Оптоволоконный преобразователь линейного ускорения Российский патент 2025 года по МПК G01P15/93 

Оптоволоконный преобразователь линейного ускорения на основе одномодовых связанных оптических волноводов предназначен для измерения линейного ускорения в сложных условиях эксплуатации, когда требуется передача данных на большие расстояния или, когда требуется высокая устойчивость к электромагнитным помехам, и может быть использован в системах управления различных видов электрического транспорта, создающего сильные электромагнитные поля в процессе своей работы.

Известен волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта, выбранный в качестве прототипа, состоящий из основного канала приемо-передачи оптического излучения, включающего волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником и приемником оптического излучения, при этом канал приемо-передачи оптического излучения соединен электрически с блоком обработки информации и оптически, через световод, с чувствительным элементом, включающим в себя устройство ориентации оптического излучения, выполненное из кварцевого стекла в форме параллелепипеда, частично покрытого зеркальным напылением. В чувствительный элемент введены устройство поглощения оптического излучения и дополнительное устройство ориентации оптического излучения, при этом устройство поглощения оптического излучения консольно-закреплено через прокладки между устройствами ориентации оптического излучения и выполнено в виде балки из светопоглощающего материала с грузом, закрепленным на ее конце, кроме того, между устройствами ориентации оптического излучения с противоположной стороны относительно устройства поглощения оптического излучения, введена прокладка, обеспечивающая зазор между устройствами ориентации оптического излучения, при этом зеркальное напыление отсутствует на областях, соответствующих прямоугольной проекции консольно закрепленной балки на поверхности устройств ориентации оптического излучения, волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения содержит дополнительный канал приемо-передачи оптического излучения, соединенный оптически, через световод, с дополнительным устройством ориентации оптического излучения и электрически с блоком обработки информации [Бусурин В.И., Жеглов М.А., Казарьян А.В., Коробков В.В., Волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта. Патент №2539681 от 26.07.2013].

К недостаткам прототипа следует отнести конструктивную сложность и необходимость изготовления чувствительного элемента датчика, состоящего из двух устройств ориентации оптического излучения, устройства поглощения оптического излучения и прокладок. Для изготовления чувствительного элемента прототипа потребуются заготовки, отличающиеся от заготовок, используемых в массовом и серийном производстве, что в свою очередь ведет к удорожанию производства и увеличению длительности производственного цикла. Также конструктивной сложностью изготовления чувствительного элемента является выставление зазора между устройством ориентации оптического излучения и консольно закрепленной балкой, обеспечивающего перетекание оптического излучения за счет туннельного эффекта.

Целью заявленного изобретения является устранение недостатка прототипа, связанного с конструктивной сложностью и необходимостью изготовления чувствительного элемента при помощи специальных заготовок.

Предлагаемый оптоволоконный преобразователь линейного ускорения отличается от известного волоконно-оптического преобразователя линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта тем, что в качестве чувствительного элемента используются одномодовые связанные оптические волноводы, расположенные на балке, закрепленной одним из концов на основании, воспринимающая балка и чувствительный элемент выполнены из одного и того же материала с одинаковым коэффициентом теплового расширения, чувствительный элемент закреплен на воспринимающей балке. Чувствительный элемент в виде одномодовых связанных оптических волноводов изготавливается в виде конечного изделия единой конструкции, что позволяет избежать выставления необходимых расстояний между составными частями конечного изделия. Для изготовления чувствительного элемента в виде одномодовых связанных оптических волноводов можно использовать технологию производства сплавных разветвителей.

Техническим результатом, при осуществлении заявляемого изобретения, является упрощение конструкции, повышение технологичности и возможность измерения линейного ускорения в сложных условиях эксплуатации, когда требуется передача данных на большие расстояния или, когда требуется высокая устойчивость к электромагнитным помехам.

Технический результат достигается тем, что оптоволоконный преобразователь линейного ускорения содержит воспринимающий элемент, чувствительный элемент, источник оптического излучения, два фотоприемника и схему обработки информации. Воспринимающий элемент, выполненный в виде балки, закреплен одним концом на основании, на другом конце воспринимающей балки расположен груз, масса которого может варьироваться, вдоль воспринимающей балки закреплен чувствительный элемент, состоящий из двух одномодовых связанных оптических волноводов, выполненных из кварцевого стекла и у которых показатель преломления сердцевин больше, чем показатель преломления оболочки, воспринимающая балка выполнена из кварцевого стекла и имеет тот же коэффициент температурного расширения, что и чувствительный элемент, одномодовые связанные оптические волноводы расположены на расстоянии относительно друг друга, которое обеспечивает перетекание оптической энергии между первым одномодовым связанным оптическим волноводом и вторым одномодовым связанным оптическим волноводом, вход первого одномодового связанного оптического волновода и вход второго связанного оптического волновода расположены с стороны основания, причем, выход источника оптического излучения соединен по оптическому лучу с входом одного из оптических связанных волноводов, выход первого одномодового связанного оптического волновода и выход второго одномодового связанного оптического волновода соединены по оптическому лучу с входом первого фотоприемника и второго фотоприемника соответственно, при этом соединения по оптическому лучу пролегают в направлении основания, выходы первого фотоприемника и второго фотоприемника соединены с входом схемы обработки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого оптоволоконного преобразователя линейного ускорения на основе одномодовых связанных оптических волноводов.

Позициями на схеме обозначены: 1 - схема обработки информации, 2, 3 - фотоприемники, 4 - источник оптического излучения, 5 - основание, 6 - вход первого одномодового связанного оптического волновода, 7 - вход второго одномодового связанного оптического волновода, 8 - одномодовые связанные оптические волноводы, 9 - выход первого одномодового связанного оптического волновода, 10 - воспринимающая балка, 11 - груз, 12 - выход второго одномодового связанного оптического волновода, 13 - область взаимодействия одномодовых связанных оптических волноводов.

Предлагаемый оптоволоконный преобразователь линейного ускорения содержит воспринимающий элемент, чувствительный элемент, источник оптического излучения 4, два фотоприемника 2, 3 и схему обработки информации 1. Воспринимающий элемент, выполненный в виде балки 10, закрепленной одним концом на основании 5, на другом конце воспринимающей балки расположен груз 11, масса которого может варьироваться. Вдоль воспринимающей балки 10 закреплен чувствительный элемент, состоящий из двух одномодовых связанных оптических волноводов 8, выполненных из кварцевого стекла и у которых показатель преломления сердцевин больше, чем показатель преломления оболочки. Воспринимающая балка 10 выполнена из кварцевого стекла и имеет тот же коэффициент температурного расширения, что и чувствительный элемент.Одномодовые связанные оптические волноводы 8 расположены на расстоянии относительно друг друга, которое обеспечивает перетекание оптической энергии между первым одномодовым связанным оптическим волноводом и вторым одномодовым связанным оптическим волноводом. Вход первого одномодового связанного оптического волновода 6 и вход второго связанного оптического волновода 7 расположены с стороны основания 5, причем, выход источника оптического излучения 4 соединен по оптическому лучу с входом одного из оптических связанных волноводов. Выход первого одномодового связанного оптического волновода 9 и выход второго одномодового связанного оптического волновода 12 соединены по оптическому лучу с входом первого фотоприемника 2 и второго фотоприемника 3 соответственно, при этом соединения по оптическому лучу пролегают в направлении основания 5. Выход первого фотоприемника 2 и выход второго фотоприемника 3 соединены с входом схемы обработки информации 1.

Под воздействием линейного ускорения воспринимающая балка смещается относительно основания, что приводит к растяжению или сжатию чувствительного элемента. При растяжении или сжатии чувствительный элемент подвергается воздействию внутренних напряжений, из-за чего его структура и свойство изменяются, вследствие этого происходит изменение показателя преломления. Изменение показателя преломления влияет на распространение излучения в волноводе и на коэффициент связи между одномодовыми связанными оптическими волноводами. Диапазон измеряемого линейного ускорения зависит от массы груза, закрепленного на конце воспринимающей балки, и масса которого может варьироваться от 0 до m. Оптический луч, соединяющий выход источника оптического излучения с одним из входов чувствительного элемента, пролегает в направлении основания. Оптические лучи, соединяющие выходы чувствительного элемента с входами фотоприемников, пролегают в направлении основания. Воспринимающая балка выполняется из того же материала, что и оболочка одномодовых связанных оптических волноводов.

Предлагаемый оптоволоконный преобразователь линейного ускорения на основе одномодовых связанных оптических волноводов позволяет разместить источник оптического излучения, два фотоприемника и схему обработки за пределами области измерения, что приводит к повышению помехозащищенности и чувствительности.

Изобретение относится к области измерения линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что в оптоволоконном преобразователе линейного ускорения в качестве чувствительного элемента используют одномодовые связанные оптические волноводы, расположенные на балке, закрепленной одним из концов на основании, воспринимающая балка и чувствительный элемент выполнены из одного и того же материала с одинаковым коэффициентом теплового расширения, чувствительный элемент закреплен на воспринимающей балке. Технический результат - упрощение конструкции, повышение технологичности, возможность измерения линейного ускорения в сложных условиях эксплуатации. 1 ил.

Оптоволоконный преобразователь линейного ускорения, содержащий воспринимающий элемент, выполненный в виде балки, выполненной из кварцевого стекла, один конец которой закреплен на основании, а на другом конце воспринимающей балки расположен груз, масса которого может варьироваться, чувствительный элемент, закрепленный вдоль воспринимающей балки и состоящий из двух одномодовых связанных оптических волноводов, выполненных из кварцевого стекла и у которых показатель преломления сердцевин больше, чем показатель преломления оболочки, при этом воспринимающая балка и чувствительный элемент имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, источник оптического излучения, два фотоприемника и схему обработки информации, одномодовые связанные оптические волноводы расположены на расстоянии относительно друг друга, которое обеспечивает перетекание оптической энергии между первым одномодовым связанным оптическим волноводом и вторым одномодовым связанным оптическим волноводом, вход первого одномодового связанного оптического волновода и вход второго связанного оптического волновода расположены со стороны основания, причем выход источника оптического излучения соединен по оптическому лучу с входом одного из оптических связанных волноводов, выход первого одномодового связанного оптического волновода и выход второго одномодового связанного оптического волновода соединены по оптическому лучу с входом первого фотоприемника и второго фотоприемника соответственно, при этом соединения по оптическому лучу пролегают в направлении основания, выходы первого фотоприемника и второго фотоприемника соединены с входом схемы обработки информации.