ТЕРМОСТАБИЛЬНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01L11/02 G01L9/00 

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам, а конкретно к волоконно-оптическим преобразователям давления, в которых световой поток между передающим и приемным световодами модулируется перемещением мембраны, прогибающейся под действием приложенного давления.

Известны датчики давления, состоящие из мембранного чувствительного элемента, волоконно-оптического преобразователя и оптоэлектронного блока с источником и приемником излучения. В таких датчиках общий оптический торец волоконно-оптического преобразователя закреплен в корпусе чувствительного элемента и обращен к мембране, а передающий и приемные световоды состыкованы соответственно с источником и приемником излучения [1]-[4].

Недостатком этих устройств является большая температурная погрешность при измерении давления.

Известен датчик давления, состоящий из оптоэлектронного блока с источником и приемником излучения, мембранного чувствительного элемента и волоконно-оптического преобразователя, общий оптический торец которого обращен к мембране, а торцы передающего и приемного световодов состыкованы соответственно с источником и приемником излучения.

Внутри корпуса чувствительного элемента помещен общий оптический торец волоконно-оптического преобразователя, представляющего собой жгут из регулярно уложенных волоконных световодов, и гибкая мембрана. Если на мембрану не действует какое-либо давление, она имеет плоскую форму и отражает в световоды приемного оптического канала световой поток определенной величины. При воздействии на мембрану давления она становится выпуклой по отношению к торцу жгута и изменяется величина отраженного светового потока в световодах приемного оптического канала и это изменение регистрируется приемником излучения.

Оптоэлектронный блок содержит светоизлучающий диод, фотодиод, усилители и преобразователи получаемых от фотоприемника электрических сигналов.

Волоконно-оптический преобразователь состоит из волоконных световодов с сердцевиной и оболочкой из соответствующих кварцевых стекол с показателями преломления: сердцевины - n₁=1,62 и оболочки - n₂=1,52. Отличительной особенностью примененных в жгуте волокон является очень малая толщина оболочки каждого световода: при диаметре сердцевины 70 мкм оболочка световода имеет толщину лишь 3,5 мкм. Такое нестандартное оптическое волокно специально изготавливается для рассматриваемого датчика.

Данное устройство принято за прототип [5].

Прототип обладает теми же недостатками, что и аналог: большая температурная погрешность датчика и неспособность измерительного оптического тракта исключить эту температурную погрешность. Температурная погрешность в рассматриваемом прототипе обусловлена конструкцией оптического измерительного тракта, включающего светоизлучающий диод и волоконно-оптический преобразователь из кварцевых световодов.

Известно [6] , что повышение температуры приводит к снижению оптической мощности на выходе светоизлучающего диода. При повышении температуры на 1^oС мощность излучения, генерируемая светоизлучающим диодом с рабочей длиной волны 0,85 мкм, уменьшается на 0,8% (если за 100% считать мощность излучения светоизлучающего диода при 25^oС). В то же время, кварцевые световоды являются термостабильными и не изменяют оптические свойства в широком диапазоне температур - 80 - +1000^oС [7]. Поэтому изменение условий эксплуатации, а конкретно температуры окружающей среды, приводит к большой температурной погрешности датчика. В прототипе эту погрешность пытаются устранить совершенствованием электрической схемы датчика, тем не менее она остается на уровне 3%.

Целью изобретения является уменьшение температурной погрешности датчика.

Указанная цель достигается тем, что в датчике давления, состоящем из оптоэлектронного блока с источником и приемником излучения, мембранного чувствительного элемента и волоконно-оптического преобразователя, общий оптический торец которого закреплен в корпусе чувствительного элемента и обращен к мембране, а торцы передающего и приемного световодов оптически связаны соответственно с источником и приемником излучения, волоконно-оптический преобразователь выполнен на основе термонестабильных волоконных световодов, а длина волны источника излучения меньше рабочей длины волны волоконных световодов.

Заявленная совокупность существенных признаков неизвестна из уровня техники, следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Авторам неизвестно техническое решение, в котором уменьшение ошибки в показаниях волоконно-оптического датчика давления от влияния температуры достигалось заявленной отличительной совокупностью признаков.

Отличительная совокупность признаков обеспечивает уменьшение ошибки в показаниях датчика тем, что измерительный оптический тракт датчика построен на принципе одновременного сочетания противоположно направленных эффектов: увеличение температуры окружающей среды снижает мощность источника излучения и выходной сигнал датчика уменьшается, однако это же увеличение температуры увеличивает светопропускание термонестабильных световодов [8], что вызывает увеличение выходного сигнала датчика. Кроме этого, при увеличении температуры источника излучения происходит смещение максимума спектрального распределения в сторону длинных волн: длина волны источника излучения приближается к рабочей длине волны волоконных световодов, что снижает оптические потери в измерительном тракте и выходной сигнал датчика также увеличивается.

В измерительном оптическом тракте предлагаемого датчика одновременно действуют противоположно направленные физические эффекты и, как следствие, происходит уменьшение температурной погрешности датчика.

Таким образом, предложенная для уменьшения температурной погрешности новая совокупность признаков явным образом не следует из уровня техники и, следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательского уровня" ("существенные отличия").

Термостабильный волоконно-оптический датчик давления содержит мембранный чувствительный элемент 1, в котором закреплены мембрана 2 и волоконно-оптический преобразователь 3, выполненный из термонестабильных волоконных световодов. Преобразователь с одной стороны обращен к мембране 2, а с другой стороны оптически связан с источником излучения 4 и фотоприемником 5, расположенными в оптоэлектронном блоке 6.

Термостабильный датчик давления работает следующим образом (фиг.1).

Давление вызывает прогиб мембраны 2. Этот прогиб мембраны уменьшает расстояние от торца 7 световодов до мембраны 2. При этом уменьшается поток отраженного от мембраны 2 и попадающего на фотоприемник 5 излучения. При повышении температуры мощность источника излучения уменьшается и показания датчика падают. Одновременно увеличение температуры увеличивает светопропускание термонестабильного световода вследствие увеличения его числовой апертуры и смещения длины волны источника излучения к его рабочей длине волны. При этом показания датчика растут. Сочетание двух противоположно направленных физических эффекта практически устраняет температурную погрешность при измерении давления заявляемым датчиком.

В лучшем исполнении датчика в качестве световода 3 используется кварц-полимерное оптическое волокно с диаметром световедущей жилы d=600 мкм и с числовой апертурой NA=0,3. В качестве излучателя 4 использован светоизлучающий диод с длиной волны λ=0,807 мкм, а фотоприемника 5 - pin - фотодиод. Мембрана - из титановой пластины, толщиной 0,05 мм.

Экспериментально установлено, что при измерении давления в 1,01325•10⁴ Па (0,1 атм) увеличение температуры окружающей среды от - 10 до +70^oС приводит к погрешности измерения 1%.

Использованные источники информации:
1. А.с. 1296869, МКИ G 01 L 7/08, 1987 г.

2. SU 1504522, МКИ G 01 L 11/00, 1987 г.

3. Оптико-механичнские преобразователи давления. Жилин В.Г. и др. В журнале "Теплофизика высоких температур", 5, 1979 г., с. 1064.

4. SU 1500889, МКИ G 01 L 11/00, 1987 г.

5. Lowson C.M., Tekippe V.J., Eniromentally Intensitive Diaphragm Reflectance Pressure Transducer. | Fider Optic and Laser Sensor. Proc. SPIE. Vol. 412, 1983. Р. 96-102., прототип.

6. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы:
Справочник В.И.Иванов, А.И.Аксенов, А.М.Юшин. - М. Энергоатомиздат, 1989 г.

7. Оптоэлектроника. Носов Ю.Р. - М; Радио и связь, 1989.

8. Специфика применения оптоволокна кварц-полимер в пирометрии. Григорьев В.А. В журнале "Электронная промышленность, 8, 1988 г.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим измерительным преобразователям давления, и может быть использовано при измерении широкого диапазона давлений в условиях повышенной температуры окружающей среды. Датчик давления содержит оптоэлектронный блок с источником и приемником излучения, волоконно-оптический преобразователь и мембранный чувствительный элемент. Преобразователь выполнен на основе термонестабильных световодов. При повышении температуры мощность источника излучения уменьшается, одновременно увеличивается светопропускание термостабильного световода. Длина волны источника излучения меньше рабочей длины волны световодов волоконно-оптического преобразователя, т.к. при увеличении температуры происходит снижение максимума спектрального распределения в сторону длинных волн светодиода. Технический результат - уменьшение температурной погрешности датчика. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Волоконно-оптический датчик давления, содержащий оптико-электронный блок с источником и приемником излучения, мембранный чувствительный элемент и волоконно-оптический преобразователь, содержащий передающие и приемные световоды, связанные соответственно с источником и приемником излучения, а общий торец которого оптически связан с мембранным чувствительным элементом, отличающийся тем, что для уменьшения температурной погрешности датчика волоконно-оптический преобразователь выполнен из термонестабильных волоконных световодов. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что длина волны источника излучения меньше рабочей длины волны волоконных световодов волоконно-оптического преобразователя.