ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01L11/02 G01L19/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения давлений 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 G01L 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).

Недостатком данных датчиков является высокая температурная погрешность, обусловленная изменением геометрических параметров датчика. Данный недостаток устранен в ВОДД, содержащем корпус, подводящие и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых с зазором установлена стаканообразная мембрана с зеркальной отражающей поверхностью, штуцер, выполненный за одно целое с мембраной, прокладку, общие торцы подводящих и отводящих оптических волокон закреплены во втулке, поверхность которой, обращенная к мембране, опирается на торцевую поверхность прокладки, другая торцевая поверхность прокладки опирается на штуцер, причем внутренние размеры прокладки больше внешних соответствующих размеров мембраны (заявка на изобретение №2003118757, МПК⁶ G01L 19/04. Волоконно-оптический датчик давления).

Недостатком этого датчика является 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.

Известно устройство, содержащее отражающую поверхность, источник и приемники излучения, жгут подводящих и отводящих оптических волокон, в котором указанный выше недостаток устранен за счет введения дополнительного жгута подводящих и отводящих оптических волокон (Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - с.93).

Недостаток этого устройства заключается в том, что если зеркальная поверхность расположена на мембране, то останется неисключенной температурная погрешность, обусловленная изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей или измеряемой среды.

Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в высокой точности измерения из-за влияния на результат измерения изменения геометрических и упругих параметров мембраны при изменении температуры окружающей и измеряемой среды.

Предлагается новая конструкция волоконно-оптического датчика отражательного типа, лишенная указанного недостатка.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом датчике давления, содержащем корпус, прокладку, на которую опирается втулка, рабочий и дополнительный жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, общие торцы которых закреплены во втулке, мембрану радиусом R с зеркальной поверхностью, установленную относительно общего торца рабочего жгута с зазором x₀, общий торец дополнительного жгута подводящих и отводящих оптических волокон расположен напротив зеркальной поверхности мембраны с зазором х₀, оптические оси подводящих и отводящих волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих волокон рабочего жгута соответственно на расстоянии А, определяемом выражением

где r_с- радиус сердцевины оптического волокна,

α - максимальный угол прогиба мембраны,

где W- максимальный прогиб центра мембраны,

x₀=d_OB/2tgΘ_NA, (3)

где d_OB - диаметр оптического волокна,

Θ_NA - апертурный угол оптического волокна.

В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предполагаемым 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 упрощенная конструкция предлагаемого датчика, на фигурах 2 и 3 - геометрические построения для определения конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя давления.

Датчик содержит рабочий жгут подводящих 1 и отводящих 2 оптических волокон, общий торец которых закреплен во втулке 3 на расстоянии x₀, определяемом выражением (3), от отражающей поверхности мембраны 4, выполненной за одно целое со штуцером 5. Начальный зазор между мембраной и общим торцом рабочего жгута оптических волокон выставляется с помощью прокладки 6. Втулка 3 жестко закреплена посредством прокладки 6 и корпуса 7 относительно штуцера 5. Во втулке 3 на расстоянии x₀ от отражающей поверхности мембраны 4, определяемом выражением (3), жестко закреплен общий торец дополнительного жгута подводящих 8 и отводящих 9 оптических волокон. Оптические оси подводящих и отводящих оптических волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих оптических волокон рабочего жгута на расстоянии А соответственно, определяемом выражением (1).

Датчик работает следующим образом.

Световой поток Ф₀ от источника излучения ИИ 10 по подводящим оптическим волокнам ПОВ 1 и 8 направляется к отражающей поверхности мембраны 4. Под действием давления мембрана 4 прогибается. Интенсивность потоков, отраженных от нее и поступающих в отводящие оптические волокна OOB 2 и 9, изменяется.

В первом измерительном канале (в зоне рабочего жгута волокон) происходят следующие преобразования (фиг.2).

Лучи света от ПОВ 1 проходят путь X_i до зеркала и путь Х_i в обратном направлении до OOB 2 под апертурным углом Θ_NA к оптической оси OB. При этом в плоскости OOB 2 наблюдается освещенная кольцевая зона.

Так как площадь светового пятна S_OTP1 на отражающей поверхности мембраны ничтожно мала в сравнении с площадью мембраны, то можно с достаточной точностью считать, что под действием давления Р центральная часть поверхности мембраны перемещается перпендикулярно оптической оси волоконно-оптического преобразователя давления.

Таким образом, под действием измеряемого давления Р зеркальная поверхность мембраны 4 прогибается на величину W и перемещается в направлении X. При этом изменяется положение кольцевой зоны относительно OOB 2 в направлении -Z₁, которое ведет к изменению площади S_ПР1 приемного торца OOB 2, освещенной отраженным от зеркала световым потоком.

Таким образом, происходят следующие преобразования:

Во втором измерительном канале (в зоне дополнительного жгута волокон) происходят следующие преобразования (фиг.2 и 3).

Лучи света от ПОВ 8 проходят путь до зеркальной поверхности мембраны и путь в обратном направлении до OOB 9 под апертурным углом Θ_NA к оптической оси OB. При этом в плоскости OOB 9 наблюдается освещенная кольцевая зона.

Под действием измеряемого давления Р зеркальная поверхность мембраны 4, расположенная вблизи защемления, прогибается на угол α. При этом изменяется положение освещенной кольцевой зоны относительно OOB 9 в направлении +Z₂, которое ведет к изменению площади S_ПР2 приемного торца ООВ 9, освещенной отраженным от зеркала световым потоком.

Так как прогиб центральной части мембраны W небольшой и, соответственно, угол α ничтожно мал, то можно с достаточной точностью считать, что угол α определяется выражением (2).

Таким образом, происходят следующие преобразования:

Отраженный световой поток Ф₁(P), изменяющийся в соответствии с законом изменения контролируемого давления Р, по отводящим оптическим волокнам 2 поступает на рабочий приемник излучения РПИ 11, где формируется электрический сигнал I₁(Р). Отраженный световой поток Ф₂(Р), изменяющийся в соответствии с законом изменения контролируемого давления Р, по отводящим оптическим волокнам 9 поступает на рабочий приемник излучения РПИ 12, где формируется электрический сигнал I₂(P).

Электрические I₁ и I₂, поступают на вход блока преобразования информации (БПИ), где формируется разность сигналов I₁(Р)-I₂(Р).

При изменении температуры окружающей или измеряемой среды изменяются геометрические параметры мембраны: толщина h и радиус R, а также упругие свойства мембраны, что ведет к изменению модуля упругости материала мембраны Е. Для уменьшения температурной погрешности датчика, обусловленной перечисленными факторами повышения чувствительности преобразования, необходимо сформировать отношение разности сигналов I₁(P) и I₂(P) к их сумме: I₁(P)-I₁(P)/I₁(P)+I₂(P).

Данная операция позволяет также компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов.

Для того чтобы осуществлялось дифференциальное преобразование оптических сигналов необходимо, чтобы |-z_1i|=|+z_2i|.

Значения Z₁ и Z₂ находим из геометрических построений, приведенных на фигуре 3.

Рассмотрим ΔOPN и ΔOFL:

|ОР|=|PN| и |OF|=|FL|⇒ треугольники являются равносторонними, тогда:

|РК|=х₀,; |FK'|=x₀-W; |ON|=d_OB-r_c,; |OL|=d_OB-r_c-z_1i.

Подставляя эти выражения в формулу (4), получим равенство:

откуда

Выразим нужные для расчета углы через α и Θ_NA. Рассмотрим ΔRBA' и ΔRBS: так как A'B⊥BS и A'R⊥RS, RB - общая сторона, то в прямоугольном треугольнике ΔRA'S: ∠RA'S=90-α; ∠BSR=α; ∠RA'B=α.

Так как ∠RBS=90+Θ_NA, то ∠BRS=90-Θ_NA-α.

Рассмотрим ΔO'RQ: ∠O'RQ=δ;

где δ - угол между перпендикуляром к прогнутой мембране и падающим на мембрану лучом;

δ=180-(90-Θ_NA)-(90-α)=Θ_NA+α.

Рассмотрим ΔRQM: ∠RQM=ψ,

где ψ - угол между перпендикуляром к прогнутой мембране и горизонтальной плоскостью;

ψ=180-(90-α)=90+α.

Находим угол γ между отраженным лучом и горизонтальной плоскостью:

γ=180-δ-ψ=180-Θ_NA-α-90-α=90-Θ_NA-2α.

Рассмотрим ΔUEM: ∠UEM=λ,

где λ - угол между отраженными от мембраны лучами в крайних ее положениях;

λ=180-(90+Θ_NA)-γ=180-90-Θ_NA-90+Θ_NA+2α=2α.

Рассмотрим ΔO'RM: ∠0'RM=2δ; ∠RO'M=90-Θ; ∠O'MR=γ;

где b - расстояние от края сердцевины оптического волокна до основания перпендикуляра опущенного на мембрану в отсутствие ее прогиба.

Подставляя последнее равенство в предыдущую формулу, получаем зависимость:

Из полученной формулы выражаем z_2i подставляя значения углов δ и γ:

Выразим b через х₀ и Θ_NA:

Подставляя последнее равенство в формулу (6), получаем зависимость:

|RO'|=||O'B|-|RB|. (8)

Находим |O'B|:

Для дальнейших рассуждений удобно расстояние BS от защемления мембраны до точки падения луча на мембрану обозначить через m.

Находим m:

m=R-A-b-r_c,

где А - расстояние между двумя парами волокон.

Подставляем значение b в полученное выражение, тогда:

m=R-A-(x₀tgΘ_NA+r_c). (10)

Находим |RB|. Рассмотрим ΔRBS и ΔARB:

Окончательно с учетом выражений (10) и (11):

Подставив в формулу (8) выражения (12) и (9), получим:

Подставляя равенство (12) в формулу (7), получаем зависимость:

Для нахождения расстояния А, при котором осуществляется дифференциальное преобразование сигналов, необходимо, чтобы |z_1i|=|z_2i|. Для этого приравниваем выражения (5) и (14):

получим

Для круглой мембраны

где μ - коэффициент Пуассона.

Тогда с учетом выражения (15) формула (14) примет вид:

Условие A<R выполняется при:

В качестве примера рассмотрим волоконно-оптический преобразователь давления с круглой мембраной и оптическими волокнами TXO.735.123ТУ с параметрами: диаметр оптического волокна d_OB=500 мкм, d_C=200 мкм, апертурный угол Θ_NA=12°.

Проведем приближенные вычисления для указанного примера, приняв x₀=930 мкм, получим:

930 мкм > 550 мкм.

Вывод: Условие выполняется, следовательно, существует такое расстояние А, при котором возможно дифференциальное изменение оптических сигналов в рабочем и дополнительном измерительных каналах.

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.

Предложенная конструкция датчика обеспечивает дифференциальную обработку оптических сигналов, которая позволяет существенно снизить температурную погрешность, обусловленную изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей или измеряемой среды. Кроме того, достигается более линейная функция преобразования, значительно снижается влияние на точность измерения неинформативных параметров внешней среды и изгибов волоконно-оптического кабеля, снижаются погрешности, обусловленные изменением мощности источников излучения.

При этом данное техническое решение не ведет к существенному усложнения конструктивного и схемного решения датчика, соответственно, не ведет к лишним материальным затратам.

Сущность: датчик содержит корпус, прокладку, на которую опирается втулка, рабочий и дополнительный жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, общие торцы которых закреплены во втулке. Мембрана радиусом R с зеркальной поверхностью установлена относительно общего торца рабочего жгута с зазором x₀. Общий торец дополнительного жгута расположен напротив зеркальной поверхности мембраны с зазором x0. Оптические оси подводящих и отводящих оптических волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих оптических волокон рабочего жгута соответственно на расстоянии А, определяемом выражением

где r_c - радиус сердцевины оптического волокна, α - максимальный угол прогиба мембраны, W - максимальный прогиб центра мембраны, x₀=d_OB/2tgΘ_NA, где d_OB - диаметр оптического волокна, Θ_NA - апертурный угол оптического волокна. Технический результат изобретения заключается в уменьшении температурной погрешности, обусловленной изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей или измеряемой среды. 3 ил.

Волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, прокладку, на которую опирается втулка, рабочий и дополнительный жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, общие торцы которых закреплены во втулке, мембрану радиусом R с зеркальной поверхностью, установленную относительно общего торца рабочего жгута с зазором x₀, отличающийся тем, что общий торец дополнительного жгута подводящих и отводящих оптических волокон расположен напротив зеркальной поверхности мембраны с зазором х₀, оптические оси подводящих и отводящих волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих волокон рабочего жгута соответственно на расстоянии А, определяемом выражением

где r_c - радиус сердцевины оптического волокна;

α - максимальный угол прогиба мембраны,

где W - максимальный прогиб центра мембраны;

x₀=d_OB/2tgΘ_NA,

где d_OB - диаметр оптического волокна;

Θ_NA - апертурный угол оптического волокна.