Волоконно-оптический датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к волоконно-оптическому приборостроению, в частности к волоконно-оптическим датчикам физических величин, и может быть использовано в гидроакустике и других областях метрологии для измерения давления.

Известны одномодовые двухволокон- ные интерферометрические датчики.

Схема типичного волоконно-оптического интерферометрического датчика на двух одномодовых волокнах представляет собой модификацию классического интерферометра Маха-Цендера и включает в себя источник излучения (лазер), коллимирующие системы (линзы), светоделительные элементы, микрообъективы, и измеритель разности фаз. Для работы по такой схеме требуется выполнение условия квадратур, откуда вытекает необходимость стабилизации фазы волны в опорном волокне (изоляции волокна от воздействия внешних факторов). В лабораторных условиях стабилизация фазы опорного плеча достигается термостатиро- ванием этого элемента, что лишает волоконно-оптические интерферометрические датчики одного из его основных преимуществ - компактности. Используются также другие методы стабилизации рабочей точки интерферометра, не приводящие к компактности. Наличие коллимирующих и свето- разделительных элементов усложняет работу такого интерферометрического датчика (необходимость учета уровня обратного отражения в резонатор лазера от различных оптических элементов схемы) и увеличивает его массу по сравнению с волоконно-оптическим интерферометром в интегральном исполнении (волоконные разветвитель и объединитель). Отсутствие в схемах интерферометрических датчиков вышеуказанных элементов стабилизации фз- светоделительных и коллимирующих элементов приводит к уменьшению массы

х| СО

о

Ю hO 00

датчика, простоте конструкции и как следствие - к пригодности для промышленного применения. На работу волоконно-оптических интерферометрических датчиков влияют внешние воздействия (вибрации, тепловые флуктуации) на коммутационную часть волокон (участки волокна между чувствительным элементом, лазером и измерителем разности фаз), что также приводит к ограниченности практического применения таких волоконно-оптических датчиков.

Цель изобретения - упрощение конструкции датчика и снижение температурной погрешности.

Поставленная цель достигается за счет того, что в волоконно-оптическом датчике давления, содержащем источник когерентного излучения, чувствительный элемент с волокном и измеритель разности фаз оптических волн два волоконно-оптических канала передачи информации выполнены в виде двужильного оптического волокна, а чувствительный элемент выполнен в виде упругого цилиндра, при этом волокно намотано так, что плоскость расположения жил перпендикулярна оси цилиндра.

На чертеже показана схема датчика.

Датчик содержит источник 1 когерентного излучения, микрообъектив 2, двужильное оптическое волокно 3, участок которого намотан на чувствительный к давлению элемент (упругий цилиндр) 4, и измеритель 5 разности фаз оптических волн.

Датчик работает следующим образом.

Когерентное излучение источника 1 микрообъективом 2 вводится в двужильное волокно 3 в обе жилы. При распространении световых волн по волокну (в каждой жиле) сохраняется их взаимная когерентность. После выхода волн из волокна в области перекрытия пучков образуется стабильное интерференционное поле.

На экране (плоскости расположения щели измерителя разности фаз), расположенном на расстоянии I от выходного торца, наблюдаются интерференционные полосы, ширина которых определяется выражением х I Я d , где d - расстояние между центрами жил, Я -длина волны оптического излучения. Наблюдаемые интерференционные полосы перпендикулярны плоскости расположения жил на конце волокна. Таким образом определяется плоскость расположения жил на каждом конце волокна. Участок волокна с определенной плоскостью расположения жил с натяжением наматывается на полый упругий цилиндр так, чтобы плоскость расположения жил была перпендикулярна оси цилиндра. При такой намотке

двужильного волокна на цилиндр возникает статическая разность фаз волн в жилах из-за их различной деформации. Давление, изменяющее радиус упругого цилиндра, приводит к изменению статической разности фаз волн что проявляется в смещении интерференционных полос пропорционально давлению или изменению радиуса Дг. Соотношение между Д г и Р определяется

выражением

Лг 7 Ґ 0-2г/) + (1+г;)-

где п, Г2 - внешний и внутренний радиусы

цилиндра, Е, V- коэффициенты Юнга и Пуассона материала цилиндра. Полезный сигнал датчика, пропорциональный давлению, извлекается из анализа наблюдаемой интерференционной картины, в частности из

измерения смещения интерференционных полос. Измерение смещения интерференционных полос проводилось измерением смещения интерференционного максимума с помощью подвижной щели с фотодиодом

расположенных на микрометрическом столике. Изменение разности фаз равно Ду 2л:х/Дх где х - смещение полосы. Ширина щели (10-20 мкм) выбиралась во много раз меньше ширины интерференционных полос (1-2 см). Измерения смещения интерференционных полос проводились также с помощью системы технического зрения СТ-3-1 с пространственным разрешением 20-25 мкм с выходом на ЭВМ. Температурные флуктуации не влияют на работу датчика, так как обе жилы волокна находятся при одной температуре и изменения разности фаз не происходит. Температурная чувствительность такого датчика

определяется только температурным расширением цилиндра намотки волокна.

Пример. Реализация волоконно-оптического датчика давления на двужильном волокне. В датчике использовалось кварцевое волокно с внешним полимерным покрытием, радиус каждой жилы а 1,3 мкм, расстояние между центрами жил d 28 мкм. Жилы волокна являлись одномодовыми для излучения He-Ne лазера на длине волны

Я 6328 А . Уч асток волокна длиной L 80 см наматывался на полый цилиндр радиуса г 9 см из резины и крепился на нем. За выходным торцом волокна располагался измеритель разности фаз оптических волн.

Относительная чувствительность реализованного датчика показывающая удельное изменение разности фаз определенная выражением /J, 6 рад Измерение чувствительности проводилось

при наматывании волокна на пьезокерами- ческий цилиндр того же радиуса.

Реализована модель интерферометри- ческого датчика в волоконном исполнении.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый датчик на двужильном волокне обладает рядом преимуществ.

Использование двужильного волокна приводит к упрощению конструкции и уменьшению массы датчика, так как в реализованной схеме отсутствуют светоразде- лительные и объединительные элементы, оптические коллимирующие системы. Реализация двух оптических каналов интерферометра в одном волокне, находящихся в одинаковых температурных условиях, приводит к повышению помехоустойчивости к температурным изменениям и отсутствию необходимости термостабилизации опорного волокна, что также упрощает конструкцию и уменьшает массу датчика,

Формула изобретения Волоконно-оптический датчик давления, содержащий чувствительный элемент, источник когерентного излучения, два волоконно-оптических канала передачи излучения и измеритель разности фаз оптических волн, отл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения и снижения температурной погрешности, в нем два волоконно-оптических канала передачи информации выполнены в виде двужильного оптического волокна, а чувствительный элемент выполнен в виде цилиндра, при этом двужильное оптическое волокно намотано на чувствительный элемент с плоскостью расположения жил перпендикулярно к оси цилиндра.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давлений. Цель изобретения - упрощение конструкции и уменьшение температурной погрешности. Интерферометрический волоконно-оптический датчик выполнен на двужильном волокне с двумя волоконно-оптическими каналами. Когерентное лазерное излучение вводится .одновременно в обе жилы волокна, на выходе которого образуется интерференционное поле. Волокно наматывается на полый эластичный изолированный цилиндр так, чтобы плоскость расположения жил была перпендикулярна его оси. При подаче давления в цилиндр интерференционные полосы смещаются пропорционально величине давления. 1 ил.