Фазовый волоконно-оптический датчик Советский патент 1993 года по МПК G01K11/12 

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

Цель изобретения - упрощение технологии изготовления датчика за счет использования в его конструкции меньшего числа разных типов оптических волокон.

На чертеже показана схема предлагае- мо.го датчика, который состоит из источника 1 когерентного оптического излучения, первого 2 и второго 9 разветвителей излучения, первого канала 4 с модулятором 7, второго 3 и третьего 8 измерительных каналов, первого 5 и второго 10 сумматоров оптического излучения, первого 6 и второго 11 регистраторов разности фаз, регистраторов давления 12 и температуры 13. Выход источника 1 соединен со входом разветвителя 2, выходы разветвителя 2 - со входами измерительных каналов 3, 4 и 8, выход канала 4 - со входом рззветвителя 9, а выходы каналов 3

и 8 - с первыми входами сумматоров 5 и 10, со вторыми входами которых соединены выходы разветвителя 9. Выходы сумматоров 5 и 10 соединены соответственно со входами регистраторов разности фаз 6 и 11, выход первого из которых соединен с первыми входами регистраторов давления 12 и температуры 13, а выход второго - со вторыми входами регистраторов 12 и 13.

Предлагаемый датчик работает следующим образом.

Излучение источника 1 поступает через разветвитель 2 в каналы 3, 4 и 8, проходя в канале 4 через модулятор 7 (модуляция необходима для обработки сигналов в регистраторах 6 и 11). Изменения Д Р и ДТ давления Р и температуры Т вызывают изменение di разности фаз сигналов на выходах каналов 3 и 4, а также изменение бг разности фаз сигналов на выходах каналов 8 и 4. В соответствии с общепринятыми определениями параметров фазовой чувствительности 0В к изменениям давления и

(Л

С

00

о ел

ю о

температуры 5i и дг связаны с Л Р и ЛТ соотношениями(а 02 -0i)Ki AT + (aP2-Pi)Ki ДР di, (1) (b 02 - ©i)Ki AT + (bP2 - Pi)Ki A P dz, (2)

гдеК1

2л

Г

n - постоянный коэффициент.

Изменение 5i измеряется регистратором разности фаз 6, а изменение 6г - регистратором разности фаз 11. Сигнал 5i поступает на первые входы регистратора давления 12 и регистратора температуры 13, а сигнал дг - на вторые входы регистраторов 12 и 13. Выполнение взаимосвязи, а также взаимосвязей обеспечивает однозначное и точное измерение изменений АР и А Т, которые .связаны с 5i и & соотношениями

-Ь0

-Й1+.

Г

-(52, (3)

AT

.

V

Положительный эффект (упрощение технологии изготовления и уменьшение стоимости датчика) достигается за счет того, что второй и третий измерительные каналы датчика выполнены на однотипных оптических волокнах, имеющих одинаковые характеристики, причем параметры a, b, ©i, 02, PI, P2, Zi, 7.2 и Gi, 62 датчика определяются новыми, не известными ранее, взаимосвязями параметров - физических величин предложенного датчика.

Примером предлагаемого изобретения может служить датчик (чертеж), волокно OBi канала 4 которого имеет следующие параметры: диаметр сердцевины равен 4,5 мкм, материал сердцевины - SI02 + 0,1% GeCte;. внешний диаметр оболочки (95% SiOz + 5% B2Qs) - 30 мкм; внешний диаметр технической оболочки (SiCte) - 85 мкм. Волокно .OBi имеет ©i 6,8x1 , a PI -ЗТПа 1. Оптическое волокно ОВ2 каналов 3 и 8 имеет материалы и геометрию первых трех слоев (сердцевины, оболочки, технической оболочки), одинаковые с волокном OBi, а четвертый слой (первичное покрытие) ОВ2 выполнен из силиконовой резины и имеет внешний диаметр 220 мкм, ОВ2 имеет ©2 - 18х10 6К , а Р2 -9ТПа 1 (типы волокон OBi и ОВ2 выбираются, исходя из требования неравенства нулю хотя бы одного из параметров © ©2-01 или Р Р2 - Pi; при Р требование (4) не выполняется при любых значениях параметров а и Ь). Отно

10

15

20

25

12шение а -г- 1 (параметр а 0). Отношение

з b - 4,5 (выбирается из требования). Ко° эффициент KI 0,15х106 (определяется длинами Я 0,63 мкм, И 0,01 м и показателем преломления n - 1,46). Коэффициенты Zi -0,6; 7.1 -0,09; Gi 0,3; 62 -0,05 (определяются требованиями Јт К, . ер МПа). Элементы 1, 2, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 и 13 аналогичны элементам соответствующего функционального назначения прототипа.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет более простую технологию изготовления за счет использования в его конструкции меньшего числа разных типов оптических волокон. Кроме того, оно имеет меньшую стоимость за счет уменьшения затрат на дополнительные технологические операции по изготовлению оптических волокон датчика.

Формула изобретен и я Фазовый волоконно-оптический датчик, содержащий источник когерентного оптического излучения, первый и второй разветвители излучения, первый с модулятором, второй и третий измерительные каналы, первый и второй сумматоры оптического излучения, первый, и второй регистраторы разности фаз, а также регистраторы давления и температуры, выполненные в виде аналоговых сумматоров, при этом выход источника излучения соединен с входом первого разветвителя, выходы первого разветвителя - с входами измерительных каналов, выход первого измерительного канала - с входом второго разветвителя, а выходы второго и третьего . измерительных каналов - с первыми входами первого и второго сумматоров излучения, с вторыми входами которых соединены выходы второго разветвителя, выходы первого и второго сумматоров излучения соединены соответственно с входами первого и второго регистраторов разности фаз, выход первого из которых соединен с первыми входами регистраторов давления и температуры, а выход второго - с вторыми входами последних, оптическое волокно первого канала выполнено с температурной фазой чувствительностью ©i и фазовой чувствительностью Pi к изменению давления, а оптические волокна второго и третьего каналов выполнены с параметрами, отличными от параметров волокна первого канала, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления, второй и третий измерительные каналы выполнены на однотипных волокнах, отношения а

30

35

40

45

50

55

и ь длин которых к длине волокна первого где ©z температурная фазовая чувствительность, а Ра - фазовая чувствительность к изменению давления волокон второго и

канала определяются взаимосвязью

(a 0t - 6iHbP2 - pi)2 + (b Ot - Bi)2(aP2 - Pi)2

2(aefe-0iXbefe-0iXaP2-PiXbP2-Pi),

третьего измерительных каналов датчика.

третьего измерительных каналов датчика.

Использование: контрольно-измерительная аппаратура. Сущность: в датчике, состоящем из лазера, трех волоконно-оптических световодов, двух регистраторов разности фаз и регистраторов давления и температуры, два световода выполнены из однотипных волокон, а все три световода имеют различную длину. 2 ил.