Волоконно-оптический измеритель емкости аккумулятора Советский патент 1991 года по МПК H01M10/48 G01F23/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости аккумулятора с жидким электролитом.

Целью изобретения является повышение точности и стабильности измерений.

На фиг.1 приведен график зависимости угла выхода светового пучка и подводящего световода от показателя преломления электролита аккумулятора при различных углах скоса выходного торца; на фиг.2 представлена упрощенная схема одного из вариантов измерителя емкости аккумулятора.

Волоконно-оптический измеритель емкости аккумулятора содержит источник излучения 1, подводящий световод 2, коллимирующую линзу 3, приемное свето- водное устройство 4, состоящее из световодов 5, каждый из которых условно обозначен одной линией. Их изгибы 6 подведены к элементам 7 фотодиодной матрицы двоичного кодирования 8.

Скос выходного торца подводящего световода позволяет при изменении показателя преломления электролита (который характеризует плотность электролита, а следовательно, и емкость аккумулятора)

о

XI XI VI ел

получать выход светового пучка из подводящего световода под различными углами к его оси, Угол скоса (угол между плоскостью скошенного и нескошенного торцов) должен находиться в диапазоне значений

О у Orcsin

П эмин Пс

, так как при у О выходной световой пучок не будет изменять угол выхода при изменении показателя преломления электролита (световой пучок будет распространяться вдоль оси подводящего световода), а при у arcsin

П

эмин Пс

выходного светового пучка не будет, так как произойдет полное внутреннее отражение света от выходного торца подводящего световода. Зависимость угла выхода пучка света из подводящего световода в жидкий электролит от показателя преломления может быть получена из следующего выражения (на основе закона Снеллиуса):

# arcsin(- siny)-y, (1)

Лэ

где 0 - угол выхода светового пучка к оси световода;

пс, пэ - показатели преломления световода и электролита;

у - угол скоса выходного торца световода.

Волоконная коллимирующая линза подводящего световода предназначена для формирования параллельного пучка света, падающего на выходной торец.

Выполнение приемного световодного устройства в виде набора световодов позволяет получить информацию об угловом смещении пучка света, выходящего из подводящего световода в дискретном виде, так как приемное световодное устройство расположено таким образом, что каждому дискретному угловому положению светового пучка соответствует торец определенного световода.

Наличие изгибов, световодов приемного световодного устройства приводит к излучению световой энергии в месте изгиба. Известно, чем больше кривизна изгиба световода, тем большая мощность излучения высвечивается с участка изгиба. Для получения одинаковой интенсивности излучения изгибов световода (в случае нескольких участков изгиба) должно выполняться следующее условие: P0-Pi Pi-P2 P2-P3 ...PN-I-PN, т.е. Pi-i-Pi Pi -Pi+i (2),

где Pi - мощность светового сигнала на регулярном участке световода, следующим за участком i-ro изгиба; N-максимально возможное число изгибов световода, равное

числу фотодиодных элементов фотоприемника, . ..N-1.

Для удовлетворения условия (2) можно воспользоваться следующей формулой для определения коэффициентов пропускания участков изгиба световода:

т.-.(гР-1) + Н()

Tl (i-1)(rp-1) + N (3)

где Т - коэффициент пропускания мощно- сти светового сигнала i-м участком изгиба световода;

Гр - коэффициент пропускания световода, содержащего N изгибов.

Существует несколько методик опреде- ления коэффициента пропускания мощности светового сигнала участком световода, содержащим изгиб для различных типов и параметров световодов. Поэтому в формуле изобретения не приводится конкретное вы- ражение для определения радиуса изгибов световодов. Известна, например, следующая зависимость:

i-,2,ani,n;- «)

( n - ng ) R

где т - коэффициент пропускания мощности светового сигнала участкам световода, содержащим изгиб; а- радиус поперечного сечения световода; щ, П2 показатели преломления сердцевины и оболочки световода; R - радиус изгиба участка световода.

Из (3), (4) получает, что R| 2ащп2(1-1)(Гр-1) + М (5)

М-п2)(1 -Тр)

где RI - радиус i-ro изгиба световода, номера изгибов отсчитываются от выходного торца световода приемного световодного устройства.

ДлЪ получения выходной информации в цифровом виде фотоприемник выполнен в виде фотодиодной матрицы двоичного кодирования, т.е. каждому фотодиодному элементу соответствует двоичный разряд.

Изгибы световодов приемного световодного устройства обращены к соответствующим элементам фотодиодной матрицы так, что каждому световоду соответствует определенное двоичное число (каждый изгиб

подведен к соответствующему двоичному разряду фотодиодной матрицы).

Для уменьшения нелинейности измерений приемное световодное устройство расположено под углом а к оси подводящего световода. Это обеспечивает при одинаковых изменениях углового положения светового пучка, выходящего из подводящего световода, получение одинаковых линейных перемещений светового пучка вдоль фотодиодной матрицы двоичного кодирования. Угол а. можно выразить через известные нам углы

.

где у- угол скоса выходного торца подводя- щего световода;

$1 и $ - углы выхода светового пучка из подводящего световода при показателях преломления электролита пэмин и пЭмакс.

Из закона Снеллиуса можно получить значение углов 9 , 02

пс

&i arcsin ( в- arcsin (

П эмин Пс

siny) - siny)

(6)

П эмакс

Тогда выражение для определения угла между осями приемного световодного устройства и подводящего световода будет выглядеть следующим образом:

arcsin (--- siny)

Пэмин/

(7)

«-4-D

+ arcsin {--

Пэм;

+

sin

У) 1-Х (8)

Волоконно-оптический измеритель ем- кости аккумулятора работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда электролит имеет определенный показатель преломления, оптический сигнал источника 1

коллимируется в подводящем световоде 2 линзой 3 и с его выходного торца, пройдя электролит, поступает на один из световодов 5 приемного световодного устройства 4, а с его изгибов 6 - на соответствующие элементы 7 фотодиодной матрицы двоичного кодирования 8, где вырабатываются электрические сигналы в двоичной форме, соответствующие номеру световода 5.

При изменении емкости аккумулятора (плотности электролита), а следовательно, и изменении показателя преломления, будет изменяться угловое положение выходного пучка. При этом пучок попадает на другой торец соответствующего световода 5 (на фиг.2 это соответствует пучку, обозначенному пунктирной линией). Это приводит к тому, что световой сигнал поступает на другую комбинацию элементов 7 фотодиод

5

10

15

20

30

ос

л 5 ной матрицы двоичного кодирования 8, что вызовет изменение двоичной информации на ее выходе.

Предложенный волоконно-оптический измеритель емкости аккумулятора обеспечивает достаточную стабильность, потому что изменение интенсивности оптического сигнала не приводит к изменению показаний измерителя, является более точным, так как погрешность предлагаемого измерителя определяется степенью дискретизации, которую можно сделать сколь угодно малой, увеличивая расстояние между подводящим световодом и приемным световодным устройством.

Формула изобретения Волоконно-оптический измеритель емкости аккумулятора, содержащий источник излучения, подводящий световод, приемное световодное устройство и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильностио измерений, выходной торец подводящего световода выполнен скошенным под углом

О у arcsin -эмин , где у-угол скоса све- пс

товода, пс- показатель преломления световода, Пэмин - показатель преломления электролита, подводящий световод имеет волоконную коллимирующую линзу, фотоприемник выполнен в виде фотодиодной матрицы двоичного кодирования, а приемное световодное устройство выполнено в виде набора световодов, входные торцы которых обращены к выходному торцу подводящего световода и составляют с его осью угол

а 4- Г arcsin (--- siny) +

L П эмин/

+ arcsin (--- siny) -у,

П эмакс/

где а- угол между осью подводящего световода и осью приемного световодного устройства; Пэмакс - максимально возможный показатель преломления электролита, а в. средней части имеют изгибы, обращенные к фотоприемнику, радиусы которых определяются числом участков изгиба.

ffr

ЧК

Фиг.1

1,66

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения емкости аккумулятора с жидким электролитом. Изобретение позволяет повысить точность и стабильность измерений за счет получения выходного сигнала в цифровом виде. Изменение емкости аккумулятора (плотности электролита), а следовательно, изменение показателя преломления приводит к тому, что оптический сигнал источника 1, который коллимируется в подводящем световоде 2 линзой 3, выходит со скошенного торца подводящего световода 2 под различными углами, при этом каждому дискретному угловому положению светового пучка соответствует торец определенного световода приемного световодного устройства 4, Световоды 5 приемного световодного устройства 4 в средней части имеют изгибы 6, радиусы которых рассчитаны таким образом, что интенсивность излучения изгибов световодов одинакова. Изгибы 6 обращены к соответствующим элементам фотодиодной матрицы двоичного кодирования 8 так, что каждому световоду соответствует определенное двоичное число, формируемое фотодиодной матрицей по двоичной информации, на выходе которой можно судить о емкости аккумулятора. 2 ил. СП с