Волоконно-оптический датчик давления

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4794827/10 (22) 05,01.91 (46) 07,06.92. Бюл. N 21 (71) Ереванский государственный университет (72) А.М. Галстян и Ю.С. Чилингарян (53) 531.787 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 878534, кл. G 01 1 11/00, 1970.

Волоконная оптика и приборостроение. ,— Л.: Машиностроение, 1987, с, 110 — 124. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измереИзобретение 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 двухволоконные 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 ла„„SU ÄÄ 1739228А1 ния 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. бораторных условиях стабилизация фазы опорного плеча достигается термостатированием этого элемента, что лишает волоконно-оптические интерферометрические датчики одного из его основных преимуществ — компактности, Используются также 4 другие методы стабилизации рабочей точки (,д) интерферометра, не приводящие к компак- 4 ) тности. Наличие коллимирующих и светоразделительных элементов усложняет работу такого интерферометрического датчика (необходимость учета уровня обратного отражения в резонатор лазера от различных оптических элементов схемы) и,3 увеличивает его массу по сравнению с волоконно-оптическим интерферометром в интегральном исполнении (волоконные разветвитель и объединитель). Отсутствие в схемах интерферометрических датчиков вышеуказанных элементов стабилизации фазы, светоделительных и коллимирующих элементов приводит к уменьшению массы

1739228 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 А d ", где d — расстояние между центрами жил, А — 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

55 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 Лг.

Соотношение между Л г и P определяется выражением

Лг — ((1 — 2>)+(1+ ) ) г Я где r), гг — 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 интерферен ционных полос. Измерение смещения интерференционных полос проводилось измерением смещения интерференционного максимума с помощью подвижной щели с фотодиодом расположенных на микрометрическом столике, Изменение разности фаз равно

Лр =2лх/Лх 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 вЂ” 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 Не-Ne лазера на длине волны

il = 6328 А . Участок волокна длиной L 80 см наматывался на полый цилиндр радиуса r 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,и = Л р/ Л г = 6 рад м мкм "

Измерение чувствительности проводилось

1739228 ного волокна, что также упрощает конструкцию и уменьшает массу датчика, Составитель А.Галстян

Техред М.Моргентал

Корректор М,Демчик

Редактор Е.Папп

Заказ 1996 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 при наматывании волокна на пьезокерамический цилиндр того же радиуса.

Реализована модель интерферометрического 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 светоразделительные 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 опорФормула изобретения

5 Волоконно-оптический датчик давления, содержащий чувствительный элемент, источник когерентного излучения, два волоконно-оптических канала передачи излучения и измеритель разности фаз оптических

10 волн, отличающийся тем, что, с целью упрощения и снижения температурной погрешности, в нем два волоконно-оптических канала передачи информации выполнены в виде двужильного оптического волокна, а

15 чувствительный элемент выполнен в виде цилиндра, при этом двужильное оптическое волокно намотано на чувствительный элемент с плоскостью расположения жил перпендикулярно к оси цилиндра,