Фазовый волоконно-оптический датчик Советский патент 1991 года по МПК G01J5/00 G01K11/00 

Ё

Изобретение относится к измеритель- ной технике, в частности к фазовым интерферометрическим датчикам, и может быть использовано для измерения давления и температуры. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет одновременного измерения давления и температуры и повышение точности измерений. Цель достигается тем, что в датчик, содержащий источник когерентного оптического излучения, разветвитель излучения, два измерительных волоконно-оптических канала, сумматор излучения и регистратор разности фаз, введены третий измерительный волоконно-оптический канал, вторые разветвитель, сумматор и регистратор разности фаз, а также вычислительное устройство. При этом три измерительных канала имеют одинаковую длину и различные фазовые чувствительности к изменению давления и температуры 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к фазовым (интер- ферометрическим) волоконно-оптическим датчикам физических величин, и может быть использовано для измерения температуры и давления.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей датчика за счет обеспечения одновременного измерения давления и температуры и повышение точностей их измерения.

На чертеже показана схема предлагаемого датчика.

Датчик состоит из источника 1 когерентного оптического излучения, первого 2 и второго 3 разветвителей излучения, первого 4, второго 5 .с модулятором 6 и третьего 7 измерительных волоконно-оптических каналов, первого 8 и второго 9 сумматоров оптического излучения, первого 10 и второ- 1

го 11 регистраторов разности фаз, регистратора 12 давления и регистратора 13 температуры. Выход источника 1 соединен с входом разветвителя 2, выходы которого соединены с входами измерительных каналов 4-7. Выход канала 5 соединен с входом разветвителя 3, а выходы каналов 4 и 7 с первыми входами сумматоров 8 и 9, с вторыми входами которых соединены выходы разветвителя 3. Выходы сумматоров 8 и 9 соединены соответственно с входами регистраторов 10 и 11 разности фаз, выход первого из которых соединен с первыми входами регистраторов давления 12 и температуры 13, а выход второго - с вторыми входами регистраторов 12 и 13.

Датчик работает следующим образом.

Излучение из источника 1 поступает через разветвитель 2 в каналы 4,5 и 7, проходя в канале 5 через модулятор 6, модуляция

С

-N

ю ю

Os

со

необходима для обработки сигналов в регистраторах 10 и 11. Изменения АР и ДТ давления Р и температуры Т вызывают изменение А 1 разности фаз на выходах каналов 4 и 5, а также изменение А2 разности фаз на выходах каналов 7 и 5. В соответствии с общепринятыми определениями параметров фазовой чувствительности световода к изменениям давления и температуры AinA2 связаны с АР и AT соотношениями

(Q2 - Qi) КАТ + (Р2 - Pi) КАР Ai; (1) (Оз- Q2) КАТ + (Рз - Ра) КАР Да , (2)

где Qi.Qa.Qs - температурные фазовые чувствительности каналов 4.5,7;

Р1,Р2,Рз фазовые чувствительности этих каналов к изменению давления;

fy

К -т- n I - постоянный коэффициент;

Я - длина волны когерентного оптического излучения источника 1; I - длина световодов каналов 4,5 и 7, которая находится во взаимодействии с измеряемыми давлением и температурой; n - показатель преломления сердцевины световодов. Изменение Ai измеряется регистратором 10 разности фаз, а изменение А 2 - регистратором 11 разности фаз. Сигнал Ai поступает на первые входы регистратора 12 давления и регистратора 13 температуры, а сигнал Да поступает на их вторые входы. Выполнение требования неравенства нулю дискриминатора системы уравнения (1) и (2) обеспечивает однозначное определение величин АР и AT , которые связаны с Ai и Да соотношениями

AP A2(Q2-Qi) +Ai(Q2-Q3)/ (Q2-Qi)(P3-P2) + K(Q2-Qi)(P2-Pi)J; {3}

AT A2 (Pi - P2) + Ai(P3 - P2) / (Q2-Qi)(P3-P2)+K(Q2-Qi)(P2-Pi).(4)

Регистратор давления может быть выполнен в виде аналогового сумматора со значениями коэффициентов передачи Ci и С2 входных сигналов по первому и второму входам, удовлетворяющими требованиям

02-0з Гт -ер

С2

Cte-Qi Г-ЈР

а регистратор температуры - в виде аналогового сумматора со значениями коэффициентов передачи Si и S2 входных сигналов по соответствующим входам - требованиям

е

Si

г

Рз-Р2

S2

Р1-Р2 Г Јт

Г ЈТ

-Яр nl(Q2-Qi)(P3-P2) + + (Q2-Q3)(P2-Pi);

(6)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Я -длина волны оптического излучения; I - длина световодов каналов, которая находится во взаимодействии с измеряемыми давлением и температурой; n - показатель преломления сердцевины световодов; ер и Јт -единицы измерения давления и температуры.

Очевидно, что в таком датчике изменение температуры не вызывает ухудшения точности измерения им изменения давления, так же как и наоборот.

Таким образом, использование предлагаемого датчика расширяет функциональные возможности за счет обеспечения одновременного измерения давления и температуры и повышает точность измерения последних. Кроме того, предлагаемый датчик позволяет обеспечить меньшие габаритные размеры области измерения давления и температуры за счет использования трех независимых световодов вместо четырех при измерении давления и температуры двумя датчиками.

Формула изобретения Фазовый волоконно-оптический датчик, содержащий источник когерентного оптического излучения, разветвитель излучения, первый измерительный волоконно-оптический канал, второй измерительный волоконно-оптический канал с модулятором излучения, сумматор оптического излучения и регистратор разности фаз, при этом выход источника излучения соединен с входом разветвителя, выходы разветвителя - с входами измерительных каналов, выходы измерительных каналов - с входами сумматора, выход которого соединен с входом регистратора разности фаз, причем измерительные каналы выполнены из ЕЮЛОКОН- ных световодов одинаковой длины с различными фазовыми чувствительностя- ми. отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения одновременного измерения давления и температуры и повышения точностей измерения последних, в него введены третий измерительный волоконно-оптический канал, второй разветвитель излучения, второй сумматор оптического излучения, второй регистратор разности фаз, а также регистраторы давле- ния и температуры, при этом вход третьего

измерительного канала соединен с третьим выходом первого разветвителя, а его выход - с первым входом второго сумматора, выход второго сумматора - с входом второго регистратора разности фаз, выход второго измерительного канала соединен также с вторым входом второго сумматора через вход и первый выход второго разветвителя, а с входом первого сумматора - через вход и второй выход этого же разветвителя, выход первого регистратора разности фаз соединен с первым входом регистратора давления и с первым входом регистратора температуры, а выход второго регистратора разности фаз - с вторым вхо0

дом регистратора давления и с вторым входом регистратора температуры, при этом волоконные световоды трех измерительных каналов выполнены с температурными фазовыми чувствительностями Qi,d2,Q3 и фазовыми чувствительностями Р1,Р2,Рз к изменению давления, удовлетворяющими требованию

(Q2-Qi)2(P3-P2)2+(Q3-Q2)2 (P2-Pi)2 2 (Q2-QiXQ3-Q2) (Р2-Р1ХРЗ-Р2),

где индексы 1,2 и 3 соответствуют волоконным световодам первого, второго и третьего каналов.