Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин

 

Изобретение относится к сенсорной электронике в части первичных преобразователей и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, медицине. Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин содержит чувствительный элемент в виде мембраны, штуцеры для подачи внешнего воздействия на чувствительный элемент, приемные и передающие оптические волокна. Чувствительный элемент выполнен из монокристаллического кремния, а на рабочей поверхности чувствительного элемента изготовлены регулярные ячейки в виде углублений размерами, по меньшей мере, на порядок больше длины волны падающего на рабочую поверхность чувствительного элемента излучения и, по меньшей мере, на порядок меньше толщины жесткого центра мембраны. Технический результат: увеличение точности измерений и функциональных возможностей. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области сенсорной электроники в части первичных преобразователей и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, медицине.

Известен волоконно-оптический преобразователь механических величин, являющийся частью волоконно-оптического датчика (журнал "Sensors and Actuators", А, 39 (1993г.), стр.49-54.), содержащий в качестве чувствительного элемента вертикальную кремниевую мембрану, изготовленную методами микромеханики (анизотропным травлением), оптическое волокно в качестве проводящей свет среды, электронную схему обработки сигнала. Минимальный детектируемый сигнал для мембранного чувствительного элемента толщиной 4мкм составляет в этом приборе 1 мкВ, что соответствует давлению 5 Па.

Однако для достижения такого результата необходимо дорогое одномодовое волокно, а также источник когерентного излучения (лазер).

Известен волоконно-оптический преобразователь (как часть волоконно-оптического датчика; журнал "Sensors and Actuators", A, 66 (1998г.), стр. 150-154), являющийся прототипом предлагаемого устройства. Этот преобразователь имеет оптические волокна в качестве проводящей свет среды, в качестве чувствительного элемента - мембрану, изготовленную из золота и покрытую хромом, закрепленную на кремниевом основании, что приводит к дополнительным нелинейным искажениям вследствие разного температурного коэффициента линейного расширения материала чувствительного элемента и основания, на котором этот чувствительный элемент закреплен; исключается возможность изготовления чувствительного элемента и основания в едином технологическом цикле. Прибор имеет ограниченные функциональные возможности, так как может измерять только большие давления (порядка 0.1-0.5 МПа).

При необходимости измерить меньшие перепады давления (то есть повысить чувствительность преобразователя при сохранении хороших метрологических характеристик) необходимо изменять форму чувствительного элемента.

Все вышеописанное приводит к увеличению погрешности измерений, что отрицательно сказывается на точности измерений, ухудшаются функциональные возможности преобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание амплитудного волоконно-оптического преобразователя механических величин, имеющего более широкие функциональные возможности.

Это достигается тем, что в амплитудном волоконно-оптическом преобразователе механических величин, содержащем чувствительный элемент в виде мембраны, штуцеры для подачи внешнего воздействия на чувствительный элемент, приемные и передающие оптические волокна, чувствительный элемент выполнен из монокристаллического кремния, а на рабочей поверхности чувствительного элемента изготовлены регулярные ячейки в виде углублений, размерами по меньшей мере на порядок больше длины волны падающего на рабочую поверхность чувствительного элемента излучения и по меньшей мере на порядок меньше толщины жесткого центра мембраны.

На чертеже приведен предлагаемый преобразователь механических величин.

Преобразователь содержит металлический (ковравый) корпус (1), металлическую (ковравую) крышку (2) с верхним штуцером (3), нижний штуцер (4), квадратное кремниевое основание (5) для чувствительного элемента (6), выполненного в виде кремниевой профилированной мембраны с жестким центром. Основание (5) закреплено на корпусе (1). На чувствительном элементе (6) выполнены ячейки (7) в виде углублений, размер которых должен быть, как минимум, на порядок меньше толщины жесткого центра чувствительного элемента (6) и, по меньшей мере, на порядок больше длины волны падающего на рабочую поверхность чувствительного элемента излучения. Чувствительный элемент (6) закреплен на основании (5) таким образом, что внешнее воздействие возможно на обе его стороны посредством штуцеров (3) и (4). В кремниевом основании (5) в специальном отверстии размещаются приемные и передающие оптические волокна (8).

Преобразователь работает следующим образом. Для обеспечения работоспособности размеры ячеек (7), выполненных на чувствительном элементе (6), должны быть как минимум на порядок меньше толщины жесткого центра чувствительного элемента (6), чтобы исключить влияние ячеек (7) на механические свойства чувствительного элемента (6) и как минимум на порядок больше длины волны излучения, чтобы отражение от чувствительного элемента (6) подчинялось законам геометрической оптики.

Измеряемая величина с некоторой интенсивностью q воздействует на чувствительный элемент (6). На чувствительный элемент (6) падает излучение из торцов оптических волокон (8), отражается от чувствительного элемента (6) и частично попадает обратно на торцы оптических волокон (8). Интенсивность отраженного излучения, попадающего обратно в оптические волокна (8), составляет некоторую долю от интенсивности излучения, падающего на чувствительный элемент (6), и зависит от коэффициента отражения рабочей поверхности чувствительного элемента (6) и от расстояния между торцами оптических волокон (8) и жестким центром чувствительного элемента (6).

Измеряемая величина деформирует чувствительный элемент (6), вследствие чего изменяется интенсивность излучения, попадающего в оптические волокна (8), то есть происходит амплитудная модуляция падающего излучения.

Вследствие того, что отражение падающего излучения происходит от нескольких непараллельных плоскостей, интенсивность излучения, попадающего в оптические волокна (8), будет изменяться сильнее, чем при отражении от одной плоскости при одинаковом смещении чувствительного элемента (6) от положения равновесия. В результате чувствительность преобразователя увеличивается по сравнению с прототипом, что позволяет измерять более малые давления, что приводит к расширению функциональных возможностей преобразователя.

Формула изобретения

Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин, содержащий чувствительный элемент в виде мембраны, приемные и передающие оптические волокна, отличающийся тем, что он снабжен штуцерами для подачи внешнего воздействия на чувствительный элемент, чувствительный элемент выполнен из монокристаллического кремния, а на рабочей поверхности чувствительного элемента изготовлены регулярные ячейки в виде углублений размерами, по меньшей мере, на порядок больше длины волны падающего на рабочую поверхность чувствительного элемента излучения и, по меньшей мере, на порядок меньше толщины жесткого центра мембраны.

РИСУНКИ

Рисунок 1