Волоконно-оптический датчик давления

СООЗ СОВЕТГ КИХСОЦИАЛИСТИ ВСКИХРЕСПУБЛИК(57) Изобретение относится к иению и может быть использовастатических датчиках давле Ж 1783335 А 1 изобретения - повышение чувствительности преобразователя давления. Для этого преобразователь содержит источник оптического излучения; соединенный с чувствительным элементомв 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 индикатором, Для стабилизации мощности оптического излучения источника устройство содержит цепь отрицательной обратной связи, содержащую фотоприемник и устройство регулирования мощности оптического излученля, 2 ил.5 10 20 25 30 35 40 45 50 сигнала Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения давления, преимущественно вжидких средах.Датчики давления с использованиемоптического световолокна известны,Известен волоконно-оптический датчикдавления, в котором использован одномодовый волоконный световод с сошлифованной на изгибе световода оболочкой. Местошлифовки механически посредством жесткого выступа связано с мембраной, воспринимающей давление 1),Для повышения чувствительности этотехническое решение было развито а именно между сошлифованной частью волоконного световода и поверхностью выступамембраны была размещена жидкость 21.Прй неизменности внешнего давленияволоконный и жидкостный волноводы нахо. дятся в так называемом состоянии фазовогосинхронизма (равенство постоянных распространения моды волоконного световодаи одной из мод жидкостного волновода),При изменении давления а результатенарушения фазового синхронзма в области связи волоконногои жидкостного световодов между ними возникаетперераспределение световой мощности ина выходе волоконного световода наблюдается уменьшение мощностиоптического излуения,которое и несет информацию обизменении давления.Указанный да 1 чик имеет недостаток,связанный с наличием мембраны и элементов ее крепления,приводящих к ухудшениючастотной характеристики датчика по при. чине механических резонансов системы.Поэтому при конструировании датчиковдавленияс испол зованием волоконногосветовода стараются избекать примененияконструкции с мембраной, а чувствительность датчика стремятся повысить увеличением длины волоконного световода,сворачивая его в катушку, обеспечивая темсамым большую область взаимодействия свнешней средой,Наиболее близким по технической сущности к заявляемо у устройству являетсяволоконно-оптйче"кий преобразовательдавления, который содержит источник излучения, оптичеСки связанный со входом навитого в виде цилиндрической спирали изкоаксиального световода чувствительногоэлемента. Выходной торец сьетовоца чувствительного элемента оптически согласованс двухканальньм делителем с ветового потока. Таким образом; с выхода увствительного элемента одна гсть общего световогопотока 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 31,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. Ь 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 1 отока стержневого световода, пропорционального изменению давления, воспринимаелого 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 изгибах стекловолокна, свернутого в катушку. Кроме того, в силу различных естественных факторов, например, изменения температуры внешней среды изменяется эффективность ввода световой энергии от источника излучения в коаксиальный световод, Потери излучения вызванные указанными факторами (вьсвечивание на изгибах и изменение эффективности ввода оптического 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-оптическогопреобоазователя да.дания является невысакэя его чувствительность из-за нерационального использования светового потока,распространяющегося по коаксиальному световоду, Если для стабилизации мощности оптическогоизлучения используется световой поток, распростра;яющийся как по стержневому так и по трубчатому свето5 10 15 20 30 35 40 50 воду, что обеспечивает эффективную компенсацию потерь излучения, то дляиндикации давления используется световой поток только лишь стержневого световода, 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 лишьмалочувствительной 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 ис 1 эчникэ 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 ввиде кольцевой диафрагмы. которал установлена мекду делителем светового потока и первым фотоприемником сааснс с ним, причем выходы первого и третьего усилителей подключены соотвстствснно 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 светов( й поток трубчатого световода для съ ма дополнительной информации об изб ерении давления внешней среды, при прежнем использовании излучения стержневого световода, т,е, сохранении у третьего ф топриемника свойств оптической диафоагмы, Коаксиэль. ное совмещениев одной плоскости первого и третьего фотоприемников при их электрической изолированности упрощает настройку оптической системы предлагаемого устройства.Использование светового потока трубчатого световодэ для выделения дополнительной информации об изменении давления существенно повышает чувствительность волоконно-оптического греобразовэтеля за счет индикации дополнительной световой энергии, а тот факт, что при перераспределении энергии светового излучения между стеркневым и трубчатым световодами световая энергия в стержневом световоде уменьшается, в то время как в трубчатом увеличивается и наоборот(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 такай коаксиальный световод, что световая энергия в нем распределена поровну между стержнем и трубчатым световадами. Этим обеспечивается максимальная чувствитес ьность дифференциал,- най схемы выделения синала и наибольшей динамический диапазон измерений,Если же перераспределение световой энергии в коаксиальногл 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 возмокнамаксимальная 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,Нэ 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 ке свойства, т,е, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия,На фиг.1 схема гически представлен:-аявляемый волоконно-оптический датчлк5 10 15 30 35 40 45 50 давления; на фиг,2 - а увеличенном масштабе изображено коаксиальное 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 световода 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 подключенного к третьему усилителю 10. Выходы усилителей 8 и 10 подключены ко входам дифференциальной схемы 11 выделения сигнала, выход которой соединен со входом индикатора 12, проградуированного в единицах давления. Второй канал содержит второй фотоприемник 13, выходом подключенный ко входу второго усилителя 14, выход которого псдключен к управляемому по питанию источнику 1 оптического излучения. Фотоприемник 13 и усилитель 14 входят в цепь отрицательной обратной связи по мощности излучения. Поперечное сечение 15(изображенное а увеличенном масштабе) саетовода 4 имеет коаксиальную структуру, При этом показатели преломления п 1п 2лзи среды, т,е, хотя значения показателей преломления соответственно стержневого светое ода, 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 иного световода 4, служит для оптического согласования расходящегося после нее коаксиального пучка . оптического излучения, исходящего из коаксиального световода 4, с аперт,трами первого фотоприемника 7 Й третьего фотоприемника 9. Согласоа; ние апертур фотоприемников 7 и 9 с коничским оптическим излучающим пучком достигается также выбором саста тствующирасстояний до них от линзы 5. Для удобства согласования апертур и комгактности фотоприемник 7 и фотоприемник ) коаксиально совмещены 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 по 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 коэффициентом усиления К Маг)Волоконно-оптиче:кий преобраэователь давления работает следующим образом.При неизменном начальном давлении действующем на чувствительный элемент 2 и определенном соотношении распределения светового излучения между стержневым и трубчатым светоаодами коаксиального световода 4 (например пятидесятипроцентном распределении) и ра вен стае коэффициентов преобразования Фо"оприемникоа 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 саетоводом иное, то изменением коэффициента усиления усилителя 8, па показаниям индикатора 12, добиваются нулевого зт ачения сигнала на выходе дифференциалтной схеме 11. Пги изменении внешнего давления, действующего на чувствительный элемент 2, коаксиальный световод 4 деформируется и а нам происходит перера:пределение световой энергии между стержневым и трубчатым светоаодами. Это и,рераспределение световой энергии сказывается на величине тока фотоприемников 7 и 9, Причем, когда мощность светового потока, падающего на фото- приемник 7, уменьшается, что связано с большим перераспределением световой энергии из стержневого саетоаода в трубчатый, и ток фотоприемника 7 уменьшается, ток вырабатываемый фотоприемником 9 наоборот увеличиваегся, Балансная схема блока 11 выходит из равновесия и на ее выходе появляется сигнал, фиксируемыйиндикатором 12, проградиуироаанным вединицах давления.При изменении температуры внешней среды или других фак оров может измениться, например эффективность ввода светового излучения от источника 1 в кодксиальный саетоаод С, цо приводит к уменьшению мощности светового потока на выходе коаксиального световода 4,1783335 10 СоставительТехред М.Моргентал Редактор А.Козлова Корректор Н.Ревская Заказ 4507 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, 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 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 прямую с индикатором 12. При этом чувствительность преобразователя понизится, но остайется не ниже чувствительности прототипа. 25 Таким образом предлагаемое устройство, обладая преимуществами прототипа с позиций помехоустойчивости, кроме того более чувствительно и надежно, ЗО Формула изобре ения Волоконно-оптический датчик давления, содержащий источник излучения, оптически связанный с входом навитого в виде цилиндрической спирали из коаксиального 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 щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности путем полного использования световой энергии в световоде, в него дополнительно введен третий фото- приемник, 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,