Волоконно-оптический датчик давления

(51)5 6 10 ТЕНИ САНИЕ роще- ратуреский ен на но-оперное бе жи- зуется аты- ваность ярна К аютс .1 ил итель- мереОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРМ 878534, кл. 0 01 1 11/00, 1970.Волоконная оптика и приборострое- Л.: Машиностроение, 1987, с, 110-124(57) Изобретение относится к измерной технике и предназначено для из Изобретение 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,Схе го инте одномо модиф метра точник систем ты, мик фаз, Д вы полн текает волны на от в ма типичного волоконно-оптическорферометрического датчика на двух довых волокнах представляет собой икацию классического интерфероМаха-Цендера и включает в себя исизлучения (лазер), коллимирующие ы (линзы), светоделительные элеменрообъективы, и измеритель разности ля работы по такой схеме требуется ение условия квадратур, откуда вынеобходимость стабилизации фазы в опорном волокне(изоляции волокоздействия внешних факторов). В лаЯО 1739228 А 1 ния давлений, Цель изобретения - уп ние конструкции и уменьшение темпе ной погрешности, Интерферометрич волоконно-оптический датчик выполн двужильном волокне с двумя волокон тическими каналами, Когерентное лаз излучение вводится. одновременно в о лы волокна, на выходе которого обра интерференционное поле. Волокно на вается на полый эластичный изолир ный цилиндр так, чтобы плос расположения жил была перпендику его оси. При подаче давления в ци интерференционные полосы смещ пропорционально величине давления бораторных условиях стабилизация фазы опорного плеча достигается термостатированием этого элемента, что лишает волоконно-оптические интерферометрические датчики одного из его основных преимуществ - компактности, Используются также другие методы стабилизации рабочей точки интерферометра, не приводящие к компактности. Наличие коллимирующих и свето- разделительных элементов усложняет работу такого интерферометрического датчика (необходимость учета уровня обратного отражения в резонатор лазера от различных оптических элементов схемы) и 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 массы5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 расстоянииот выходного торца, наблюдаются интерференционные полосы, ширина которых определяется выражением х=А б , где б - 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 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 Р определяется выражениемЛг - (1 - 2)+(1+д) )г 1где г 1, г 2 - внешний и внутренний радиусы цилиндра, Е, и - коэффициенты Юнга и Пуассона материала цилиндра, Полезный сигнал датчика, пропорциональный давлению, извлекается из анализа наблюдаемой интерференционной картины, в частности из измерения смещения интерференционных 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 =2 лх/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 - 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.П р и м е р, 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 б 28 мкм, Жилы волокна являлись одномодовыми для излучения Не-Ке лазера на длине волны 1 = 6328 А . Участок волокна длиной80 см наматывался на полый цилиндр радиуса г 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/1 Л г = 6 рад м мкм " Измерение чувствительности проводилось1739228 ного волокна, что также упрощает конструкцию и уменьшает массу датчика,Составитель А.ГалстянТехред 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 обьединительные 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 изобретения5 Волоконно-оптический датчик давления, содержащий чувствительный элемент,источник когерентного излучения, два волоконно-оптических канала передачи излучения и измеритель разности фаз оптических10 волн, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюупрощения и снижения температурной погрешности, в нем два волоконно-оптическихканала передачи информации выполнены ввиде двужильного оптического волокна, а15 чувствительный элемент выполнен в видецилиндра, при этом двужильное оптическоеволокно намотано на чувствительный элемент с плоскостью расположения жил перпендикулярно к оси цилиндра,