Волоконно-оптический датчик давления

 

Использование: в волоконной оптике при разработке датчиков давления. Сущность изобретения: устройство содержит источник света 1. блок питания 2, конденсатор 4. чувствительный элемент 6, анализатор 8, фотоприемник 9, предварительный усилитель 10, фильтр нижних частот 11, усилитель-ограничитель 12, счетчик импульсов 13. Чувствительный элемент 6 выполнен в виде цилиндра 14 с намотанным на него одномодовым световодом 15, помещенного во второй цилиндр 16. 3 ил.

. СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (505 G 01(23/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4953150/10 (22) 04.06.91 (46) 15.08.93. Бюл. М 30 (71) Арзамасское опытно-конструкторское бюро (72) А.М. Курбатов (73) Арзамасское опытно-конструкторское бюро "Импульс" (56) Окоси T. и др. Волоконно-оптические датчики. Л., Энергоатомиэдат, 1991, (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ДАВЛЕНИЯ. « Ы„„1835О58 АЗ (57) Использование: в волоконной оптике. при разработке датчиков давления. Сущность изобретения: устройство содержит источник света 1, блок питания 2, конденсатор 4. чувствительный элемент 6, анализатор 8, фотоприемник 9, предварительный усилитель 10, фильтр нижних частот 11, усилитель-ограничитель 12, счетчик импульсов

13. Чувствительный элемент 6 выполнен в виде цилиндра 14 с намотанным на него одномодовым световодом 15, помещенного во второй цилиндр 16. 3 ил.

1835058

Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано при раз- . работке датчиков давления.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика и получение цифрового выхода.

На фиг. 1 показан пример выполнения структурной схемы волоконного датчика давления; на фиг, 2 — конструкция чувствительного элемента; на фиг. 3 — форма сигна- 10 ла на фотоприемнике.

Устройство содержит источник света 1, блок питания 2, место сварки 3, конденсатор 4, место сварки 5, чувствительный элемент 6, место сварки 7, анализатор 8, фотоприемник 9, предварительный усилитель 10, фильтр низких частот 11, усилительограничитель 12, счетчик импульсов 13, Чувствительный элемент выполнен в виде первого цилиндра 14 с намотанным на него 20 одномодовым волоконным световодом 15, помещенного во второй цилиндр 16.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника света 1, напри- 25 мер полупроводникового лазера, у которого с помощью блока питания 2 путем изменения тока накачки изменяется частота излучения, например, по синусоидальному закону, вводится в отрезок световода, кото-. 30 рый сваривается 3 с входом волоконного поляризатора 4. Выход волоконного поляризатора путем сварки 5 соединяется с волоконным световодом чувствительного элемента 6. Световод чувствительного эле- 35 мента обладает небольшим линейным двулучеп реломлением. Поляризатор 4 сваривается со световодом чувствительного элемента так, что его ось пропускания сориентирована под углом 45О к осям двулучеп- 40 реломления световода; Выходной конец, световода чувствительного элемента сваривается 7 с анализатором 8 так, что оси двулучепреломления световода чувствительного элемента 6 направлены 45 под углом 45 к оси пропускания анализатора 8. Состояние поляризации излучения на выходе анализатора 8 можно описать с помощью матриц Джонса. Матрицу Джонса излучения на выходе анализатора можно 50 представить в виде

2

cos—

0 (2) а 0 cos -j sln—

2 2

Ь 0 j sin -cos

2 гдо S — разность фаз двух поляризационных мод, приобретаемая при распространении по световоду чувствительного элемента 6.

Таким образом, интенсивность излучения на фотоприемнике 9 пропорциональна величине: ! ф — P<(1-cos S), 1 (3) где Ро — мощность излучения источника.

Далее сигнал с фотоприемника 9 поступает на предварительный усилитель 10, затем он проходит фильтр низких частот 11, усилитель-ограничитель 12 и далее на счетчик импульсов 13, Предварительный усилитель 10 предназначен для усиления сигнала фотоприемника, Фильтр низких частот 11 предназначен для фильтрации постоянной составляющей сигнала, а также низкочастотных составляющих сигнала, которые определяются периодом изменения длины волны источника излучения. Низкочастотные составляющие сигнала вызваны изменениями выходной мощности источника излучения при изменении его тока накачки.

Усилитель-ограничитель 12 выделяет последовательность импульсов, число которых пропорционально давлению на световод.

Счетчик импульсов 13 осуществляет подсчет количества импульсов на периоде времени, втечение которого изменяется длина волны источника света.

Один из примеров воплощения конст- ( рукции чувствительного элемента датчика 6 показан на фиг. 2. На цилиндр 14 наматывается одномодовый волоконный световод 15 длиной L>. Затем на этот цилиндр с намотанным световодом одевается второй цилиндр

16, Одномодовый световод с целью оптимизации его чувствительности к давлению имеет 0-образную форму поперечного сечения с тем, чтобы световедущая жила находилась как можно ближе к поверхности, которая оказывает на него давление с силой

F. Известно, что в одномодовом световоде возникает линейное двулучепреломление за счет фотоупругого эффекта при его сдавливании. Величина двулучепреломления в световоде может быть выражена следующей формулой

В= - —,— 4Q — - F, (4) где Л вЂ” длина волны излучения источника света;

Cs - оптический коэффициент деформации, Š— модуль Юнга;

Л- расстояние световедущей жилы до поверхности давления;

F — сила, оказывающая давление на свето вод.

1835058

Для плавленного кварца Е=7,6 10

С,=2,02 ° 10 при длине волны излучения б

if=0,85 мкм. Предположим, что расстояние световедущей жилы до поверхности давления равно 10 мкм, тогда в этом случае

В=4610 F (5)

Световод 15, наматываемый на цилиндр

14 может обладать собственным двулучепреломлением за счет внуренних напряжений (световод "PANDA", "bow — tie", световод с эллиптической сжимающей оболочкой), либо за счет зллиптичности световедущей жилы или за счет D-образной формы поперечного сечения (линейное двулучепреломление в таких световодах может достигать величины В=5 10 .

Чувствительный эЛемент изготавливается следующим образом, Например, на кварцевый цилиндр плотно виток к витку наматывается световод длиной Le Затем с помощью алмазного круга поверхность световода сошлифовывается так, чтобы расстояние световедущей жилы до отшлифованной поверхности было

10 мкм. Затем отшлифованная поверхность световода тщательно полируется. После этого на цилиндр с намотанным световодом плотно одевается второй, например, кварцевый.цилиндр с тем, чтобы между отшлифованной поверхностью световода и внутренней поверхностью цилиндра был хороший контакт, При давлении P внутри цилиндра 14, оно передается на световедущую жилу и за счет фотоупругого эффекта в световоде возникает линейное двулучепреломление. В качестве источника излучения 1 может применяться полупроводниковый лазерный диод. Известно, что длина волны полупроводникового лазерного диода в значительной степени зависит от тока накачки и таким образом, если ввести модуляцию тока накачки лазерного диода, например, по синусоидальному закону, то по синусоидальному закону изменяется с амплитудой ЬА и частота лазерного излучения. При изменении длины волны излучения разность фаэ между двумя поляриэационными модами в световоде чувствительного элемента 6 изменяется также по синусоидальному закону, что приводит к биениям интенсивности на выходе анализатора 8, Изменение интенсивности на фотоприемнике можно описать следующим образом: ф — P<>(1+ m sin Nt) х

2 х(1-cos(2 7г

Характер изменения интенсивности нэ фотоприемнике показан нэ фиг, 3. Количесво биений интенсивности иэ периоде синусоидальной модуляции тока накачки

5 лазерного диода зависит от двулучепреломления в световоде чувствительного элемента 6 длины световода и амплитуды изменения длины волны излучения источника света.

10 Предположим, что длина световодэ равна 100 метрам, амплитуда изменения длины волны излучения источника 15 нм, э начальное двулучепреломление в световоде равно

5 10, тогда на полупериоде модуляции тока

15 накачки лазерного диода за счет начального двулучепреломления В=-5 10 количество

-5 максимумов иненсивности составляет

N— - — В 1.> =100.

0,015 2

Г1}

Таким образом, на одном периоде чэс25

2000. Таким образом, чувствительность дэт30 чика с основными технологическими пэрэмет30 рами, указанными выше, составляет 2 биения интенсивности нэ 1 н давления. Чувствительность датчика может быть еще более повышена, если увеличить амплиуду изменения длины волны источника излучения или увеличить длину световода чувствительного элемента.

В общем виде для количества импульсов на периоде изменения длины волны излучения источника света можно записать

40 следующее выражение

N=4,6.10 Le F, (8) 45

55 тоты модуляции тока накачки лазерного диода наблюдается 200 биений интенсивности от нуля до некоторого значения интенсивности, При давлении на световод в 1н количество биений интенсивности возрастает на 2, а при давлении на световедущую жилу B

1000 и количество биений возрастает до

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик давления, содержащий световод, источник излучения, фотоприемник, поляризатор. анализатор и чувствительный элемент, о тличающийся тем,что,сцельюповышения чувствительности датчика и получения цифрового выхода, чувствительный элемент выполнен в виде двух цилиндров, расположенных коаксиально, световод выполнен одномодовым с D-образной формой поперечного сечения и намотан без зазоров между двумя цилиндрами, э источник излучения выполнен в виде излучателя с переменной длиной волны.

183505S

N фиГ 2

Составитель А, Курбатов

Техред М. Моргентал Корректор 8. Петраш

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2713 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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