Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в датчиках физических величин (давления, перемещения, ускорения, уровня жидкости, параметров вибрации и т.п.) в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения физических величин в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники.
Известны волоконно-оптические датчики давления (ВОДД), содержащие световодные жгуты, установленные на фиксированном расстоянии от светоотражающей металлической мембраны, процесс измерения давления в которых осуществляется путем регистрации изменения интенсивности отраженного светового потока в зависимости от прогиба мембраны под действием давления (Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.11-12; Авдошин Е.С. Волоконная оптика в военной технике США // Зарубежная электроника, 1989. - №11. - С.98-99; а.с. 1631329, G 01 L 11/00. Датчик давления; Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.40-41).
Недостатками данных датчиков являются:
- низкая чувствительность преобразования, обусловленная существенными потерями светового потока при отражении от зеркальной поверхности мембраны в пределах апертурного угла оптических волокон,
- высокая температурная погрешность, обусловленная изменением геометрических параметров датчика,
- погрешность от неинформативных изгибов оптических волокон в процессе сборки, испытаний и эксплуатации датчиков.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, в котором под воздействием переменного акустического поля свет модулируется тонкой шторкой из титановой фольги, прикрепленной к гибкой мембране. Свет от светодиода поступает через разветвитель по волоконному световоду в полость, где расположена шторка, модулированный свет по другому световоду направляется на фотодиод [Световодные датчики / Б.А.Красюк, О.Г.Семенов, А.Г.Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - С.15].
Недостатками этого устройства являются низкая чувствительность преобразования, из-за существенных потерь оптической мощности в разветвителях, из-за потерь светового потока в процессе передачи его от подводящих оптических волокон к отводящим оптическим волокнам в пределах апертурного угла оптических волокон, а также высокая погрешность, обусловленная неинформативными изгибами оптических волокон при воздействии внешних механических факторов, например при сборке датчиков, при испытаниях, при эксплуатации, которые ведут к существенным неинформативным потерям оптического сигнала при его прохождении по оптическим волокнам.
Кроме того, данное устройство требует очень точной юстировки оптических волокон относительно друг друга и шторки, что значительно усложняет технологию их изготовления и, соответственно повышает его стоимость.
Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в высокой точности измерения из-за низкой чувствительности преобразования, влияния на результат измерения изменения мощности источника излучения, изгибов волоконно-оптического кабеля.
Предлагается новая конструкция волоконно-оптического преобразователя перемещения, лишенная перечисленных выше недостатков.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом преобразователе перемещения, содержащем соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, расстояние между подводящими оптическими волокнами и шторкой определяется выражениями
l1>dc/2tgΘNA,
радиус отверстия в шторке R0 выражением
R0=(l1+tШТ)tgΘNA,
расстояние между подводящими и отводящими оптическими волокнами определяется выражением
где dc, dOB, ΘNA - диаметр сердцевины, внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно;
tШТ - толщина шторки;
в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки.
В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающим заявляемый технический результат.
Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.
На фигуре 1 приведена конструктивная схема предлагаемого преобразователя перемещения, на фигуре 2 - расчетно-конструктивная схема преобразователя перемещения, на фигуре 3 - упрощенная конструктивная схема одного из вариантов дифференциального волоконно-оптического датчика давления, включающего предлагаемый преобразователь перемещения.
Волоконно-оптический преобразователь перемещения содержит подводящее оптическое волокно ПОВ 1, соосно расположенную с ним (в нейтральном положении: при начальном значении входной физической величины) шторку 2 с отверстием толщиной t, отводящие оптические волокна ООВ 3 первого измерительного канала, отводящие оптические волокна ООВ 4 второго измерительного канала, отрезок технологического волокна или цилиндрическую деталь 5. Шторка 2 расположена на расстоянии l1 относительно торца ПОВ 1 (фигура 1). Торцы ООВ 3 и 4 первого и второго измерительных каналов соответственно расположены на расстоянии L от ПОВ 1. Технологическое оптическое волокно 5 необходимо для симметризации оптических волокон 3 и 4. Вокруг технологического волокна 5 расположены приемные торцы отводящих оптических волокон 3 и 4, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении Z перемещения шторки 2. Количество отводящих оптических волокон в первом и втором измерительных каналов равно, причем в рекомендуемом варианте оно равно трем.
Волоконно-оптический преобразователь перемещения работает следующим образом.
Световой поток Ф0 с выхода ПОВ 1 под апертурным углом ΘNA падает на шторку 2, проходит сквозь нее, и поступает на приемные торцы OOB 3 и 4. Под действием давления шторка 2 перемещается на значение Z относительно ООВ 3 и 4, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Ф1(Z) и Ф2(Z), поступающих далее по отводящим волокнам на светочувствительные площадки приемников излучения (фотодиодов) первого и второго измерительных каналов соответственно.
Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические I1 и I2, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ). В БПИ осуществляется операция деления сигналов I1 и I2, что позволяет компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов. Для повышения чувствительности преобразования можно сформировать отношение разности сигналов I1 и I2 к их сумме.
Основная задача расчета оптической системы заключается в определении ряда конструктивных параметров, обеспечивающих эффективный ввод излучения из ПОВ 1 в OOB 3 и 4, максимальную глубину модуляции оптического сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения торцов OOB, минимальные габаритные размеры измерительного преобразователя. Исходными данными для расчета являются:
1) тип используемых оптических волокон, характеризующихся следующими справочными данными: апертурным углом θNA; радиусом сердцевины rс (диаметром сердцевины dc);
2) максимальное перемещение шторки вдоль оси Z;
3) дистанция формирования пучка LФ=dC/2tgΘNA;
4. Местоположение плоскости А-А, в которой расположены приемные торцы OOB, где распределение освещенности равномерное.
В результате расчета должны быть определены следующие параметры: радиус отверстия в шторке RO; расстояние от излучающего торца ПОВ до шторки l1; расстояние от шторки до приемного торца OOB l2; расстояние от излучающего торца ПОВ до приемного торца OOB L; толщина шторки tшт.
Так как в конструкции датчика используется дифференциальная схема управления световым потоком, в которой при Zi=0, когда центр изображения совпадает с осью приемных торцов OOB, открыты верхняя половина OOB первого измерительного канала и нижняя половина OOB второго измерительного канала. При этом для того, чтобы потоки Ф1 и Ф2, поступающие в OOB каждого канала, были равны, важно, чтобы поверхность шторки 2 и OOB 3 и 4 были освещены равномерно. Это достигается расположением шторки на расстоянии l1>LФ и расположением OOB на расстоянии L>l1+tШТ.
Из треугольника MNF (см. фиг.1)
Из треугольника ОВС:
Толщина шторки tШТ выбирается из следующих соображений: она должна быть как можно тоньше для уменьшения потерь светового потока, в то же время она должна быть надежной и не прогибаться при воздействии механических воздействий. Рекомендуемые значения толщины шторки 0,2...0,3 мм.
Из уравнения (2) расстояние от излучающего торца ПОВ до шторки l1 определится следующим образом:
Наиболее оптимальное расположение OOB в плоскости А-А, когда изображение излучающего торца ПОВ будет представлять собой кольцо, площадью SA-A. В нейтральном положении при Zi=0 кольцо перекрывает сердцевины всех оптических волокон. Внутренний RВНУТ и внешний RВНЕШ радиусы кольца определяются следующими выражениями:
RВНУТ=dOB-rC,
RВНЕШ=dOB+rC,
Тогда
В качестве примера для расчета оптической системы датчика использованы параметры оптического волокна ТХО.735.123 ТУ: диаметр оптического волокна dOB=500 мкм, dc=200 мкм, апертурный угол θNA=12°. Толщина шторки выбрана tШТ=0,25 мм. В соответствии с графическим построением принято l1=1,57 мм. В этом случае (сечение А-А) диаметр зоны 1 равен диаметру сердцевины dc и освещенность зоны 2 равномерная.
Тогда R0=(1,57+0,25)0,19=0,34 мм;
Существенной глубины модуляции оптического сигнала (до 30%) можно добиться, перемещая шторку вдоль оси Z вверх или вниз относительно OB приблизительно на 0,5dc. Таким образом, при dc=200 мкм перемещение по оси Z составит 100 мкм.
В предлагаемом ВОП перемещения модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перекрытия части светового потока перемещающимся непрозрачным экраном.
Функция преобразования Ф(Z) одного измерительного канала имеет вид:
где Ко - коэффициент, характеризующий распределение освещенности в зоне измерения;
Kшт(Z) - коэффициент передачи тракта "подводящее оптическое волокно ПОВ - шторка - отводящее оптическое волокно OOB";
Фо - начальный световой поток на выходе ПОВ.
Для целенаправленного управления поведением функции преобразования необходимо, чтобы коэффициент Ко был равен 1. Очевидно, что при Ко=1 поведение функции преобразования Ф(Z) будет оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта, то есть коэффициента Кшт(Z).
Расчетная схема измерительного преобразователя датчика при управлении световым потоком при помощи шторки с круглым отверстием, перемещающейся вдоль оси Z, представлена на фигуре 2.
При соосном расположении ПОВ и OOB
где n - количество OOB;
SZi - освещенная часть поперечного сечения сердцевины OOB;
Sc- площадь поперечного сечения сердцевины ОВ;
SA-A - площадь поперечного сечения светового потока в плоскости А-А расположения приемных торцов OOB.
В соответствии с фиг.2:
SA-A=(LtgθNA+rc)2,
где L - расстояние между излучающим торцом ПОВ и плоскостью, в которой расположены приемные торцы OOB, L=dOB/tgθNA;
соответственно
то есть определяется параметрами выбранного оптического волокна.
Площадь сечения SZ зависит от смещения шторки в направлении Z.
Найдем в качестве примера SZ для ООВ3:
Площадь SZ3 представляет собой сумму площадей двух круговых секторов S13 и S23, образованных взаимным пересечением двух окружностей: радиусом rс, равным радиусу сердцевины ОВ и радиусом Rcn, равным радиусу светового потока, прошедшего через отверстие в шторке в плоскости расположения приемных торцов OOB. Причем
Расстояние L выбирается таким образом, чтобы световой поток в плоскости А-А полностью перекрывал торцы OOB в нейтральном положении шторки (при Z=0).
В соответствии с фиг. 2
Но
Соответственно
Тогда с учетом выражений (10)-(13) для SZ3 получим:
По аналогии с SZ3 находим SZ1, имеем:
где i=1...n,
где n - количество отводящих оптических волокон.
Как видно из выражений (14), (15) они отличаются параметрами аi.
Найдем параметры ai. В качестве примера найдем а3(I) третьего OOB первого измерительного канала ООВ3(I) (волокна расположены ваше оси Y).
Из треугольника А3O3(I)OZ
где D3=O3(I)OZ
Из треугольника O2(I)O3(I)OZ
где Zi - смещение шторки вдоль оси Z;
γ=360°/n
По аналогии с a3 и D3 находим аi и Di, где i=1...n, где n - количество отводящих оптических волокон, имеем:
В общем случае, когда имеется n OOB, расположенных на одинаковом расстоянии относительно оптической оси, расстояние Di(I) первого измерительного канала для волокон, расположенных выше оси Y (см. фиг.2), рассчитывается по формуле (18), а для волокон второго измерительного канала, расположенных ниже оси Y - по формуле (19).
Для частного случая, когда имеем шесть OOB, расположенных на одинаковом расстоянии, относительно оптической оси (в центре расположено седьмое технологическое волокно, обеспечивающее симметричность конструкции кабеля), формулы (18) и (19) примут вид:
С учетом выражений (6)-(8), (19) выражение (5) для одного измерительного канала (например, первого) перепишется следующим образом:
где ai, Di определяются выражениями (17)-(19); Rcn - выражением (10).
Если сигналы с выхода OOB 3 и 4 поступают на приемники излучения, а затем на вычитающее устройство, то на его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный разности потоков излучения:
I˜(Ф1-ΔФ)-(Ф2+ΔФ)=2ΔФ.
Таким образом, (Ф1-Ф2)=f(Z). В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования и линеаризация выходной зависимости Ф=f(Z).
Если сигналы с выхода OOB поступают на делительное устройство, то на его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный отношению потоков излучения
I(Z)˜(Ф1-ΔФ)/(Ф2+ΔФ).
Таким образом, Ф1i/Ф2i=f(Z). В этом случае снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения.
При обработке сигналов ВОДД для улучшения метрологических характеристик целесообразно сформировать отношение (Ф1-Ф2)/(Ф1+Ф2). В этом случае наблюдается и удвоение чувствительности преобразования, и линеаризация выходной зависимости, и снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения и чувствительности приемника излучения. В этом случае на выходе датчика формируется сигнал, определяемый следующим выражением:
[I1(P)-I2(P)]/[I1(P)+I2(P)].
Пример конкретного применения волоконно-оптического преобразователя в волоконно-оптическом датчике давления приведен на фигуре 3.
Мембрана 1 жестко соединена со штуцером 2 (например, с помощью сварки) или является его частью. В центре мембраны жестко закреплена (например, с помощью сварки) шторка 3 с отверстием на расстояниях l1 и l2 относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 4 и приемных торцов отводящих оптических волокон OOB 5 первого и второго измерительных каналов соответственно. ПОВ 4 и OOB 5 жестко закреплены в корпусе 6. Юстировка волокон относительно отверстия в шторке 3 осуществляется с помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в процессе настройки датчика.
Датчик работает следующим образом (см. фиг.3). Часть светового потока Ф0 источника излучения ИИ 8 по ПОВ 4 подается в зону измерения, проходит сквозь отверстие в шторке 3 на OOB 5. Под действием измеряемого давления Р мембрана 1 прогибается, соответственно смещается в направлении Z шторка 3. Часть оптического излучения Ф1(Р) проходит через отверстие в шторке, поступает в OOB первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2(Р) - в OOB второго измерительного канала. По OOB 5 первого и второго измерительных каналов световые потоки направляются на ПИ 9 и ПИ 10 соответственно. Приемники излучения ПИ 9 и ПИ 10 преобразуют оптические сигналы Ф1(Р) и Ф2(Р) в электрические сигналы I1(P) и I2(P) соответственно, которые далее поступают на вход блока преобразования информации.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий.
Предложенная конструкция преобразователя обеспечивает дифференциальное управление световым потоком в зоне измерения, чем достигаются более линейная функция преобразования, более высокая точность измерения физических величин (давления, ускорения, силы, параметров вибрации и т.п.) в условиях воздействия внешних воздействующих факторов. Значительно снижается влияние на точность измерения неинформативных параметров внешней среды и изгибов волоконно-оптического кабеля, снижаются погрешности, обусловленные изменением мощности источников излучения, неточностью юстировки оптических волокон и шторки относительно друг друга, так как указанные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в обоих измерительных каналах, которые не влекут изменения их отношения.
Применение трех и более отводящих волокон и оптимальное расположение отдельных элементов оптического тракта относительно друг друга позволяет повысить чувствительность преобразования.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЯ | 2013 |
|
RU2567176C2 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ | 2005 |
|
RU2308677C2 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ | 2005 |
|
RU2308689C2 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ | 2005 |
|
RU2308772C2 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ | 2007 |
|
RU2338155C1 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ | 2008 |
|
RU2419765C2 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ МАЯТНИКОВЫЙ ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА | 2022 |
|
RU2807094C1 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ | 2022 |
|
RU2786690C1 |
СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПОТОКА И РЕАЛИЗУЮЩИЙ ЕГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ | 2020 |
|
RU2740538C1 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОГО ВЕЩЕСТВА И РЕАЛИЗУЮЩИЙ ЕГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ | 2021 |
|
RU2796797C2 |
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения физических величин в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Волоконно-оптический преобразователь перемещений содержит соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон. Расстояние между подводящими оптическими волокнами и шторкой и расстояние между подводящими и отводящими оптическими волокнами определяются выражениями, приведенными в заявке. При этом в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки. Технический результат - повышение точности измерений, упрощение конструкции. 3 ил.
Волоконно-оптический преобразователь перемещений, содержащий соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, отличающийся тем, что расстояние между подводящими оптическими волокнами и шторкой определяется выражениями
l1>dc/2tgΘNA,
а расстояние между подводящими и отводящими оптическими волокнами определяется выражением
где dc, d0в, ΘNA - диаметр сердцевины, внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно;
tшт - толщина шторки;
R0 - радиус отверстия в шторке,
в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки.
Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г | |||
и др | |||
Световодные датчики | |||
- М.: Машиностроение, 1990 | |||
Волоконно-оптический переключатель | 1987 |
|
SU1682952A1 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА | 1992 |
|
RU2029324C1 |
GB 1275867 A, 24.05.1972. |
Даты
2006-12-27—Публикация
2005-04-05—Подача