй балками соответственно

В данном случае диапазон измеряемых ускорений определится из условия 0, т.е. из выражения k₀K₁Δg = I₀.
Технология изготовления предлагаемого ВОЧЭ позволяет выполнить ВОЧЭ, содержащий также и три, и четыре, и большее число балок. При этом, учитывая тот факт, что за счет глубины прорези чувствительность у всех балок разная, увеличивается диапазон непрерывных измерений (например, g) с высокой точностью путем формирования отношения сигналов с двух фотоприемников, сопряженных с последующими двумя балками.

Кроме того, представляется возможность разработки волоконно-оптического чувствительного элемента, у которого N балок и сопряженное с ними неподвижное основание имеют произвольную конфигурацию, т.е. располагаются в произвольном направлении, например по двум осям пластины, по окружности, в секторе и т.д., что расширяет его функциональные возможности, обеспечивая, например, измерения входного параметра, характеризующегося переменной величиной вектора направленности.

На фиг. 1 представлен волоконно-оптический чувствительный элемент, содержащий две балки, сопряженные с неподвижным основанием, расположенные в плоскости пластины вдоль одной из ее сторон. На фиг. 2 представлен волоконно-оптический чувствительный элемент, содержащий восемь балок, которые расположены по окружности.

На фиг. 1 изображено следующее:
1 - монолитная пластина прямоугольной формы;
2 - подвижная инерционная масса, выполненная как единое целое с пластиной 1 и имеющая форму балки, у которой один конец свободный, а второй, служащий основанием балки, соединен с пластиной 1;
3 - прямолинейная часть пластины, служащая неподвижным основанием относительно подвижной балки 2, совершающей линейные перемещения под действием измеряемой физической величины;
4 - канавка, нанесенная на балку 2 вдоль ее продольной оси, предназначенная для размещения в ней приемного световода и закрепления его на подвижной балке;
5 - канавка, нанесенная на неподвижное основание 3 соосно с канавкой 4 и предназначенная для размещения в ней передающего световода и закрепления его на неподвижном основании;
6 - приемный световод, размещенный в канавке 4 балки 2;
7 - передающий световод, размещенный в канавке 5 неподвижного основания 3;
8 - прорезь, нанесенная на балку 2 у ее основания, заданной глубины;
9 - сквозные отверстия, отделяющие балку 2 от неподвижного основания 3.

Изображенный на фиг. 1 ВОЧЭ работает следующим образом.

Перед началом измерений выходной торец приемного световода 6 и входной торец передающего световода 7 ориентируется так, чтобы, во-первых, ток с фотоприемника линейно зависел от величины измеряемого параметра на входе, и, во-вторых, чтобы в нулевой точке отсчета фототоки были одинаковые (равные I_o) и соответствовали середине участка перемещения свободного конца каждой балки ±Δv. Под действием ускорения свободные концы обеих балок перемещаются на неодинаковые величины Δv₁ и Δv₂, т. к. в силу разной глубины прорези чувствительности их разные. Соответствующие фототоки и будут пропорциональны Δv₁ и Δv₂. Приращение ускорения определится из отношения

При этом влияние нестабильности параметров P_o, S_c, S_и, K будет исключено. При известном Δg и величине фототока (или ), кроме того, контролируется величина коэффициента нестабильности δ.
На фиг. 2 изображен ВОЧЭ, содержащий восемь подвижных балок. Позиции на фиг. 2 обозначают следующее:
1 - круглая монолитная пластина со сквозными отверстиями;
2 - подвижная инерционная масса, выполненная как единое целое с пластиной и имеющая форму балки;
3 - внешнее кольцо пластины, служащее неподвижным основанием относительно подвижной балки 2, совершающей линейные перемещения под действием измеряемой физической величины;
4 - канавка, нанесенная на балку 2 вдоль ее продольной оси, предназначенная для размещения в ней приемного световода и закрепления его на подвижной балке;
5 - канавка, нанесенная на неподвижное основание 3 соосно с канавкой 4 и предназначенная для размещения в ней передающего световод и закрепления его на неподвижном основании;
6 - приемный световод, размещенный в канавке 4 балки 2;
7 - передающий световод, размещенный в канавке 5 неподвижного основания 3;
8 - прорезь, нанесенная на балку 2 у ее основания, заданной глубины;
9 - сквозные отверстия, отделяющие балку от неподвижного основания.

ВОЧЭ с восьмью балками, выполненный из круглой пластины, работает аналогично ВОЧЭ с двумя балками, изображенному на фиг. 1.

В нулевой точке отсчета по фототоку измеряется интенсивность оптического сигнала, соответствующая середине участка малых перемещений ±Δv свободного конца каждой балки. Под действием ускорения взаимная ориентация торцов приемного и передающего световодов нарушается, что приводит к соответствующему изменению интенсивности оптического сигнала и фототока Далее формируется отношение сигналов с двух фотоприемников и вычисляется Δg. Разная глубина прорези у всех восьми балок и то, что они пространственно разнесены, позволяет не только повысить точность измерений, но и реализовать измерения ускорения с переменным вектором направленности в широком диапазоне измерений.

Таким образом, заявленный ВОЧЭ, выполненный из одной монолитной профилированной пластины, позволяет реализовать конструкцию многоканального чувствительного элемента, содержащего не менее двух балок (инерционных масс), сопряженных с неподвижным основанием и снабженных разной глубины прорезями у основания балки, отличающегося высокой технологичностью, широкими функциональными возможностями и улучшенными техническими характеристиками (высокой чувствительностью, широким диапазоном измерений и высокой точностью).

Использование: в волоконно-оптических преобразователях физических величин, в частности в преобразователях линейных перемещений, ускорения, температуры, механических колебаний, скорости потока и др. Волоконно-оптический чувствительный элемент для измерительных преобразователей физических величин содержит неподвижное основание, передающий и приемный волоконные световоды, торцы которых расположены один напротив другого, подвижную инерционную массу, при этом один из световодов закреплен на основании, а другой световод скреплен с инерционной массой. Особенность элемента состоит в том, что в нем неподвижное основание и подвижная инерционная масса выполнены из одной профилированной монолитной пластины, причем инерционная масса содержит не менее двух балок, каждая из которых отделена от неподвижного основания сквозными отверстиями и имеет канавку, проходящую вдоль балки и содержащую закрепленный в ней приемный подвижный световод. Передающий волоконный световод закреплен на неподвижном основании и расположен в канавке, вырезанной в неподвижном основании соосно с канавкой балки, при этом на каждой из балок вблизи ее основания и перпендикулярно ее продольной оси выполнены прорези различной глубины. Особенность элемента состоит также и в том, что балки в нем могут быть расположены с различной ориентацией в пространстве. Благодаря указанным особенностям элемента, улучшается технологичность и повышается чувствительность и точность измерений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Волоконно-оптический чувствительный элемент для измерительных преобразователей физических величин, содержащий неподвижное основание, передающий и приемный волоконные световоды, торцы которых расположены один напротив другого, подвижную инерционную массу, при этом один из световодов закреплен на основании, а другой световод скреплен с инерционной массой, отличающийся тем, что в нем неподвижное основание и подвижная инерционная масса выполнена из одной профилированной монолитной пластины, причем инерционная масса содержит не менее двух балок, каждая из которых отделена от неподвижного основания сквозными отверстиями и имеет канавку, проходящую вдоль балки и содержащую закрепленный в ней приемный подвижный световод, передающий волоконный световод закреплен на неподвижном основании и расположен в канавке, вырезанной в неподвижном основании соосно с канавкой балки, при этом на каждой из балок вблизи ее основания и перпендикулярно к ее продольной оси выполнены прорези различной глубины. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что балки чувствительного элемента расположены с различной ориентацией в пространстве.