Способ измерения гидростатического давления и волоконно-оптический датчик гидростатического давления Российский патент 2024 года по МПК G01L1/24 

Изобретение относится к области датчиков гидростатического давления, а конкретнее, к волоконно-оптическим датчикам давления.

Принцип работ данных устройств основан на регистрации изменения характеристик оптического излучения в среде волновода, такого как оптическое волокно, под действием внешнего давления.

Известен (патент США 8764678, A61B 5/00, опуб. 1.07.2014) волоконно-оптический датчик давления на основе резонатора Фабри-Перо с использованием волоконной брэгговской решетки (ВБР). Чувствительный элемент датчика представляет собой стеклянный капилляр, с одного торца которого припаяна стеклянная полированная диафрагма, а внутри закреплено полированное оптическое волокно с ВБР с некоторым зазором до стеклянной диафрагмы.

Недостатком данного решения является ограничение диапазона измеряемого давления датчиком из-за хрупкости стеклянной диафрагмы, что не позволяет использовать данную конструкцию на больших давлениях. Также недостатком является необходимость использования дополнительного оборудования для термокомпенсации, что усложняет конструкцию датчика.

Известен (патент RU 2512136, G01L 1/24, опуб. 10.04.2014) волоконно-оптический датчик спиральной структуры, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства. Датчик способен измерять давление, растяжение и кручение, основанный на эффекте вносимых потерь на макро- и микроизгибах оптического волокна. Чувствительный элемент датчика представляет собой спиральную конструкцию из одного или нескольких слоев пружинной проволоки с зубцами формирующие цилиндрическое тело, которые при прикладывании силы на верхнее и/или нижнее основание элемента изгибают в шахматном порядке, расположенное между слоями пружинной проволоки оптическое волокно. В представленном решении предлагается использовать многожильное оптическое волокно, макромолекулярное полимерное оптическое волокно или фотонно-кристаллическое оптическое волокно в дополнительной непроницаемой буферной оболочке, покрытое углеродом или покрытое полиимидом.

Недостатком данного решения является использование дорогостоящих оптических волокон в качестве чувствительного элемента датчика, имеющих высокие требования к стыковке со стандартным оптическим волокном для передачи информации испытательной установке. Также недостатком данного решения является ограничение чувствительности датчика пределом хрупкости оптического волокна, что делает невозможным использование данной конструкции на больших давлениях.

Известен (патент США 8764678, A61B 5/00, опуб. 1.07.2014) волоконно-оптический датчик давления, в котором описан способ измерения гидростатического давления, заключающийся в использовании резонатора Фабри-Перо в качестве чувствительного элемента, который сформирован между торцом оптического волокна и диафрагмой. Диафрагму создают путем закрепления на капилляре, скола, полировки и травлением 40% плавиковой кислотой для создания наибольшего коэффициента отражения. Под действием внешнего давления диафрагма изгибается, уменьшая зазор между ней и оптическим волокном, тем самым модулируя сигнал интерферометра Фабри-Перо. По величине модуляции интенсивности интерференционного сигнала оценивают гидростатическое давление.

Недостатком данного способа является обязательное использование интерференционно обрабатывающего оборудования. Также описанный способ имеет ограниченный диапазон измерения давления - до 100 кПа.

Известно (патент US 9476699, G01B 11/16, G01M 11/00, G01K 11/32, опуб. 25.10.2016) устройство 1-мерных и 2-мерных распределенных волоконно-оптических датчиков растяжения, давления и температуры, основанных на чувствительности двулучепреломляющих (ДЛП) оптических волокон к внешнему воздействию. В указанном источнике описан способ измерения внешнего напряжения, например, гидростатического давления, и температуры и который выбран в качестве прототипа к предлагаемому способу. Способ измерения внешнего напряжения (гидростатического давления) включает введение линейно-поляризованного излучения в чувствительный элемент, регистрацию его изменения в области внешнего напряжения (гидростатического давления) и оценку его изменения. Способ регистрации и оценки основан на методике широкополосной интерферометрии с использованием поляризационного сканирующего интерферометра Майкельсона с подвижным зеркалом в одном из плеч. Способ позволяет регистрировать на одном чувствительном элементе несколько областей воздействия одновременно.

Недостатками известного способа является необходимость использования громоздкого и дорогого оборудования для регистрации изменения оптического излучения: интерферометр Майкельсона с подвижным зеркалом, дополнительная линия задержки. Конструкционные особенности чувствительного элемента ограничивают диапазон измеряемого давления до 100 кПа. Так же на графике видности сканирования предложенных волоконных структур разделить температурные и механические точки возмущения проблематично из-за распределенного характера температурных изменений двулучепреломления и дисперсии двулучепреломления. Эти изменения на графике видности будут выглядеть как увеличенный уровень шумов, а точки связи мод от механических возмущений останутся на прежнем уровне амплитуды, что внесет ошибку оценки относительно шумов.

Заявляемые способ измерения гидростатического давления и волоконно-оптический датчик решают задачу расширения диапазона измеряемого давления за счет увеличения точек возникновения связи поляризационных мод в ДЛП оптическом волокне чувствительного элемента и увеличения запаса прочности чувствительного элемента. Кроме того, реализация предложенного способа не требует большого количества сложного оборудования, что упрощает способ. При этом способ обладает повышенной чувствительностью благодаря многократным точкам связи поляризационных мод.

Поставленная задача решается следующим образом.

В способе измерения гидростатического давления волоконно-оптическим датчиком, включающем введение в двулучепреломляющее волокно чувствительного элемента волоконно-оптического датчика линейно-поляризованного излучения и регистрацию, возникающих под воздействием гидростатического давления изменений введенного излучения в двулучепреломляющем оптическом волокне, регистрируют изменение мощности оптического излучения в поляризационных модах в оптическом волокне, по значению которых, используя параметры двулучепреломляющего волокна и оптического излучения, рассчитывают величину искомого гидростатического давления , где - мощность линейно-поляризованного излучения на входе в оптическое волокно, - мощность оптического излучения в ортогональной поляризационной оси на входе в оптическое волокно, - оптическая мощность в ортогональной поляризационной оси на выходе из оптического волокна, z - длина стороны квадрата пятна контакта , - радиус оптического волокна, - модуль Юнга оптического волокна, - центральная длина волны источника излучения, l - длина волокна под воздействием давления, - среднее значения показателя преломления оптического волокна, - коэффициенты упруго-оптического тензора, - коэффициент Пуассона, T - пространственный период прикладываемого давления,

- величина собственного двулучепреломления оптического волокна.

Волоконно-оптический датчик гидростатического давления содержит оптически соединенные источник излучения и, соединенный с измерительной установкой чувствительный элемент, включающий оптическое волокно, скрепленное с телом цилиндрической формы, по поверхности полого цилиндрического тела чувствительного элемента непрерывно распределены и закреплены металлические цилиндрические стержни, на которые намотано двулучепреломляющее оптическое волокно, причем цилиндрические стержни распределены по поверхности полого цилиндрического тела чувствительного элемента с заданной периодичностью с периодом T равным длине биений Λ двулучепреломляющего волокна чувствительного элемента, поверх которого вплотную размещена и герметично закреплена вокруг указанного волокна мембрана из твердого и упругого материала, измерительная установка включает поляризационный делитель, соединенный с двумя фотоприемниками, а двулучепреломляющее оптическое волокно чувствительного элемента соединено с источником линейно-поляризованного излучения, а через поляризационный делитель измерительной установки с фотоприемниками.

Сущность изобретения поясняется следующим. В качестве чувствительного элемента датчика гидростатического давления используется ДЛП оптическое волокно, которое намотано на твердые цилиндрические стержни, размещенные по поверхности полого цилиндрического тела с заданной периодичностью, приближенной к длине биений ДЛП оптического волокна.

Поверх ДЛП оптического волокна вплотную расположена мембрана из твердого и упругого материала, которая герметично закреплена вокруг волокна при помощи уплотненных силиконовыми прокладками резьбовых соединений, которые выдерживают нагрузку до 200 атм, что обеспечивает повышенный запас прочности по сравнению с прототипом. Через мембрану на ДЛП оптические волокна передается давление с периодичностью, заданной стержнями на цилиндрическом теле чувствительного элемента, вызывая тем самым связь поляризационных мод. Равенство периода расположения стержней длине биений используемого ДЛП оптического волокна приводит к высокой чувствительности к давлению и обеспечивает точность измерения давления 0,5 атм. Связью поляризационных мод описывается явление, при котором изменение величины двулучепреломления оптических волокон, например, при внешнем давлении приводит к перекачке части оптической мощности из основной поляризационной оси в ортогональную и наоборот, и описывается системой уравнений:

где c_x,y - комплексные амплитуды поляризационных мод. Относительная перекаченная мощность выражается следующим образом:

, а коэффициент поляризационной экстинкции:

, где - коэффициент ослабления,, , , , - сила, нормированная на длину участка воздействия l, - радиус оптического волокна, - модуль Юнга оптического волокна, - среднее значения показателя преломления оптического волокна, - коэффициенты упруго-оптического тензора, - коэффициент Пуассона и центральная длина волны источника излучения

Длина биений ДЛП оптического волокна характеризует расстояние, за которое волны, распространяющиеся в «быстрой» и «медленной» осях ДЛП оптического волокна, приходят в одной фазе.

- длина биений, где - двулучепреломление оптического волокна.

Период T равный длине биений позволяет достичь условия дифракции между точками воздействия на ДЛП оптическое волокно, при котором разница фаз Δφ взаимодействующих оптических излучений равна нулю.

Зависимость относительной перекаченной мощности из одной поляризационной моды в ортогональную моду равна

. Давление P выражается в Па или Н/м², а f - это погонная сила, выраженная в Н/м. Переход от силы к искомому давлению P производится через площадь пятна контакта мембраны и оптического волокна, которая выражается как , z - длина стороны квадрата пятна контакта. Тогда , искомое давление . Площадь контакта пятна S будет меняться в зависимости от прикладываемого давления и как следствие будет меняться величина z. Для точного расчета величины z была построена модель в программном обеспечении с параметрами конкретного примера датчика давления и построена зависимость от величины прикладываемого давления, которая приведена на фиг. 3.

Наибольшее значение перекаченной мощности будет достигаться при угле

между вектором силы и поляризационными осями. Используя ДЛП волокно с приведенными параметрами и длиной биения и используя чувствительный элемент с количеством стержней N = 72 и намотав на них ДЛП волокно 5 раз таким образом, чтобы . Увеличивая количество оборотов волокна увеличивается количество точек воздействия, что приводит к увеличению перекачиваемой оптической мощности. Мы получим зависимость искомого давления от перекаченной относительной мощности и z: .

Таким образом, зная, как изменяется оптическая мощность линейно-поляризованного излучения, параметры ДЛП оптического волокна и изменение площади пятная контакта волокна с мембраной, можно посчитать величину прикладываемого давления P.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на:

Фиг. 1 - представлена схема волоконно-оптического датчика для измерения гидростатического давления,

Фиг. 2 - чувствительный элемент (вид в поперченном сечении),

Фиг. 3 - график зависимости изменения величины z от измеряемого давления,

Фиг. 4 - график зависимости измеряемого давления от относительной перекаченной мощности.

На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:

1 - источник линейно-поляризованного излучения,

2 - ДЛП оптическое волокно,

3 - чувствительный элемент,

4 - фотоприемные устройства,

5 - поляризационный делитель,

6 - цилиндрическое тело,

7 - цилиндрические стержни,

8 - мембрана.

Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг. 1, которое включает в себя источник линейно-поляризованного излучения 1, к которому подключено ДЛП оптическое волокно 2 чувствительного элемента (ЧЭ) 3, ЧЭ 3 соединен с измерительной установкой, включающей два фотоприемных устройства 4, соединенные с поляризационным делителем 5, с которым соединено ДЛП оптическое волокно 2 ЧЭ 3.

Конструкция чувствительного элемента 3, включает в себя полое цилиндрическое тело 6, по поверхности которого непрерывно распределены с заданной периодичностью цилиндрические стержни 7 из металлической проволоки. Поверх цилиндрических стержней 7 расположено ДЛП оптическое волокно 2, которое прижимается твердой и упругой металлической мембраной 8. Мембрана 8 герметично закреплена на цилиндрическом теле 6 вплотную к оптическому ДЛП волокну 2.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Линейно-поляризованное излучение источника линейно-поляризованного излучения 1, распространяясь по рабочей поляризационной моде ДЛП оптического волокна 2 чувствительного элемента 3 претерпевает изменение по амплитуде из-за внешнего избыточного давления, передающееся от мембраны 8 через стержни 7 на ДЛП оптическое волокно 2. Мощности в обеих поляризационных модах ДЛП оптического волокна 2 регистрируют на двух одинаковых фотоприемных устройствах 4 при помощи поляризационного делителя 5.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается устройство, где источник линейно-поляризованного излучения представляет собой суперлюминесцентный широкополосный диод с центральной длиной волны 1550 нм полушириной спектра излучения 45 нм, ДЛП оптическое волокно с эллиптичной напрягающей оболочкой, полое цилиндрическое тело ЧЭ с внешним диаметром 60 мм и внутренним диаметром 50 мм выполнено из нержавеющей стали, на поверхности цилиндрического тела ЧЭ расположены с заданной периодичностью с периодом Т равным длине биений ДЛП оптического волокна цилиндрические стержни из металлической проволоки, например, нержавеющей стали, диаметром 200 мкм, герметично закрепленная накидными гайками с уплотнительным кольцами из силикона, к поверхности цилиндрического тела ЧЭ мембрана, выполненная из нержавеющей стали толщиной 50 мкм, делитель поляризации выполнен волоконным поляризационным делителем, а фотоприемные устройства представлены InGaAs фотодиодами с рабочим диапазоном длин волн 1000-1700 нм и разрешением 10 пВт.

В ходе работы с конкретным примером устройства была построена зависимость относительной перекачиваемой мощности от прикладываемого гидростатического давления, которая представлена на фиг. 4. ЧЭ элемент погружался в воду в гермобоксе, в который накачивался воздух при помощи компрессора. Контроль создаваемого давления происходил удаленно при помощи электронного регулятора давления. Измерение оптических мощностей в поляризационных осях двулучепреломляющем оптическом волокне производилось на давлении от 0 кПа до 300 кПа с шагом 50 кПа. Построенная зависимость подтверждает расчетные значения.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает точность 0,5 атм измеряемого давления, а конструкция позволяет измерять давление до 200 атм, за счет сильной зависимости перекачиваемой относительной мощности от давления, высокого разрешения фотоприемников и способа герметизации. Кроме того, для реализации предложенного способа не требуется большого количества оборудования, что упрощает способ измерения.

Изобретение относится к области датчиков гидростатического давления, а конкретнее к волоконно-оптическим датчикам давления. Способ измерения гидростатического давления волоконно-оптическим датчиком включает введение в двулучепреломляющее волокно чувствительного элемента волоконно-оптического датчика линейно-поляризованного излучения и регистрацию возникающих под воздействием гидростатического давления изменений введенного излучения в двулучепреломляющем оптическом волокне. Регистрируют изменение мощности оптического излучения в поляризационных модах в оптическом волокне, по значению которых, используя параметры двулучепреломляющего волокна и оптического излучения, рассчитывают величину искомого гидростатического давления. Волоконно-оптический датчик гидростатического давления содержит оптически соединенные источник излучения и соединенный с измерительной установкой чувствительный элемент, включающий оптическое волокно, скрепленное с телом цилиндрической формы, по поверхности полого цилиндрического тела чувствительного элемента непрерывно распределены и закреплены металлические цилиндрические стержни, на которые намотано двулучепреломляющее оптическое волокно. Причем цилиндрические стержни распределены по поверхности полого цилиндрического тела чувствительного элемента с заданной периодичностью с периодом T, равным длине биений Λ двулучепреломляющего волокна чувствительного элемента, поверх которого вплотную размещена и герметично закреплена вокруг указанного волокна мембрана из твердого и упругого материала. Измерительная установка включает поляризационный делитель, соединенный с двумя фотоприемниками, а двулучепреломляющее оптическое волокно чувствительного элемента соединено с источником линейно-поляризованного излучения, а через поляризационный делитель измерительной установки с фотоприемниками. Заявляемые решения обеспечивают точность 0,5 атм измеряемого давления и увеличивают диапазон измеряемого до 200 атм при упрощении способа измерения. Технический результат - расширение диапазона измеряемого давления за счет увеличения точек возникновения связи поляризационных мод в ДЛП оптическом волокне чувствительного элемента, увеличения запаса прочности чувствительного элемента, упрощения способа. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения гидростатического давления волоконно-оптическим датчиком, включающий введение в двулучепреломляющее волокно чувствительного элемента волоконно-оптического датчика линейно-поляризованного излучения и регистрацию возникающих под воздействием гидростатического давления изменений введенного излучения в двулучепреломляющем оптическом волокне, отличающийся тем, что регистрируют изменение мощности оптического излучения в поляризационных модах в оптическом волокне, по значению которых, используя параметры двулучепреломляющего волокна и оптического излучения, рассчитывают величину искомого гидростатического давления ,

где – мощность линейно-поляризованного излучения на входе в оптическое волокно, – мощность оптического излучения в ортогональной поляризационной оси на входе в оптическое волокно, – оптическая мощность в ортогональной поляризационной оси на выходе из оптического волокна, z – длина стороны квадрата пятна контакта , – радиус оптического волокна, – модуль Юнга оптического волокна, – центральная длина волны источника излучения, l – длина волокна под воздействием давления, – среднее значения показателя преломления оптического волокна, – коэффициенты упругооптического тензора, – коэффициент Пуассона, T – пространственный период прикладываемого давления, – величина собственного двулучепреломления оптического волокна.

2. Волоконно-оптический датчик гидростатического давления, содержащий оптически соединенные источник излучения и соединенный с измерительной установкой чувствительный элемент, включающий оптическое волокно, скрепленное с телом цилиндрической формы, отличающийся тем, что по поверхности полого цилиндрического тела чувствительного элемента непрерывно распределены и закреплены металлические цилиндрические стержни, на которые намотано двулучепреломляющее оптическое волокно, причем цилиндрические стержни распределены по поверхности полого цилиндрического тела чувствительного элемента с заданной периодичностью с периодом T, равным длине биений Λ двулучепреломляющего волокна чувствительного элемента, поверх которого вплотную размещена и герметично закреплена вокруг указанного волокна мембрана из твердого и упругого материала, измерительная установка включает поляризационный делитель, соединенный с двумя фотоприемниками, а двулучепреломляющее оптическое волокно чувствительного элемента соединено с источником линейно-поляризованного излучения, а через поляризационный делитель измерительной установки с фотоприемниками.