ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01L23/06 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения среднего значения и пульсации давления жидкостей и газов, и может быть использовано в гидрофизике и гидроакустике.

Известно, что любой измеритель давления состоит из первичного преобразователя (ПП), воспринимающего начальное (входное) перемещение объекта, и устройства, преобразующего входное перемещение в выходной сигнал, как правило, электрический. Иногда последнее устройство не выделяется в самостоятельную часть, и первичным преобразователем именуют совокупность двух устройств: устройства, воспринимающего начальное смещение, и устройства, преобразующего начальное механическое смещение в электрический сигнал, т.е. любой ПП преобразует первичное механическое перемещение (линейное или угловое) в изменение электрического сигнала (Домрачев B.Г., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Системотехника цифровых преобразователей перемещений. Энергоиздат, 1987 г.).

Анализ технической литературы показывает, что все ПП классифицируются по следующим основным признакам: характер измеряемых перемещений; физический принцип действия чувствительного элемента; структура построения электронных схем; вид выходного сигнала.

Первичные преобразователи, основанные на таких физических принципах построения, как, например, электромагнитные, электроакустические, электромеханические, pеостатные, механотронные, обладают низкой чувствительностью или сложны в изготовлении и эксплуатации, и в гидроакустике не применяются (cб. Подводная акустика и обработка сигналов/ Под ред. Л. Бьерне.- М.: Мир, 1985, с. 220-235).

Наивысшей разрешающей способностью, высокой чувствительностью, отсутствием механической связи с контролируемым объектом обладают измерительные системы, основанные на фотоэлектрическом принципе.

Известно использование чувствительных элементов, основанных на пьезоэлектрическом эффекте в гидрофизической практике для измерения пульсаций давления, вызванных прохождением в среде акустического сигнала.

Широко используемый в гидрофизике метод регистрации гидроакустических колебаний, основанный на пьезоэлектрическом эффекте, наряду с несомненными достоинствами имеет и существенный недостаток: при измерениях в низкочастотной и сверхнизкочастотной областях (от нуля до единиц герц) чувствительность пьезоэлектрических ПП резко падает за счет утечек выходного сигнала, обусловленных конечным значением выходного сопротивления ПП и конечного значения входного сопротивления первого каскада электронного усилителя.

В гидрофизике для измерения в низкочастотной области известно применение в качестве чувствительного элемента отрезка оптического волокна (патент США N 5386729, 1995), но подобные приборы обладают значительной зависимостью от температуры и нелинейной измерительной характеристикой, что усложняет конструкцию из-за необходимости устройства термокомпенсации измерений.

Известен оптический датчик давления (патент США N 5319978, G 01 L 11/00), состоящий из корпуса, на котором крепятся входной и выходной световод; внутри корпуса установлена диафрагма, реагирующая на приложенное усилие, неподвижный отражатель и подвижный отражатель, который соединен с диафрагмой и движется с ней. Принцип его работы основан на измерении интенсивности света, т.е. количество отраженного света зависит от прогиба диафрагмы. Таким образом, давление преобразуется в линейное перемещение подвижного отражателя (зеркала), что приводит к изменению положения светового пучка относительно площадки фотоприемника и соответственно ведет к изменению интенсивности выходного сигнала. Однако зависимость показаний датчика от температуры значительно снижает точность измеренного давления и требует наличия дополнительного устройства термостабилизации.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является оптический измеритель давления (патент РФ N 2113697, опубл. 20.06.98 г. ), содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, включающий шток, связанный с тремя мембранными узлами и оптическое устройство, соединенное с волоконно-оптическим кабелем. Оптическое устройство выполнено в виде интерферометра Майкельсона, светоделитель которого представляет собой составной кубик, а подвижный и неподвижный отражатели - триппель-призмы, причем подвижный отражатель жестко связан со штоком, а шток снабжен пружинами, закрепленными между мембранными узлами и торцевыми стенками корпуса.

В качестве основного элемента этого устройства выступает волоконно-оптический преобразователь. Подводимое через одну из жил волокна оптическое излучение отражается от подвижного отражателя, закрепленного на штоке, и меняет свои параметры в зависимости от изменения геометрии мембраны. Полученный сигнал излучения, в котором заключена информация об измеряемом давлении, попадает на фотоприемник. В случае отсутствия давления плечи интерферометра уравновешены, и сигнал на фотоприемнике отсутствует. В случае наличия давления положение подвижного отражателя, жестко связанного со штоком, изменяется. При этом возникают разность хода волн и соответственно интерференционные полосы излучения, интенсивность которых меняется в зависимости от разности хода лучей в плечах волоконно-оптического интерферометра. Считая количество максимумов получаемой интерферограммы, можно определить величину измеряемого давления. Точность измерения перемещения мембраны составляет ± λ/2, где λ - длина волны излучения применяемого лазера (доли микрометра). Характеристическая зависимость разности хода лучей от величины давления определяется величиной жесткости пружин.

Однако известная конструкция, хотя и имеет оптическую измерительную систему, обладает значительной инерционностью, обусловленной наличием массы штока, несущего подвижное зеркало, и поддерживающих шток пружин, что приводит к ограничению интервала измерений давлений и точности измерений, а кроме того, известный датчик требует сложной системы интерпретации информационного сигнала из-за необходимости анализа интерферограммы.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных пульсаций давления за счет снижения инерционности измерительной системы и повышения устойчивости интерференционной картины, а также повышение чувствительности оптической системы.

Указанный в задаче технический результат достигается тем, что в известном оптико-механическом измерителе давления, состоящем из герметичного корпуса, в котором расположены чувствительный элемент, оптическая система на основе интерферометра Майкельсона с подвижным и неподвижным отражателями и система регистрации, одна из сторон корпуса выполнена в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, являющейся чувствительным элементом и одновременно подвижным отражателем оптической системы, а в качестве неподвижного отражателя используют два плоскопараллельных зеркала, установленных с возможностью юстировки на пьезокерамических основаниях под углом 90^o друг к другу и связанных с системой регистрации, которая выполнена таким образом, что позволяет изменять длину оптического пути, проходимого опорным лучом.

Поскольку измерение переменной составляющей давления является одним из основных назначений заявляемого прибора, предусматривается устранение прогиба чувствительного элемента (мембраны), возникающего из-за воздействия постоянного внешнего давления в случае, если устройство находится в среде, давление в которой отличается от атмосферного. С этой целью в корпусе прибора устанавливают перегородку, параллельную чувствительному элементу и расположенную между чувствительным элементом и оптической системой. Для создания в этом новом отсеке давления, равного постоянному внешнему, в корпусе устройства предусмотрен герметизируемый штуцер, через который закачивается/откачивается газ под давлением, равным среднему внешнему давлению жидкости или газа на внешней поверхности мембраны.

Перегородку выполняют либо из металла с прозрачным окном для прохождения измерительного луча, либо целиком изготавливают из прозрачного материала.

Отличительными признаками заявляемого устройства по отношению к прототипу являются следующие: выполнение одной из сторон корпуса в виде чувствительного элемента, который представляет собой мембрану с нанесенным светоотражающим покрытием и одновременно является подвижным отражателем интерферометра, а также использование в интерферометре в качестве неподвижного отражателя двух плоскопараллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90^o друг к другу и связанных с системой регистрации, которая за счет цепи обратной связи позволяет изменять оптическую длину, проходимую опорным лучом интерферометра.

Вся оптическая часть заявляемого прибора устанавливается на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением. Она позволяет уменьшить, влияние температуры, влажности, вибрационных помех на измеряемые параметры и обеспечивает жесткое закрепление элементов заявляемого прибора.

В качестве плоскопараллельных зеркал применяют плоскопараллельные пластины с наружным или внутренним зеркальным покрытием, обеспечивающим практически 100%-ное отражение.

Пьезокерамические основания укреплены на пластинах, в которые с внешней стороны упираются юстировочные болты. С их помощью осуществляют настройку интерференционной картины оптической системы.

Замена уголкового отражателя в опорном плече на два плоскопараллельных зеркала, расположенных под углом 90^o друг к другу и имеющих возможность настройки, позволяет с помощью юстировочных болтов послать луч от одного зеркала на другое под углом, отличающимся от 90^o на угол, равный углу между падающим и отраженным лучами в измерительном плече. Это в свою очередь дает возможность сделать опорный и измерительный лучи в пространстве параллельными, т. е. настроить практически идеальную интерференционную картину, а значит, повысить чувствительность интерферометра.

Применение двух плоскопараллельных зеркал дает возможность отказаться от настройки интерференционной полосовой картины и перейти к настройке интерференции по пятну-минимуму, что приводит к 1) уменьшению дробового шума фотоприемника и, конечно, к улучшению отношения сигнал/шум; 2) слабой зависимости незначительно меняющихся параметров светового луча (интенсивность, размер, расходимость) от температуры, влажности, давления; 3) повышению устойчивости интерференционной картины.

Настройку интерференции на пятно-минимум осуществляют следующим образом. С помощью юстировочных винтов опорный луч и луч в измерительном плече устанавливаются параллельными на базе порядка 10 м, затем с помощью отражателя эти лучи сбиваются. При этом возникает интерференционная картина, как правило, в виде слабо выраженных полос или колец (полуколец). Дальнейшей юстировкой с помощью болтов добиваются улучшения интерференционной картины, настраивая ее на пятно-минимум, которое попадает на фотодиод (приемное устройство). Интенсивность лучей, попадающая на фотодиод, описывается следующим выражением

где I₁, I₂ - интенсивность интерферирующих лучей; L₁, L₂ - длины плеч интерферометра; λ - длина волны лазера. При I₁ = I₂

Пятно-минимум соответствует случаю, когда и, следовательно, I = 0. Это при идеальном случае. В реальном случае I₁ ≈ I₂, и тогда минимуму соответствует интенсивность .

Замена одного из уголковых отражателей в опорном плече интерферометра привела к значительному увеличению чувствительности оптической системы и уменьшила влияние вариаций температуры, давления, влажности на измеряемые параметры сигналов.

Благодаря наличию этих признаков при работе заявляемого датчика достигается возможность измерения как низкочастотных и сверхнизкочастотных пульсаций давления, так и среднего значения давления с высокой степенью точности, поскольку значительно снижается инерционность системы, повышается чувствительность и устойчивость оптической системы, а также упрощается схема устройства из-за отсутствия в ней дополнительных отражающих зеркал и линз в системе настройки полосовой интерференции и отсутствия устройства термокомпенсации.

Заявляемое устройство дает возможность регистрировать давления, начиная со значений вблизи нуля и выше, и измерять пульсации давления в достаточно широком частотном диапазоне, поскольку позволяет провести измерения механического смещения поверхности мембраны величиной порядка 0,5-1,0 нм.

Предложенный оптико-механический измеритель давления представляет собой герметичный корпус, в котором на оптической скамье размещена оптическая система, выполненная по схеме Майкельсона, и система регистрации. Один из торцов корпуса выполняют в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием и, как правило, из металла. Он является одновременно чувствительным элементом устройства и подвижным отражателем оптической системы.

Сущность заявляемого измерителя давления иллюстрируется оптической схемой, представленной на чертеже. Представленная оптическая система состоит из источника монохроматического излучения 1, коллиматора 2 и интерферометра, выполненного по схеме Майкельсона, который содержит светоделитель 3, световод 4, линзу 5, подвижный отражатель (мембрана со светоотражающим покрытием) 6, являющийся одновременно чувствительным элементом датчика, неподвижный отражатель опорного луча 7, фотодетектор 8 и систему регистрации 9. Система регистрации выполнена с возможностью изменения оптической длины пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи 10.

Неподвижный отражатель 7 выполнен в виде двух плоскопараллельных зеркал, расположенных с возможностью юстировки под углом 90^o друг к другу на пьезокерамических основаниях (не показаны) и установленных на оптической скамье, что позволяет отказаться от настройки интерференционной полосовой картины и перейти к настройке интерференции по пятну-минимуму.

Первоначальную настройку интерференции на пятно-минимум осуществляют с помощью юстировочных винтов (не показаны), расположенных на плоскопараллельных зеркалах.

Обратную связь осуществляют посредством того, что на пьезокерамические основания, на которых установлены плоскопараллельные зеркала, подается электрический сигнал, который изменяет геометрические размеры пьезокерамического основания и соответственно изменяет оптическую длину, проходимую опорным лучом интерферометра.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Луч от источника излучения 1 попадает на коллиматор 2, где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее луч направляется на плоскопараллельный светоделитель 3, где расщепляется на два пучка. Один из них через световод 4 попадает в измерительное плечо и, проходя через линзу 5, отражается от светоотражающего покрытия мембраны 6 параллельно падающему лучу и попадает на светоделитель 3, а затем на фотодиод 8 в место прихода луча от отражателя 7 опорного луча. В данном месте измерительный и опорный лучи сбиваются с помощью юстировочных болтов (не показаны), расположенных на плоскопараллельных зеркалах 7. Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фотодиод 8. В корпусе вне оптических путей расположена система регистрации 9 с цепью обратной связи 10.

Под воздействием внешнего давления на мембрану изменяется оптическая длина, проходимая измерительным лучом, что приводит к изменению интенсивности света в месте нахождения фотодиода. Соответственно система регистрации вырабатывает сигнал обратной связи, подаваемый на пьезокерамические цилиндры, на которых укреплены отражающие зеркала 7 опорного луча, и этим изменяется оптическая длина, проходимая опорным лучом. Таким образом, за счет обратной связи интенсивность пятна в месте нахождения фотодиода поддерживается постоянной. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамические основания зеркал 7, пропорциональна смещению измерительного луча и соответственно является мерой смещения центральной части мембраны.

Таким образом, выявленная совокупность существенных признаков предложенного устройства обеспечивает расширение интервала измеряемых величин давлений, измерение низкочастотных и сверхнизкочастотныx пульсаций давления с точностью, недоступной другим известным датчикам, позволяет регистрировать давления, начиная со значений вблизи нуля и выше.

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения среднего значения и пульсаций давления жидкостей и газов и может быть использовано в гидрофизике и гидроакустике. Измеритель содержит корпус, внутри которого расположены оптическая и инерционная системы. Оптическая система выполнена по схеме интерферометра Майкельсона, в котором подвижный отражатель представляет собой мембрану, являющуюся одновременно одной из сторон корпуса, а неподвижный - два плоскопараллельных зеркала, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу. Технический результат - повышение точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных пульсаций давления за счет снижения инерционности измерительной системы и повышения устойчивости интерференционной картины, а также повышение чувствительности оптической системы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптико-механический измеритель давления, содержащий герметичный корпус, чувствительный элемент и расположенные внутри корпуса оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона, включающего подвижный и неподвижный отражатели, и систему регистрации, отличающийся тем, что одна из сторон корпуса выполнена в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, являющейся чувствительным элементом и одновременно подвижным отражателем оптической системы, а в качестве неподвижного отражателя оптической системы используют два плоскопараллельных зеркала, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90^o друг к другу и связанных с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, проходимого опорным лучом. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что корпус дополнительно снабжен штуцером.