ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01L11/02 G01D5/353 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам дистанционного измерения неоднородного распределения давления, и может быть использовано в аэродинамике, гидроакустике, медико-биологических исследованиях, системах охраны.

Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является волоконно-оптический датчик давления (патент RU №2630537 от 11.09.2017), содержащий оптическое волокно, электролюминесцентный и пьезоэлектрический концентрические цилиндрические слои вокруг оптического волокна, внутренний и внешний электроды с переменным управляющим электрическим напряжением, при этом внутренний электрод выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном и электролюминесцентным слоем, а внешний электрод установлен вокруг пьезоэлектрического слоя, приемник излучения установлен на выходе из оптического волокна. Данное устройство принято в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, – оптическое волокно; электролюминесцентный и пьезоэлектрический концентрические цилиндрические слои вокруг оптического волокна; внутренний и внешний электроды с переменным управляющим электрическим напряжением; внутренний электрод выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном и электролюминесцентным слоем; внешний электрод установлен вокруг пьезоэлектрического слоя; приемник излучения установлен на выходе из оптического волокна.

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является невозможность измерения как постоянных во времени (статических) значений давления, так и квазипостоянных (т.е. с малой скоростью изменения во времени величины) значений давления из-за малых значений времени релаксации информативных пьезоэлектрических зарядов в датчике.

Задачей изобретения является создание волоконно-оптического датчика с возможностью измерения как постоянных во времени (статических) значений давления, так и квазипостоянных (т.е. с малой скоростью изменения во времени величины) значений давления.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом датчике давления, содержащем оптическое волокно, электролюминесцентный и пьезоэлектрический концентрические цилиндрические слои вокруг оптического волокна, внутренний и внешний электроды с переменным управляющим электрическим напряжением, при этом внутренний электрод выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном и электролюминесцентным слоем, а внешний электрод установлен вокруг пьезоэлектрического слоя, приемник излучения установлен на выходе из оптического волокна, согласно изобретению датчик включает в себя дополнительный внешний защитный слой – корпус с нелинейными упругими свойствами, и обладающий функциональной зависимостью своей резонансной частоты вынужденных электромеханических колебаний от величины действующего на него давления.

Кроме того, функциональная зависимость резонансной частоты вынужденных электромеханических колебаний датчика от величины действующего на него давления может быть линейной зависимостью.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: датчик включает в себя дополнительный внешний защитный слой – корпус с нелинейными упругими свойствами, и обладающий функциональной зависимостью своей резонансной частоты вынужденных электромеханических колебаний от величины действующего на него давления; функциональная зависимость резонансной частоты вынужденных электромеханических колебаний датчика от величины действующего на него давления является линейной зависимостью.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют создать волоконно-оптический датчик давления с возможностью использования резонансного метода диагностирования (см. патент RU №2733093. опубл.29.09.2020), что, как следствие, дает возможность измерения как постоянных во времени (статических) значений давления, так и квазипостоянных (т.е. с малой скоростью изменения во времени величины) значений давления.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков волоконно-оптического датчика с получением указанного технического результата.

На фиг. изображен фрагмент волоконно-оптического датчика давления с наличием внешнего защитного слоя – корпуса с нелинейными упругими свойствами для усиления эффекта влияния и/или приближения к линейному виду функциональной зависимости резонансной частоты датчика от величины приращения давления.

Волоконно-оптический датчик давления (см. фиг.) содержит оптическое волокно 1, электролюминесцентный слой 2, пьезоэлектрический слой 3 с радиальной поляризацией, внутренний электрод 4 и внешний электрод 5 (с возможностью подключения к электродам 4, 5 переменного управляющего электрического напряжения U_con), при этом внутренний электрод 4 выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном 1 и электролюминесцентным слоем 2, а внешний электрод 5 установлен вокруг пьезоэлектрического слоя 3, приемник излучения (на фиг. не изображен) установлен на выходе из оптического волокна 1. Поляризация пьезоэлектрического слоя 3 может осуществляться посредством приложения электрического напряжения к внутреннему и внешнему электродам 4, 5 токопроводящей линии. Полимерный внешний защитный слой – корпус 6 имеет нелинейные упругие свойства для усиления эффекта влияния давления p на резонансную частоту датчика, в частности, по линейной зависимости

,

где - известный коэффициент, Δp=p-p₀ - приращение давления, ν₀ – начальное (известное) значение резонансной частоты при действии начального (известного) давления p₀. При этом корпус 6 также обеспечивает защитные функции, например, от механических повреждений и электроизоляцию от внешней среды.

Датчик работает следующим образом.

Механолюминесцентный эффект в волоконно-оптическом датчике возникает в результате взаимодействия деформированного (под действием приложенного к датчику давления p) пьезоэлектрического слоя 3 и электролюминесцентного слоя 2 (см. фиг.). Диагностируемое давление p создает в пьезоэлектрическом слое 3 информативное электрическое поле, которое суммируется на электролюминесцентном слое 2 (вызывая светоотдачу внутрь оптического волокна 1) с контролируемой составляющей от действия приложенного управляющего электрического напряжения U_con к электродам 4, 5 двухэлектродной линии.

Световой поток передается по оптическому волокну 1 к приемнику-анализатору, установленному на выходе из оптического волокна 1, где измеряется спектр амплитуды интенсивности светового потока как функции частоты ν управляющего переменного электрического напряжения U_con. Искомый «спектр давления» - функцию плотности распределений значений давления p по длине волоконно-оптического датчика находим как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода

по измеренному спектру амплитуды интенсивности светового потока, где ядро - известная (измеренная экспериментально) амплитуда погонной интенсивности светоотдачи (с единицы длины) электролюминесцентного слоя ненагруженного (случай p = 0) датчика, l - длина датчика. При этом, для случая p = const (случай постоянного по длине датчика давления) функция , для случая p = 0 (отсутствие давления) имеем равенства: , - дельта-функция Дирака.

Техническим результатом является создание волоконно-оптического датчика с возможностью измерения как постоянных во времени (статических) значений давления, так и квазипостоянных (т.е. с малой скоростью изменения во времени величины) значений давления. Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования фрагмента волоконно-оптического датчика давления с наличием внешнего защитного слоя – корпуса с нелинейными упругими свойствами (см. фиг.) и анализом закономерностей влияния диагностируемого статического (постоянного во времени) давления на информативные значения спектра амплитуды интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна 1.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам дистанционного измерения неоднородного распределения давления. Волоконно-оптический датчик давления содержит оптическое волокно, электролюминесцентный и пьезоэлектрический концентрические цилиндрические слои вокруг оптического волокна, внутренний и внешний электроды с переменным управляющим электрическим напряжением. При этом внутренний электрод выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном и электролюминесцентным слоем, а внешний электрод установлен вокруг пьезоэлектрического слоя. Приемник излучения установлен на выходе из оптического волокна. Датчик обладает близкой к линейной функциональной зависимостью резонансной частоты вынужденных электромеханических колебаний от величины приращения давления. Технический результат – обеспечение возможности измерения как постоянных во времени (статических) значений давления, так и квазипостоянных (т.е. с малой скоростью изменения во времени величины) значений давления. 1 з.п. ф-лы.

1. Волоконно-оптический датчик давления, содержащий оптическое волокно, электролюминесцентный и пьезоэлектрический концентрические цилиндрические слои вокруг оптического волокна, внутренний и внешний электроды с переменным управляющим электрическим напряжением, при этом внутренний электрод выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном и электролюминесцентным слоем, а внешний электрод установлен вокруг пьезоэлектрического слоя, приемник излучения установлен на выходе из оптического волокна, отличающийся тем, что датчик включает в себя дополнительный внешний защитный слой – корпус с нелинейными упругими свойствами, и обладающий функциональной зависимостью своей резонансной частоты вынужденных электромеханических колебаний от величины действующего на него давления.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что функциональная зависимость резонансной частоты вынужденных электромеханических колебаний датчика от величины действующего на него давления является линейной зависимостью.