Волоконно-оптический датчик давления

 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в гидростатических датчиках давления. Цель изобретения - повышение чувствительности преобразователя давления. Для этого преобразователь содержит источник оптического излучения, соединенный с чувствительным элементом Е. виде катушки с коаксиальным светонодсм. На выходе коаксиального световода установлены диафрагма , выполненная в виде кольцевого фотоприемника, и фотоприемник. Выходы фотоприемника и диафрагмы-фотоприемника через усилители подключены к дифференциа/ ьной схеме, выход которой соединен с индикатором. Для стабилизации мощности оптического излучения источника устройство содержит цепь отрицательной обратной связи, содержащую фотоприемник и устройство регулирования мощности оптического излучения. 2 ил. сл

СО!ОЗ СОВЕТГ КИХ

СОЦИАЛ ИСТИ F CKVIX

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1 11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ Г АТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР . (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4844102/10 (22) 30.05.90 (46) 23.12.92, Бюл. М 47

{71) Северо-Западный заочны политехнический институт (72) К.П.Бойцов, В.Л.Гулюшин и Д.Д.Добровольский (56) 1.Патент США Ф - 4360247, кл. 350 — 96. 1 5, 1982.

2.Авторское св детельство СССР

N 1465728, кл. G 01 L 11/00, 1987, 3.Авторское свидетелbcTBo СССР

% 1483296, кл. G 01 1 11/00, 1987(прототип). (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в гидростатических датчиках давления, Цель. Ж ÄÄ 1783335 А1 изобретения — повышение чувствительности преобразователя давления. Для этого преобразователь содержит источник оптического излучения, соединенный с чувствительным элементом в виде катушки с коаксиальным светонодсм. На выходе коаксиального световода установлены диафрагма, выполненная в виде кольцевого фотоприемника, и фотоприемник. Выходы фотоприемника и диафрагмы-фотоприемника через усилители подключены к дифференциаЛьной схеме, выход которой соединен с индикат)ром, Для стабилизации мощности оптического излучения источника устройство содержит цепь отрицательной обратной связи, содержащую фотоприемник и устройство регулирования мощности оптического излученля. 2 ил.

1783335

10

50 сигнала

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения давления, преимущественно в жидких средах.

Датчики давления с использованием оптического световолокна известны.

Известен волоконно-оптический датчик давления, в котором использован одномодовый волоконный световод с сошлифованной на изгибе световода оболочкой. Место шлифовки механически посредством жесткого выступа связано с мембраной, воспринимающей давление (1), Для повышения чувствительности это техническое решение было развито а именно между сошлифованной частью волоконного световода и поверхностью выступа мембраны была размещена жидкость (2).

Прй неизменности внешнего давления волоконный и жидкостный волноводы нахо. дятся в так называемом состоянии фазового синхронизма (равенство постоянных распространения моды волоконного световода и одной из мод жидкостного волновода), При изменении давления а результате нарушения фазового синхрон«зма в области связи волоконного и жидкостного световодов между ними возникает перераспределение световой мощности и на выходе волоконного световода наблюдается уменьшение мощности оптического излу«гения, которое и несет информацию об изменении давления.

Указанный да1чик имеет недостаток, связанный с наличием мембраны и элементов ее крепления, приводящих к ухудшению частотной характеристики датчика по при. чине механических резонансов системы.

Поэтому при конструировании датчиков давления с испол зованием волоконного световода стараются избе>кать применения конструкции с мембраной, а чувствительность датчика стремятся повысить увеличением длины волоконного световода, сворачивая его в катушку, обеспечивая тем самым большую область взаимодействия с внешней средой.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемо «у устройству является волоконно-оптйче"кий преобразователь давления, который содержит источник излу чения, оптичеСки связанный со входом навитого в виде цилиндрической спирали из коаксиальног0 световода чувствительного элемента. Выходной торец сьетовоца чувствительного элемента оптически согласован с двухканальнь«м делителем с ветового потока. Таким образом; с выхода «увствительного элемента одна гсть общего светового потока направляет я на фотоприемник, включенный в цепь устройства регулирования мощности оптического излучения. Другая часть общего потока через диафрагму, выделяющую излучение центрального стержневого световода, подается на другой фотоприемник, подключенный к усилителю и далее к индикатору, проградуированному в единицах давления (3), Структура коаксиального световода определяет степень связи стержневого и трубчатого световодов и может варьироваться в широких пределах. В частности, световоды, составляющие коаксиальное волокно могут быть слабонаправляющими и одномодовыми. Показатель преломления стержневого, трубчатого световодов и оболочки коаксиального волокна, а также показатель преломления внешней среды (п) могут отличаться на очень малую величину, т.е.

hn может составлять тысячные доли

В результате деформации коаксиального световода при изменении давления энергия светового излучения . перераспределяется межцу стержневыми и трубчатыми световодами коаксиального световода и изменения интенсивности светового 1отока стержневого световода, пропорционального изменению давления, воспринимае«лого фотоприемником за диафрагмой, далее усиливается и фиксируется на индикаторе.

Свертывание волоконного световода в катушку из-за необходимости увеличивать его длину для повышения чувствительносги к давлению приводит к тому, что некоторая доля излучения высве «ивается на изгиб»х стекловолокна, свернутого в катушку. Кроме того, в силу различных естественных факторов, например, изменения температуры внешней среды изменяется эффективность ввода световой энергии от источника излучения B коаксиальный световод, Потери излучения вызванные указанными факторами (высвечивание на изгибах и изменение эффективности ввода сптического излучения), не приводят, однако, к нарушению работы описываемого преобразователя давления, поскольку по цепи отрицательной обратной связи с помощью устройства регулирования мощности оптического излучения обеспечивается компенсация потерь оптического

Недостатком волоконно-оптического преобразователя да;лания является невысакэя его чувствительность из-за нерационального использования светового потока, распространяющегocA flo коаксиальному световоду, Если для стабилизации мощности оптического излучения используется световой поток, распростра;«яющийся как по стер>кневому так и по трубчатому свето1783335

20

40 д5

50 воду, что обеспечивает эффективную компенсацию потерь излучения, то для индикации давления используется световой поток только лишь стержневого световодэ, Это существенно снижает чувствительность к индикации давления, так как фактически схема выделения полезного сигнала, несущего информацию об изменении давления, не использует полезную информацию о давлении трубчатого световода, Кроме того, при использовании информации о давлении, передаваемой только по стержневому световоду, возможно построение лишь малочувствительной схемы выделения сигнала.

Цель изобретения — повышение чувствительности преобразователя давления путем более полного использования световой энергии коаксиального световода;

Для этого волоконно-оптический датчик давления, содержащий источник излучения. оптически связанный со входом навитогб в виде цилиндрической спирали из коаксиального световода чувствительного элемента, выход которо::о оптически связан с делителем светового потока, первый выход которого оптически связан со входом первогофотоприемника, а второй выход связан со входом второго фотоприемнлка, причем первый фотоприемник соединен со входом первого усилителя, а второй — со входом второго усилителя, подключенного к управляющему входу ис1эчника излучения, и ин-. дикатор дополнит .льна содержит третий фотаприемник, тре гий усилитель и дифференциальную схем выделения сигнала, при этом третий фотсприемник соединен с третьим усиллтелем и выполнен в виде кольцевой диафрагмы. которэл установлена ме>кду делителем светового потока и перBblM фотоприемником сааснс с ним, причем выходы первого и третьего усилителей подключены соответственно к первому и второму входам диффзаенциальной схемы выделения сигнала, выход которой соединен с индикатором, При этом первый и третий фотоприемники могут быть совмещены в одной плоскости и электриче=ки изолирова ы, а один из усилителей, подключенных к ним, должен быть выполнен с регулируемь м коэффициентом усиления.

Выполнение третьего фотоприемника в виде кольцевой д .афрагмы позволяет использовать светав(й поток трубчатого световода для съ ма дополнительной информации об изб ерении давления внешней среды, при прежнем использовании излучения стержневого световодэ, т,е, сохранении у третьего ф >топриемника свойств оптической диафрагмы, Коэксиэльное совмещение в одной плоскости первого и третьего фотоприемников при их электрической изолированности упрощает настройку оптической системы предлагаемого устройства.

Использование светового потока трубчатого световода для выделения дополнительной информации об изменении давления существенно повышает чувствительность волоконно-оптического греобрэзовэтеля за счет индикации дополнительной световой энергии, а тот факт, что при перераспределении энергии световoro излучения между стер>кневым и трубчатым световодами световая энергия в стержневом световоде уменьшается, в то время как в трубчатом увеличивается и нао(крот(измерение в противофазе), вместо грубой схемы прямому регистрации уменьшения сигнала позволяет использовать более чувствительную дифференциальную схему выделения сигнала, Коэффициент усиления первого и третьего усйлителей выбираются равными, если при исходном неизменном давлении внешней среды выбираем такой коаксиальный световод, что световая энергия в нем распределена поровну между стержнем и трубчатым световадами. Этим обеспечивается макс имальная чувствитес ьность дифференциал,най схемы выделения си нала и наибольшей динамический диапазон измерений, Если же перераспределение световой энергии в коаксиальном световоде распределено несимметрична между стержневыми и трубчатыми световодэми, то чувствительность предлагаемого волоконно-оптического датчика давления, хотя и будет выше, чем у прототипа, однако будет ниже, чем потенциально возмо>кна«максимальная чувствительность.

Поэтому для устранения асимметрии в величине сигналов, подаваемых на дифференциальную схему выделения сигналов при различных начальных значениях внешнега давления, один из усилителей, с которых электрические сигналы подаются на дифференциальную схему, выполнен с регулируемым коэффициен. ом усиления, На основании сравнения выявленных аналогичных технических решений с заявляемыми у известных решений не было выявлено признаков или сочетания признаков, тождественных отличительным признакам заявляемого обьекта. сообщающих объекту такие же свойства, т,е. заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия, На фиг.1 схема гически представлен:-аявляемый волоконно-оптический датчлк

7 1783335

50 давления; на фиг,2 - в увеличенном масштабе изображено кааксиальное совмещение в одной плоскости первого и третьего фотоприемников с электрической изоляцией, Предлагаемый волоконно-оптический датчик давления содержит управляемый по питанию источник 1 оптического излучения, например, лазер, оптически связанный с чувствительным эламентом 2 в виде катушки 3 с коаксиальным световодом 4. На выходе свето вода 4, после оптического устройства вывода, например, линзы 5, установлен двухканальный оптический делитель 6, разделяющий выходной световой поток на два канала. Первый канал содер- жит первый фотоприемник 7, подключенный к первому усилителю 8, а также диафрагму 9, выполненную в виде кольцевого третьего фотоприемника и г одключенного к третьему усилителю 10. Выходы усилителей 8 и 10 подключены ко входам дифференциальной схемы 11 выделения сигнала, выход которой соединен са входом индикатора 12, проградуированного в единицах давления. Второй канал содержит второй фатоприемник 13, выходам подключенный Уа входу Bfopolo усилителя 14, Bbl хад которого псдключен к управляемому по питанию истач:atIi<>> 1 оптического излучения. Фотоприемник 13 и усилитель 14 входят в цепь отрицательной обратной связи по мощности излучения. Поперечное сечение

15 (изображенное в увеличенном масштабе) светавада 4 имеет кааксиальную структуру. При этом показатели преломления п1 п2 "= лз = n среды, т,е. хотя значения показателей преломления соответственно стержневого светов ада, трубчатого световода и оболочки отличаются незначительно (в третьем знаке после запятой) выполнение указанного неравенства обеспечивает полное внутреннее отражение оптического сигнала, распространяющегося по световоду 4, за исключением потерь на изгибах катушки

3, компенсируемых по цепи обратной связи источником 1 излучения. Рассеивающая линза 5, при необходимости установленная на выходе коаксиа It. ного светавада 4, служит для оптического согласования расходящегося после нее коаксиального пучка . оптического излучения, исходящего из коаксиальнаго светавода 4, с аперт,трами первого фотоприемника 7 Й третьего фотоприемника 9. Согласов; ние апертур фотоприемников 7 и 9 с коническим оптическим излучающим пучком достигается также выбором саста втствующи < расстояний до них ат линзы 5. Для удобства согласования апертур и комг.актности фотоприемник

7 и фатоприемник ) коаксиальна савмещены в одной плоскости (смотри фиг.2), при этом между ними находится тонкий кольцевой слой 16 изолирую цего материала. Для возможности подачи на дифференциальную схему сигналов, одинаковых па величине при различных начальных значениях давления, под действием которого находится чувствительный элемент 2 (для обеспечения максимально возможной чувствительности преобразователя давления) и расширения динамического диапазона измерений) один из усилителей 8 и 10, например 8, выполнен с регулируемым коэффициентам усиления К (аг).

Волоконно-оптиче:кий преобраэователь давления работает следующим образом.

При неизменной начальном давлении действующем на чувствительный элемент 2 и определенном соотношении распределения светового излучения между стержневым и трубчатым светаводами кааксиального световода 4 (например пятидесятипроцентном распределении) и ра вен стве коэффициентов преобразования фо"оприемникав 7 и 9, а также равенстве коэффициентов усиления 8 и 10 с выхода дифференциальной схемы 11 не поступает сигнал на индикатор 12. Если же соотйошение распределения между стержневым и трубчатым световадом иное, то изменением каэ4>фициента усиления усилителя 8, па показаниям индикатора 12, добиваются нулевага зт ачения сигнала на выходе дифференциалтной схем<> 11. Пги изменении внешнега дэвления. действующего на чувствительнь>й элемент 2, коаксиальный световод 4 деформируется и в нам происходит перера:пределение световой энергии между стержневым и трубчатым световадами. Это г>ерераспределение световой энергии сказыла ется на величине тока фотоприемников 7 и 9, Причем, когда мощность светового потока, падающего на фотоприемник 7, умен., label.cII, что связана с большим перераспределением световой энергии из стержневого светавада в трубчатый, и ток фотоприемника 7 уменьшается, ток вырабатываемый фотоприемникам 9 наоборот увеличивае1ся. Балансная схема блока 11 выходит из равновесия и на ее выходе появляется сигнал, фиксируемый индикатором 12, проградиуираванным в единицах давления.

При изменении температуры внешней среды или других 1>ак оров мажет измениться, например эффективность ввода светового излучения ат источника 1 в колксиальный светавод 4, ч1о приводит к уменьшени|о мощности светового потока на выходе коаксиального световода 4.

1783335

Составитель

Техред M.Ìîðãåíòàë

Редактор А.Козлова

Корректор H.Påâñêàÿ

Заказ 4507 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 этом ток фотоприемника 13 уменьшится и устройство 14 регулирования мощности оптического излучения путем увеличения напряжения питания источника излучения обеспечивает стабильность излу- 5 чения на выходе коаксиального световода 4.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство более чувствительно к изменению давления, поскольку оно более полно 10 использует энергию светового излучения, а также использует для выделения полезного сигнала более чувствительную дифференциальную схему. Кроме того, предлагаемое устройство и более надежно чем прототип, 15 поскольку при отказе любого из устройств цепи 7, 8 и 11 или цепи 9, 10, 11 преобразователь давления остается работоспособным. При этом необходимо только выход усилителя исправной цепи соединить на- 20 прямую с индикатором 12.

При этом чувствительность преобразователя понизится, но оста йется не ниже чувствительности прототипа. 25

Таким образом предлагаемое устройство, обладая преимуществами прототипа с позиций помехоустойчивости, кроме того более чувствительно и надежно. 30

Формула изобре ения

Волоконно-оптический датчик давления, содержащий источник излучения, оптически связанный с входом навитого в виде цилиндрической спирали из коаксиальног0 световода чувствительного элемента, выход которого оптически связан с делителем светового потока, первый выход которого оптически связан с входом первого фотоприемника, а второй выход связан с входом второго фотоприемника, причем первый фотоприемник соединен с входом первого усилителя, а второй — входом второго усилителя, подключенного к управляющему входу источника излучения, и индикатор, о т л и.ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности путем полного использования световой энергии в световоде, в него дополнительно введен третий фотоприемник, третий усилитель и дифференциальная схема выделения сигнала, при этом фотоприемник соединен с третьим усилителем и выполнен в виде кольцевой диафрагмы, которал установлена между делителем светового потока и первым фотоприемником соосно с ним, причем выходы первого и третьего усилителей подключены соответственно к первому и второму входам дифференциальной схемы выделения сигнала, выход которой соединен с индикатором.