Волоконно-оптический датчик давления Советский патент 1993 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, применяемых для измерения давления в различных областях народного хозяйства.

Известен волоконно-оптический датчик давления, содержащий прогибающуюся мембрану и оптические волокна, закрепленные перпендикулярно плоскости мембраны. На мембране сформирована отражающая площадка, перпендикулярно которой или под углом закреплены передающий и принимающий световой поток оптические волокна. При прогибе мембраны изменяется расстояние между отражающей площадкой и торцами оптических волокон, в результате чего происходит модуляция светового потока. Недостатком данного устройства являются довольно значительные температурные погрешности, связанные с изменением модуля упругости материала мембраны от температуры и температурного изменения линейных размеров прокладки, задающей расстояние между плоскостью мембраны и торцами оптических волокон.

Известен волоконно-оптический датчик давления, содержащий закрепленный в корпусе мембранный чувствительный элемент с жестким центром и утолщенной периферийной частью, и два волоконно-оптических преобразователя, выполненных в виде световодов с источником света и фотоприемниками, причем концы световодов закреплены в плате, торец одного из них установлен напротив жесткого центра мембраны, а торец другого - напротив утолщенной периферийной части мембраны, и установленную и плате между световодами светозащитную кольцевую перегородку. Недостатком данной конструкции является наличие мульти- лликативной погрешности, вызванной изменением модуля упругости материала мембраны от температуры.

Цель изобретения - повышение точности за счет уменьшения температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптический датчик давления, содержащий закрепленный в корпусе мембранный чувствительный элемент с жестким центром и утолщенной периферийной частью, и два волоконно-оптических преобразователя, выполненных в виде световодов, с источником света и фотоприемниками, причем концы световодов закреплены в плате, и торец одного из них установлен напротив жесткого центра мембраны, а торец другого - напротив утолщенной периферийной части мембраны, и

установленную в плате между световодами светозащитную кольцевую перегородку, введен прикрепленный к жесткому центру мембраны со стороны световода компенсаЦионный элемент в виде металлического диска, с диаметром равным диаметру жесткого центра мембраны, при этом температурный коэффициент линейного расширения материала диска отличен от температурного ко0 эффициента линейного расширения материала мембраны, утолщенная периферийная часть мембраны со стороны световода выполнена с кольцевым выступом, а светозащитная кольцевая перегородка ус5 тановлена с зазором относительно мембраны и расположена между жестким центром и кольцевым выступом.

На чертеже изображен волоконно-оптический датчик давления. Он содержит

0 корпус 1, мембрану 2с жестким центром, снабженным металлическим диском 3, светозащитную перегородку 4, плату 5, установочное кольцо 6. В плате 5 смонтированы оптические волокна 7 и 8. Оптическое волок5 но 8 принадлежит рабочему каналу преобразователя и его торец установлен над жестким центром, а оптическое волокно 7 принадлежит компенсационному каналу и его торец установлен над периферийной ча0 стью мембраны. Торцы оптических волокон располагаются в одной плоскости. На противоположных концах оптических волокон сформированы оптические разветвители 9, 10, к которым подключены источник света

5 1.1, фотоприемники 12, 13. Поверхности диска 3 и периферийной части мембраны имеют зеркальную чистоту и служат отра- .жающими поверхностями соответственно рабочего и компенсационного преобразовао теля. Расстояние от поверхности оптических волокон до отражающих поверхностей задается толщиной кольца 6.

Волоконно-оптический датчик работает следующим образом. Измеряемая среда

5 подводится в приемную полость датчика и воздействует на мембрану. При включении питания световой поток от источника 11 по световоду 8 подводится к мембране, отражается от диска 3 и световодом 8 подается

0 ни фотопрйемник 12, где преобразуется в электрический сигнал. При изменении давления мембрана деформируется и расстояние между ее центром с диском 3 и торцевой поверхностью световода 8 изме5 няется. При этом изменяется интенсивность отраженного потока, поступающего на фотоприемник 12. Сигнал с фотоприемника 13 компенсационного преобразователя при этом остается постоянным, так как расстои ние между торцевой поверхностью светово

да 7 и отражающей поверхностью периферийной части мембраны от изменения давления не меняется. При изменении температуры окружающей среды за счет изме- нения линейных размеров деталей расстояние между отражающей поверхностью диска 3 мембраны и торцевой поверхностью световода 8 будет изменяться. Для компенсации температурной погрешности используется сигнал компенсационного канала преобразователя. Сигнал этого канала в процессе изменения, давления, но при нормальной температуре, остается прсто

янным. Он изменяется только при изменении температуры. Сигнал компенсационного канала используется для корректировки выходной характеристики датчика. Для компенсации мультипликативной погрешности в датчик введен компенсационный элемент в виде металлического диска 3 .

Технико-экономическим преимуществом изобретения, по сравнению с прототипом, является уменьшение мультипликативной погрешности с 6% до уровня 1 % в температурном диапазоне 200°С.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического и динамического давления в широком диапазоне температур. Изобретение направлено на повышение точности измерений за счет уменьшения температурной погрешности. Сущность изобретения: в волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус 1, мембрану 2 с жестким центром и утолщенной периферийной частью и два волоконно-оптических преобразователя 7,8, выполненных в виде световодов, с источником света 11 и фотоприемниками 12,13, причем концы световодов закреплены в плате 5 и торец одного из них установлен напротив жесткого центра мембраны, а торец другого - напротив утолщенной периферийной части мембраны, и установленную в плате 5 между световодами светозащитную кольцевую перегородку 4, в соответствии с изобретением введен прикрепленный к жесткому центру мембраны со стороны световода компенсационный элемент, в виде металлического диска 3 с диаметром, равным диаметру жесткого Центра мембраны, при этом температурный коэффициент линейного расширения материала диска отличен от температурного коэффициента линейного расширения материала мембраны, что позволяет уменьшить мультипликативную погрешность измерения в 6 раз. 1 ил.

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик давления, содержащий закрепленный в корпусе мембранный чувствительный элемент с жестким центром и утолщенной периферической частью и два волоконно-оптических преобразователя, выполненных а виде световодов, с источником света и фотоприемниками, причем концы световодов закреплены в плате и торец одного из них установлен напротив жесткого центра мембраны, а торец другого - напротив утолщенной периферийной части мембраны, и установленную в плате между световодами светозащитную кольцевую перегородку, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью

повышения точности за счет уменьшения температурной погрешности, в него введен прикрепленный к жесткому центру мембраны со стороны световода компенсационный элемент в виде металлического диска с диаметром, равным диаметру жесткого центра мембраны, при этом температурный коэффициент линейного расширения материала диска отличен от температурного коэффициента линейного расширения материале мембраны, а утолщенная периферическая часть мембраны со стороны световода выполнена с кольцевым выступом, при этом светозащитная кольцевая перегородка установлена с зазором относительно мембраны и расположена между жестким центром и кольцевым выступом.