ЦИФРОВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01B11/10 

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации.

Известен бесконтактный датчик вибрации вала [Yuegang Т.; Li W., Zude Z. A non-contact fiber Bragg grating vibration sensor, Review of Scientific Instruments /Volume:85, Issue: 1, Jan 2014, P.P.: 015002 - 015002-7], в котором через воздушный зазор осуществляется магнитное взаимодействие между вибрирующим магнитным валом и магнитной диафрагмой, к которой прикреплен фрагмент оптоволокна с ВБР. В процессе вращения вала вибрация приводит к изменению зазора, соответственно изменяется длина волны отраженного от ВБР света, что позволяет определять частоту и амплитуду вибрации.

Недостатком аналога является ограничение функциональных возможностей датчика, используемого только для определения параметров вибрации в аналоговой форме, требующей для последующей обработки и коррекции измерительных данных аналого-цифрового преобразования в удаленном оптико-электронном блоке интеррогаторе.

Известен волоконно-оптический датчик положения (патент RU 2413178 по кл. МПК G01B 11/00, опуб. 27.02.2011). Датчик содержит магнитный или электромагнитный элемент, широкополосный источник света, оптическое волокно, по меньшей мере, два сенсора в виде внутриволоконной Брэгговской решетки (ВБР), по меньшей мере, один сегмент из магнитострикционного материала, стержень, изготовленный из материала, непроницаемого для магнитных полей. Магнитный или электромагнитный элемент и стержень совмещены таким образом, что они могут испытывать относительное смещение только вдоль оси стержня. Указанное смещение вызывает изменение размеров элемента из магнитострикционного материала и закрепленного на нем фрагмента оптоволокна с сенсором на ВБР, что приводит к изменениям длины световой волны, отражаемой ВБР.

К основным недостаткам конструкции относится низкая функциональная • эффективность использования ВБР, сложность и громоздкость конструкции, сложность в эксплуатации, т.к. требуется периодическая температурная калибровка каждого модуля, что увеличивает время расчета и вычислительные мощности.

Наиболее близким к заявляемому является цифровой волоконно-оптический датчик перемещения (патент RU №2674574 по кл. МПК G01D 5/353, опуб. 11.12.2018), содержащий многополюсную магнитную линейку и считывающий модуль в виде корпуса из немагнитного материала, размещенные в магнитном поле и выполненные с возможностью перемещения относительно друг друга, считывающий модуль имеет направляющий паз, в котором размещен участок оптического волокна с магниточувствительными элементами и внутриволоконной Брэгговской решеткой (ВБР).

К недостаткам известной конструкции можно отнести недостаточную точность и величину разрешения, особенно при измерении малых величин линейных перемещений.

Технической проблемой является разработка цифрового волоконно-оптического датчика перемещения, работающего в условиях действия весьма малого по величине магнитного поля и малых линейных перемещений.

Технический результат заключается в повышении чувствительности к действующему электромагнитному полю волоконно-оптического датчика перемещения.

Для достижения технического результата цифровой волоконно-оптический датчик перемещения, содержащий многополюсную магнитную линейку и считывающий модуль в виде корпуса из немагнитного материала, размещенные в магнитном поле и выполненные с возможностью перемещения относительно друг друга, считывающий модуль имеет направляющий паз, в котором размещен участок оптического волокна с магниточувствительными элементами и, по крайне мере, одной внутриволоконной Брэгговской решеткой, согласно изобретению, участок оптического волокна выполнен в виде контура, состоящего из m - витков (m=10…20), а считывающий модуль установлен таким образом по отношению к магнитной линейке, что магнитное поле направлено ортогонально оси волокна.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где представлены:

На фиг.1 - схема цифрового волоконно-оптического датчика перемещения.

На фиг.2 - 3D модель цифрового волоконно-оптического датчика.

На фиг.3 - 3D модель считывающего модуля, расположенного в корпусе датчика.

На фиг.4 - общий вид считывающего модуля.

На чертежах позициями обозначено:

1 - многополюсная кодирующая магнитная линейка,

2 - считывающий модуль,

3 - корпус,

4 - паз,

5 - оптическое волокно,

6 - внутриволоконная Брэгговская решетка,

7 - магниточувствительные элементы,

8 - считывающий элемент.

Цифровой волоконно-оптический датчик перемещения содержит многополюсную кодирующую магнитную линейку 1 и считывающий модуль 2, выполненный в виде корпуса 3 (см. фиг.2 и 3) с пазом 4 и считывающим элементом 8 (см. фиг.4).

Корпус выполнен из немагнитного материала. В пазу 4 считывающего модуля 2 размещен участок оптического волокна 5 с внутриволоконными Брэгговскими решетками 6, часть из которых жестко соединены с магниточувствительными элементами 7. Минимальное количество магниточувствительных элементов 7 соответствует количеству периодических структур кодирующей магнитной линейки 1. Участок оптического волокна 5 выполнен в виде контура, состоящего из m - витков (m=10…20), а считывающий модуль 2 установлен таким образом по отношению к магнитной линейке 1, что магнитное поле направлено ортогонально оси волокна.

Многополюсная кодирующая магнитная линейка 1 связана со считывающим модулем 2 через считывающий элемент 8 (фиг. 4). Считывающий элемент 8 (фиг. 4) расположен вдоль оси перемещения многополюсной кодирующей магнитной линейки 1 (см. фиг. 2), т.е. на плоскости корпуса считывающего модуля 2, противоположного грани с пазом 4 под оптическое волокно 5 (см. фиг. 2 и 3).

Фрагменты участка оптического волокна 5, размещенного в пазу считывающего модуля 2, жестко закреплены таким образом, чтобы обеспечивать свободную деформацию обоих сенсорных участков оптического волокна в пределах, достаточных для индикации в интеррогаторе изменения длины волны внутриволоконной Брэгговской решетки в заданном диапазоне с заданной точностью и не приводящих к деградации и обрывам оптического волокна.

Перемещение магнитной линейки 1 относительно линии считывания отображается в виде двух модулированных по длине волны оптических сигналов с одинаковым периодом а₀ и пространственно смещенных друг относительно друга на величину а₀/4. Смещение позволяет в процессе последующего оптоэлектронного преобразования и цифровой обработки сигналов в интеррогаторе определить направление перемещения.

Устройство работает следующим образом.

При перемещении многополюсной кодирующей магнитной линейки 1 относительно считывающего модуля 2 или при перемещении считывающего модуля 2 относительно многополюсной кодирующей магнитной линейки 1 осуществляется силовое взаимодействие между профилированными элементами многополюсной кодирующей магнитной линейки 1 и магниточувствительными элементами 7, жестко соединенными с оптическим волокном 5 в местах расположения измерительных ВБР 6. В результате этого взаимодействия происходит деформация ВБР 6 и соответствующее изменение длины волны отраженного от нее света. Перемещение периодической структуры многополюсной кодирующей магнитной линейки 1 относительно двух линий считывания, которые задаются положением магниточувствительных элементов 7 относительно оси перемещения многополюсной кодирующей магнитной линейки 1, отображается в виде двух модулированных по длине волны оптических сигналов с одинаковым периодом а₀ и пространственно смещенных друг относительно друга на величину а₀/4. Пространственное смещение а₀/4 в направлении перемещения многополюсной кодирующей магнитной линейки 1 позволяет в процессе последующего оптоэлектронного преобразования и обработки сигналов в интеррогаторе определить направление перемещения. Расположение участков оптоволокна с ВБР 6 параллельно плоскости многополюсной кодирующей магнитной линейки 1 позволяет уменьшить размеры элементов многополюсной кодирующей магнитной линейки до величины, соответствующей ширине канала паза 4. Кроме того, поскольку температурный дрейф обеих ВБР 6, выполненных на общем оптическом волокне 5 на минимальном удалении друг от друга, практически одинаковый, то для такого датчика достаточно введения одной корректирующей ВБР для компенсации температурной погрешности, с применением известных методов и алгоритмов автокоррекции инструментальных погрешностей. В зависимости от соотношения между линейными размерами полюсов кодирующей магнитной линейки 1 и магниточувствительных элементов 7 сигналы могут иметь различную форму: меандра, треугольника, трапецеидальную или близкую к синусоиде. [Леонович Г.И. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещений для жестких условий эксплуатации. - Самара: Самарск. гос.аэрокосм, ун-т, 1998. - 256 с.].

Для повышения точности измерения перемещения количество ВБР и магниточувствительных элементов может быть увеличено в соответствии с известными методами статистической и функциональной коррекции инструментальных погрешностей [Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. -М.: Издательство стандартов, 1972. - 200 с.; Домрачев В.Г., Мейко Б.С.Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 328 с.; Леонович Г.И. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещений для жестких условий эксплуатации. - Самара: Изд-во СГАУ, 1998. - 264 с.].

Многополюсная кодирующая магнитная линейка может иметь различные формы, в том числе для измерения однокоординатных линейных и угловых перемещений. В соответствии с формой и видом многополюсной кодирующей магнитной линейки выполняется считывающий модуль.

Например, в варианте, когда многополюсная кодирующая магнитная линейка 1 имеет форму кольца или сектора кольца в виде (n+1)-разрядной кодовой шкалы Грея, заявляемое устройство является n-разрядным абсолютным датчиком углового положения с автокоррекцией погрешности считывания, возникающей при существенных перекосах и вибрации считывающего модуля в форме вытянутого параллелепипеда относительно многополюсной кодирующей магнитной линейки. Для компенсации температурной погрешности достаточно введения одного дополнительного ВБР-элемента.

Однако в тоже время известно, что в присутствии магнитного поля мода волокна испытывает боковой сдвиг, пропорциональный магнитному полю и зависящий от направления распространения. Сдвиг не зависит от параметров волновода и излучения. В изогнутом волокне порожденное им расщепление траекторий встречных волн приводит к фазовой невзаимности, (по-другому - нефарадеевской невзаимности), не зависящей от формы и размеров контура. В частности, в миниатюрных волоконно-оптических гироскопах (ВОГ) число витков, как правило, не менее 1000, поэтому интегральный невзаимный эффект от смещения моды является значимым и проявляется в ВОГ как один из основных источников погрешности в основном из-за того, что внешнее магнитное поле присутствует практически при всех случаях использования приборов. Для ортогонально поляризованных (по оси Y) встречных волн смещение моды отсутствует Нефарадеевская невзаимность пропорциональна количеству витков волокна и она не зависит от размера и формы контура.

В отличие от фарадеевской невзаимности, которая может быть существенно уменьшена настройкой оптических компонентов, нефарадеевская невзаимность определяется исключительно конструктивным параметром [В.Н. Логозинский. Магнитоиндуцированная нефарадеевская невзаимность в волоконно-оптическом гироскопе / Радиотехника и электроника, 2006 г., т.51, №7, с. 890-894].

В частности, магнитное поле Земли составляет в среднем величину ~ 1 (Э); а на борту, например, летательного аппарата / или другого подвижного объекта внешнее магнитное поле может существенно превосходить среднюю величину магнитного поля Земли. Поэтому для приборов тактического (и тем более навигационного) класса точности такое внешнее магнитное поле может приводить к значительным и недопустимым погрешностям измерений.

В работе [В.Н. Логозинский. Магнитоиндуцированная нефарадеевская невзаимность в волоконно-оптическом гироскопе / Радиотехника и электроник, 2006 г., т. 51, №7, с. 890-894] получено выражение для смещения моды для волн, поляризованных в плоскости контура с учетом случайной продольной скрутки волокна, составляющее величину примерно ~ 0,001 (мкрад / виток*Э).

Поэтому для предлагаемой конструкции цифрового волоконно-оптического датчика перемещений, содержащей считывающий модуль, выполненный в виде корпуса из немагнитного материала с направляющим пазом, в котором размещен контур оптического волокна, состоящий из m - витков и установленный таким образом, что магнитное поле направлено ортогонально оси волокна, с числом витков m - (10…, 20…,) даже в условиях действия весьма малого по величине магнитного поля Земли (~ 1 (Э), либо реально при измерениях, например, 5…10 (Э), уровень дополнительного сигнала, повышающего чувствительность и разрешение при измерениях для линейных перемещений будет составлять величину порядка (0,3…0,6)*10^-4 (угл. град.).

Поскольку нефарадеевская невзаимность определяется исключительно конструктивными параметрами, то рассчитывая на этапе проектирования геометрические размеры считывающего модуля, выполненного в виде корпуса из немагнитного материала с направляющим пазом, в котором размещен контур оптического волокна и задавая число витков - m оптического волокна с учетом диапазона величин напряженностей электромагнитного поля, можно повысить точность измерений (по предварительным оценкам) до (1…5 (мкм)) и разрешение (0,5…1 (мкм) для линейных перемещений за счет повышения чувствительности к действующему электромагнитному полю цифрового волоконно-оптического датчика перемещения, что решает поставленную задачу.

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации. Цифровой волоконно-оптический датчик перемещения содержит многополюсную магнитную линейку и считывающий модуль в виде корпуса из немагнитного материала, размещенные в магнитном поле и выполненные с возможностью перемещения относительно друг друга. Считывающий модуль имеет направляющий паз, в котором размещен участок оптического волокна с магниточувствительными элементами и по крайне мере одной внутриволоконной Брэгговской решеткой, участок оптического волокна выполнен в виде контура, состоящего из m витков (m=10…20), а считывающий модуль установлен таким образом по отношению к магнитной линейке, что магнитное поле направлено ортогонально оси волокна. Технический результат заключается в повышении чувствительности к действующему электромагнитному полю волоконно-оптического датчика перемещения. 4 ил.

Цифровой волоконно-оптический датчик перемещения, содержащий многополюсную магнитную линейку и считывающий модуль в виде корпуса из немагнитного материала, размещенные в магнитном поле и выполненные с возможностью перемещения относительно друг друга, считывающий модуль имеет направляющий паз, в котором размещен участок оптического волокна с магниточувствительными элементами и по крайне мере одной внутриволоконной Брэгговской решеткой, отличающийся тем, что участок оптического волокна выполнен в виде контура, состоящего из m витков (m=10…20), а считывающий модуль установлен таким образом по отношению к магнитной линейке, что магнитное поле направлено ортогонально оси волокна.