RU202419U1

RU202419U1 - SENSING ELEMENT OF PRESSURE SENSOR

Info

Publication number: RU202419U1
Application number: RU2020118390U
Authority: RU
Inventors: Алексей Гурьевич Андреев; Александр Михайлович Минкин; Константин Михайлович Фадеев; Дмитрий Денисович Ларионов
Original assignee: Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК")
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-02-17

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области измерения волоконно-оптическими датчиками быстро меняющегося давления жидкостей и газов, преимущественно в труднодоступных местах и при повышенных температурах, при измерении давления воздуха, топлива, масла в агрегатах газотурбинного двигателя или в нефтяных и газовых скважинах. Чувствительный элемент датчика давления, содержащий интерферометр Фабри-Перо, состоящий из мембраны из кварцевого стекла, отражающего покрытия на деформируемой части мембраны, волоконного световода, с образованием зазора между покрытием на деформируемой части мембраны и поверхностью торца волоконного световода, закрепленного в канале ферулы, при этом зазор изолирован от внешней среды, а датчик давления выполнен с корпусом. Мембрана и волоконный световод прикреплены к феруле с помощью химического сравнивания, а диаметр деформируемой части мембраны больше диаметра светопроводящей сердцевины волоконного световода в 40…60 раз, и толщина деформируемой части мембраны меньше диаметра ее деформируемой части в 10…15 раз, но не менее 40 мкм. В сердцевину волоконного световода в области ферулы введена брэгговская дифракционная решетка. На деформируемой части мембраны нанесено отражающее покрытие из материала, например, металла или диэлектрика. Корпус является составным термостойким, например, металлическим, керамическим или композитным. Защитное покрытие волоконного световода выполнено из термостойкого материала, например, из металла или полимера. Волоконный световод расположен в кабеле из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера. Полезная модель позволяет получить чувствительный элемент датчика давления, обладающего простой конструкцией, высокой чувствительностью и достаточной точностью в заданном диапазоне давлений и температур. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to measuring equipment, in particular, to the field of measuring the rapidly changing pressure of liquids and gases with fiber-optic sensors, mainly in hard-to-reach places and at elevated temperatures, when measuring the pressure of air, fuel, oil in gas turbine engine units or in oil and gas wells. The sensing element of the pressure sensor containing the Fabry-Perot interferometer, consisting of a quartz glass membrane, a reflective coating on the deformable part of the membrane, a fiber light guide, with the formation of a gap between the coating on the deformable part of the membrane and the surface of the end of the fiber light guide fixed in the ferula channel, while the gap is isolated from the external environment, and the pressure sensor is made with the housing. The membrane and optical fiber are attached to the ferrule by chemical comparison, and the diameter of the deformable part of the membrane is 40 ... 60 times larger than the diameter of the light-guiding core of the fiber, and the thickness of the deformable part of the membrane is 10 ... 15 times less than the diameter of its deformable part, but not less than 40 μm ... A Bragg diffraction grating is introduced into the core of the fiber in the region of the ferula. The deformable portion of the membrane has a reflective coating made of a material such as a metal or dielectric. The housing is a composite, heat-resistant, such as metal, ceramic, or composite. The protective coating of the optical fiber is made of a heat-resistant material such as metal or polymer. The optical fiber is located in a cable made of a heat-resistant material, mainly metal or polymer. The utility model makes it possible to obtain a sensitive element of a pressure sensor with a simple design, high sensitivity and sufficient accuracy in a given range of pressures and temperatures. 5 p.p. f-ly, 2 dwg.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области измерения волоконно-оптическими датчиками быстро меняющегося давления жидкостей и газов, преимущественно в труднодоступных местах и при повышенных температурах, в частности, при измерении давления воздуха, топлива, масла в агрегатах газотурбинного двигателя или в нефтяных и газовых скважинах.The utility model relates to measuring technology, in particular, to the field of measuring the rapidly changing pressure of liquids and gases with fiber-optic sensors, mainly in hard-to-reach places and at elevated temperatures, in particular, when measuring the pressure of air, fuel, oil in gas turbine engine units or in oil and gas wells.

Известен волоконно-оптический датчик (Заявка KR №20010023073А, МПК G06Q 50/00, публ. 16.11.2002), в котором интерферометр Фабри-Перо образован зазором между деформируемым элементом в виде тонкой пластины (мембраны) из монокристаллического кремния, которая крепится к торцу ферулы (капилляра) из кварцевого или боросиликатного стекла методом анодной сварки, и торцом одного оптического волокна из кварцевого стекла, закрепленного внутри ферулы. К преимуществам такого датчика можно отнести простоту оптической схемы детектирования положения элемента, деформирующегося под воздействием внешнего давления, и простоту конструкции. Недостатком является применение деталей из разных по физическим свойствам материалов, что приводит к повышенной температурной погрешности, при этом не предусмотрен элемент, компенсирующий эту погрешность.Known fiber optic sensor (Application KR No. 20010023073A, IPC G06Q 50/00, publ. 11/16/2002), in which the Fabry-Perot interferometer is formed by a gap between a deformable element in the form of a thin plate (membrane) of monocrystalline silicon, which is attached to the end ferula (capillary) made of quartz or borosilicate glass by anodic welding, and the end of one optical fiber made of quartz glass, fixed inside the ferula. The advantages of such a sensor include the simplicity of the optical circuit for detecting the position of the element deforming under the influence of external pressure, and the simplicity of its design. The disadvantage is the use of parts from materials of different physical properties, which leads to an increased temperature error, while no element is provided to compensate for this error.

Известен волоконно-оптический датчик (Патент US№4589286, МПК G01L 7/08, G01L 9/00, публ. 20.05.1986), в котором два интерферометра образованы тонкой деформируемой мембраной из кварцевого стекла, которая с зазором закреплена к базовому элементу из кварцевого стекла методом молекулярной сварки их полированных поверхностей, и двумя парами оптических волокон, расположенных в каналах базового элемента, при этом оптическое излучение в прямом и обратном направлений проходит через линзы, закрепленные в базовом элементе. Преимуществом является использование кварцевого стекла в качестве материала основных элементов и способ их соединения, что позволяет снизить температурное влияние на работу датчика и использовать его при повышенных температурах. К недостаткам можно отнести использование предложенной оптической схемы детектирования положения деформируемой мембраны и конструкции, требующие точное изготовление компонентов и их сборки, что делает сложным процесс производства датчика.Known fiber optic sensor (Patent US No. 4589286, IPC G01L 7/08, G01L 9/00, publ. 05/20/1986), in which two interferometers are formed by a thin deformable quartz glass membrane, which is fixed with a gap to the base element of quartz glasses by the method of molecular welding of their polished surfaces, and two pairs of optical fibers located in the channels of the base element, while the optical radiation in the forward and backward directions passes through the lenses fixed in the base element. The advantage is the use of quartz glass as the material of the main elements and the method of their connection, which makes it possible to reduce the temperature effect on the operation of the sensor and to use it at elevated temperatures. The disadvantages include the use of the proposed optical scheme for detecting the position of a deformable membrane and structures that require precise manufacturing of components and their assembly, which makes the sensor manufacturing process difficult.

Известны волоконно-оптические датчики (Патент US№7423762, МПК G01B 11/02, G01B 9/02, публ. 09.09.2008 и Патент RU№146605, МПК E21B 47/06, G01L 11/02, публ. 20.10.2014), основанные на Интерферометре Фабри-Перо в виде вплавленных внутри деформируемой стеклянной трубки подводящего оптического волокна и отрезка оптического волокна, смежные торцы которых расположены с зазором относительно друг друга и образуют зеркала интерферометра, причем для компенсации температурной погрешности в подводящее оптическое волокно может быть введена внутриволоконная брэгговская дифракционная решетка (Патент RU№146605). Преимуществом является простота оптической схемы и способ компенсации температурной погрешности. Недостатком является низкая чувствительность (отношение величины изменения зазора между зеркалами к величине измеряемого давления), поскольку изменение зазора между зеркалами происходит вследствие всестороннего сжатия капилляра, который характеризуется высоким значением модуля Юнга.Known fiber optic sensors (Patent US No. 7423762, IPC G01B 11/02, G01B 9/02, publ. 09.09.2008 and Patent RU No. 146605, IPC E21B 47/06, G01L 11/02, publ. 20.10.2014) , based on the Fabry-Perot interferometer in the form of a supply optical fiber and a piece of optical fiber fused inside a deformable glass tube, the adjacent ends of which are located with a gap relative to each other and form interferometer mirrors; moreover, to compensate for the temperature error, an intra-fiber Bragg diffraction grating (Patent RU # 146605). The advantage is the simplicity of the optical scheme and the way of compensating for the temperature error. The disadvantage is low sensitivity (the ratio of the change in the gap between the mirrors to the value of the measured pressure), since the change in the gap between the mirrors occurs due to the all-round compression of the capillary, which is characterized by a high value of Young's modulus.

Известны волоконно-оптические датчики на Фабри-Перо с мембраной, имеющей диаметр соразмерный с диаметром волокна, на торце которого она закреплена методом сварки, образуя с торцом волокна зеркала интерферометра (Патентные документы US№4678904, МПК G01B 11/02, G01B 9/02, публ. 09.09.2008; US20050062979, МПК: G01B 9/02, G01H 9/00, публ. 24.03.2005; US20080159687A1, B29D 11/00, G02B 6/00, публ. 03.07.2008; US9528893, МПК: В32В 37/02, В32В 37/06, 27.12.2016). Для компенсации температурной погрешности в оптическое волокно может быть введена внутриволоконная брэгговская дифракционная решетка (Патент US№876467 В, МПК: А61В 6/00, С03С 25/68, G01B 9/02, публ. 01.07.2014). Преимуществом является простота оптической схемы, компактность конструкции и способ компенсации температурной погрешности. Недостатком является слабая чувствительность и узкий диапазон измерения в области невысоких давлений, поскольку чувствительность к давлению пропорциональна четвертой степени диаметра мембраны и обратно пропорциональна кубу толщины мембраны, и для достижения приемлемой чувствительности толщина мембраны с диаметром 60-125 мкм (диаметр волокна) должна быть равна 1-2 мкм, что является не только сложной технической задачей из-за неравномерности исходной толщины заготовок, но и является ограничением для измерения высоких давлений.Known fiber-optic sensors on Fabry-Perot with a membrane having a diameter commensurate with the diameter of the fiber, at the end of which it is fixed by welding, forming interferometer mirrors with the end of the fiber (Patent documents US No. 4678904, IPC G01B 11/02, G01B 9/02 , publ. 09.09.2008; US20050062979, IPC: G01B 9/02, G01H 9/00, publ. 03.24.2005; US20080159687A1, B29D 11/00, G02B 6/00, publ. 03.07.2008; US9528893, IPC: B32B 37/02, В32В 37/06, 27.12.2016). To compensate for the temperature error, an intra-fiber Bragg diffraction grating can be introduced into the optical fiber (Patent US No. 876467 B, IPC: А61В 6/00, С03С 25/68, G01B 9/02, publ. 01.07.2014). The advantage is the simplicity of the optical scheme, compact design and the way to compensate for the temperature error. The disadvantage is weak sensitivity and a narrow measurement range in the region of low pressures, since the pressure sensitivity is proportional to the fourth power of the membrane diameter and inversely proportional to the cube of the membrane thickness, and in order to achieve acceptable sensitivity, the membrane thickness with a diameter of 60-125 μm (fiber diameter) should be equal to 1 -2 microns, which is not only a difficult technical problem due to the unevenness of the initial thickness of the workpieces, but also is a limitation for measuring high pressures.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемой полезной модели является чувствительный элемент датчика давления, опубликованный в статье «Волоконно-оптический датчик высокого давления на основе интерферометра Фабри-Перо» Фадеев К.М. и др. ВКВО-2019. Спецвыпуск «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019». Октябрь 2019. Чувствительный элемент датчика давления характеризуется тем, что содержит интерферометр Фабри-Перо, состоящий из мембраны из кварцевого стекла, отражающего покрытия на деформируемой части мембраны, волоконного световода, с образованием зазора между покрытием на деформируемой части мембраны и поверхностью торца волоконного световода, закрепленного в канале ферулы, при этом зазор изолирован от внешней среды, а датчик давления выполнен с корпусом, мембрана и волоконный световод прикреплены к феруле с помощью химического сращивания, а диаметр деформируемой части мембраны больше диаметра светопроводящей сердцевины волоконного световода в 40…60 раз, и толщина деформируемой части мембраны меньше диаметра ее деформируемой части в 10…15 раз, но не менее 40 мкм, в сердцевину волоконного световода в области ферулы введена брэгговская дифракционная решетка, на деформируемой части мембраны нанесено отражающее покрытие из материала, например, металла или диэлектрика.The closest technical solution (prototype) to the claimed utility model is the sensitive element of the pressure sensor, published in the article "Fiber-optic high pressure sensor based on the Fabry-Perot interferometer" Fadeev K.M. etc. VKVO-2019. Special issue "PHOTON-EXPRESS-SCIENCE 2019". October 2019. The sensing element of the pressure sensor is characterized by the fact that it contains a Fabry-Perot interferometer, consisting of a silica glass membrane, a reflective coating on the deformable part of the membrane, a fiber light guide, with the formation of a gap between the coating on the deformable part of the membrane and the surface of the end of the fiber light guide, fixed in the ferula channel, while the gap is isolated from the external environment, and the pressure sensor is made with a housing, the membrane and the fiber optic fiber are attached to the ferrule using chemical splicing, and the diameter of the deformable part of the membrane is 40 ... 60 times greater than the diameter of the light guide core of the fiber light guide, and the thickness The deformable part of the membrane is 10 ... 15 times less than the diameter of its deformable part, but not less than 40 microns, a Bragg diffraction grating is introduced into the fiber core in the region of the ferrule, a reflective coating made of a material, for example, metal or dielectric, is applied on the deformable part of the membrane.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается только при осуществлении предлагаемого технического решения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является температурная погрешность из-за температурного расширения деталей датчика. Датчик рассчитан на диапазон температур от минус 60°С до +200°С при этом, несмотря на очень низкий температурный коэффициент расширения кварцевого стекла, из которого выполнены все детали чувствительного элемента датчика давления, все равно в таком широком диапазоне температур будет происходить перемещение упругой части мембраны именно из-за теплового расширения и без встроенного датчика температуры в датчик давления невозможно компенсировать эту температурную погрешность датчика давления. Типичная температурная погрешность датчика давления из кварцевого стекла составляет около 0,5 нм/°С или около 0,011 бар/°С, т.е. около 3 бар для указанного температурного диапазона. Введение в датчик давления независимого также оптического датчика температуры, и сигнал которого обрабатывается тем же самым устройством опроса, позволяет практически исключить эту погрешность.A technical problem, the solution of which is provided only when the proposed technical solution is implemented and cannot be realized when using the prototype, is the temperature error due to the thermal expansion of the sensor parts. The sensor is designed for a temperature range from minus 60 ° C to + 200 ° C, while, despite the very low temperature coefficient of expansion of quartz glass, from which all the parts of the sensitive element of the pressure sensor are made, the elastic part will still move in such a wide temperature range diaphragms precisely because of thermal expansion and without an integrated temperature sensor in the pressure sensor, it is impossible to compensate for this temperature error of the pressure sensor. The typical temperature error of a quartz glass pressure sensor is about 0.5 nm / ° C or about 0.011 bar / ° C, i.e. approx. 3 bar for the specified temperature range. The introduction of an independent optical temperature sensor into the pressure sensor, and the signal of which is processed by the same interrogator, makes it possible to practically eliminate this error.

Техническая задача, на решение которой направлено техническое решение, заключается в созданий чувствительного элемента волоконно-оптического датчика давления с высокой чувствительностью и достаточной точностью в заданном диапазоне давлений и температур.The technical problem to be solved by the technical solution consists in creating a sensitive element of a fiber-optic pressure sensor with high sensitivity and sufficient accuracy in a given range of pressures and temperatures.

Техническая проблема решается тем, что в чувствительном элементе датчика давления, содержащем интерферометр Фабри-Перо, состоящем из мембраны из кварцевого стекла, отражающего покрытия на деформируемой части мембраны, волоконного световода, с образованием зазора между покрытием на деформируемой части мембраны и поверхностью торца волоконного световода, закрепленного в канале ферулы, при этом зазор изолирован от внешней среды, а датчик давления выполнен с корпусом, согласно полезной модели, мембрана и волоконный световод прикреплены к феруле с помощью химического сращивания, а диаметр деформируемой части мембраны больше диаметра светопроводящей сердцевины волоконного световода в 40…60 раз, и толщина деформируемой части мембраны меньше диаметра ее деформируемой части в 10…15 раз, но не менее 40 мкм, в сердцевину волоконного световода в области ферулы введена брэгговская дифракционная решетка, на деформируемой части мембраны нанесено отражающее покрытие из материала, например, металла или диэлектрика, согласно полезной модели, корпус является составным термостойким, например, металлическим, керамическим или композитным, волоконный световод содержит защитное покрытие, выполненное из термостойкого материала, например, из металла или полимера, и при этом расположен в кабеле из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера.The technical problem is solved by the fact that in the sensitive element of the pressure sensor containing the Fabry-Perot interferometer, consisting of a silica glass membrane, a reflective coating on the deformable part of the membrane, a fiber optic guide, with the formation of a gap between the coating on the deformable part of the membrane and the surface of the end of the fiber light guide, fixed in the channel of the ferrule, while the gap is isolated from the external environment, and the pressure sensor is made with a housing, according to the utility model, the membrane and the fiber optic guide are attached to the ferrule using chemical splicing, and the diameter of the deformable part of the membrane is greater than the diameter of the light guide core of the fiber light guide by 40 ... 60 times, and the thickness of the deformable part of the membrane is 10 ... 15 times less than the diameter of its deformable part, but not less than 40 microns, a Bragg diffraction grating is introduced into the core of the fiber in the region of the ferula, a reflective coating made of a material, for example, metal, is applied to the deformable part of the membrane or dielectric, according to the utility model, the housing is a composite heat-resistant material, for example, metal, ceramic or composite, the fiber light guide contains a protective coating made of a heat-resistant material, for example, metal or polymer, and is located in a cable made of a heat-resistant material, mainly metal or polymer.

В отличие от прототипа, корпус является составным термостойким, например, металлическим, керамическим или композитным, волоконный световод содержит защитное покрытие, выполненное из термостойкого материала, например, из металла или полимера, и при этом расположен в кабеле из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера.Unlike the prototype, the housing is a composite heat-resistant material, for example, metal, ceramic or composite, the optical fiber contains a protective coating made of a heat-resistant material, for example, metal or polymer, and is located in a cable made of a heat-resistant material, mainly metal or polymer.

На фиг. 1 представлен продольный разрез датчика давления.FIG. 1 shows a longitudinal section of a pressure sensor.

На фиг. 2 представлен увеличенный продольный разрез чувствительного элемента датчика давления.FIG. 2 is an enlarged longitudinal section of the pressure sensor.

Чувствительный элемент датчика давления содержит интерферометр Фабри-Перо, который содержит защитное покрытие волоконного световода, выполненное из термостойкого материала, например, из металла или полимера, состоящий из мембраны 1 из кварцевого стекла, отражающего покрытия 2 на деформируемой части 12 мембраны 1, волоконного световода 3, с образованием зазора 13 между отражающим покрытием 2 на деформируемой части 12 мембраны 1 и поверхностью торца 11 волоконного световода 3, закрепленного в канале (без позиции) ферулы 5, при этом зазор 13 изолирован от внешней среды. Датчик давления (без позиций) выполнен с составным корпусом 7, 9, 10.The sensitive element of the pressure sensor contains a Fabry-Perot interferometer, which contains a protective coating of the fiber light guide, made of a heat-resistant material, for example, of metal or polymer, consisting of a quartz glass membrane 1, a reflective coating 2 on the deformable part 12 of the membrane 1, a fiber light guide 3 , with the formation of a gap 13 between the reflective coating 2 on the deformable part 12 of the membrane 1 and the surface of the end face 11 of the fiber light guide 3 fixed in the channel (without position) of the ferrule 5, while the gap 13 is isolated from the external environment. The pressure sensor (without positions) is made with a composite body 7, 9, 10.

Мембрана и волоконный световод 3 закреплены к феруле 5 с помощью химического сращивания 6, при этом не образуются остаточные внутренние напряжения в кварцевом стекле (без позиции) и не происходит деформация этих деталей, как это происходит при лазерной сварке или электродуговой сварке, или при сплавлении в водородной горелке как в прототипе.The membrane and optical fiber 3 are fixed to the ferrule 5 using chemical splicing 6, while no residual internal stresses are formed in the quartz glass (out of position) and there is no deformation of these parts, as is the case with laser welding or electric arc welding, or when fusing in hydrogen burner as in the prototype.

Диаметр Б деформируемой части 12 мембраны 1 больше диаметра Г светопроводящей сердцевины (без позиций) волоконного световода 3 в 40…60 раз, и толщина В деформируемой части 12 мембраны 1 меньше диаметра ее деформируемой части Б в 10…15 раз, но не менее 40 мкм. Эти соотношения выбраны и основаны на экспериментальных данных, и соответствуют датчику на базе деталей из кварцевого стекла, например, типа КУ-1 и с чувствительностью около 0,2 бар и рассчитанному на диапазон Давлений до 400 бар. При этом можно изменить эти соотношения между толщиной и диаметром деформируемой части мембраны (сохраняя при этом диапазон изменения зазора между мембраной и торцом волоконного световода) для получения датчика, рассчитанного на более высокие или, наоборот, более низкие значения максимального давления среды (или для получения более высокой или низкой чувствительности датчика). Толщина В деформируемой части 12 мембраны 1 не менее 40 мкм. Толщина менее 40 мкм не обеспечит необходимой прочности кварцевого стекла мембраны 1 для рабочего диапазона давлений до 200-300 бар.The diameter B of the deformable part 12 of the membrane 1 is greater than the diameter D of the light guide core (without positions) of the optical fiber 3 by 40 ... 60 times, and the thickness B of the deformable part 12 of the membrane 1 is less than the diameter of its deformable part B by 10 ... 15 times, but not less than 40 μm ... These ratios are selected and based on experimental data, and correspond to a sensor based on quartz glass parts, for example, type KU-1 and with a sensitivity of about 0.2 bar and designed for a pressure range of up to 400 bar. In this case, it is possible to change these ratios between the thickness and diameter of the deformable part of the membrane (while maintaining the range of variation of the gap between the membrane and the fiber end face) to obtain a sensor designed for higher or, conversely, lower values of the maximum pressure of the medium (or to obtain a higher high or low sensor sensitivity). The thickness In the deformable part 12 of the membrane 1 is not less than 40 microns. Thickness less than 40 microns will not provide the required strength of the quartz glass of membrane 1 for the operating pressure range up to 200-300 bar.

В сердцевину волоконного световода 3 в области ферулы 5 введена брэгговская дифракционная решетка 4, что позволит измерять температуру практически самого датчика давления и обеспечить снижение температурной погрешности датчика давления за счет алгоритмической температурной компенсации показаний датчика давления. На деформируемой части 12 мембраны 1 нанесено отражающее покрытие 2 из материала, например, металла или диэлектрика. Отражающее покрытие из материала, например, металла или диэлектрика выбирается из условия долговременной стойкости к температуре +200°С и обеспечивает коэффициент отражения не менее 60%, лучше не менее 95%, при этом достигается технический результат - увеличение интерференционного контраста с ~0,40 до 1,60 (при коэффициенте отражения 60%), что увеличивает чувствительность датчика в четыре раза (при коэффициенте отражения 60% чувствительность датчика увеличивается в ~4,8). Кроме того, отражающее покрытие обеспечивает снижение искажения интерференционной картины из-за дополнительной интерференции с волной, отраженной от границы раздела стекло - измеряемая среда. При этом за счет вариации типа среды (жидкость или газ) или температуры среды меняется показатель преломления и, как следствие, коэффициент отражения от этой границы раздела, что приводит к искажению интерференционной картины, затрудняющего обработку сигнала датчика системой опроса датчика. Снижение модуляции интерференционной картины происходит с тем же коэффициентом, что и чувствительность датчика. Снижение модуляции интерференционной картины выравнивает интерференционный контраст и делает его максимальным, а значит также увеличивает чувствительность датчика.A Bragg diffraction grating 4 is introduced into the core of fiber 3 in the region of ferrule 5, which will make it possible to measure the temperature of practically the pressure sensor itself and to reduce the temperature error of the pressure sensor due to algorithmic temperature compensation of the pressure sensor readings. On the deformable part 12 of the membrane 1, a reflective coating 2 of a material such as a metal or a dielectric is applied. A reflective coating made of a material, for example, a metal or dielectric, is selected from the condition of long-term resistance to a temperature of + 200 ° C and provides a reflection coefficient of at least 60%, preferably at least 95%, while achieving the technical result - an increase in the interference contrast from ~ 0.40 up to 1.60 (with a reflection coefficient of 60%), which increases the sensitivity of the sensor four times (with a reflection coefficient of 60%, the sensitivity of the sensor increases by ~ 4.8). In addition, the reflective coating provides a reduction in the distortion of the interference pattern due to additional interference with the wave reflected from the glass-medium interface. In this case, due to a variation in the type of medium (liquid or gas) or the temperature of the medium, the refractive index and, as a consequence, the reflection coefficient from this interface change, which leads to a distortion of the interference pattern, which makes it difficult to process the sensor signal by the sensor interrogation system. The reduction in modulation of the interference pattern occurs with the same coefficient as the sensitivity of the sensor. Reducing the modulation of the interference pattern evens out the interference contrast and maximizes it, which means it also increases the sensor's sensitivity.

Корпус 7,10 датчика давления является составным термостойким, например, металлическим, керамическим или композитным. Элемент 9 в составном корпусе выполнен из термостойкого полимера и обеспечивает температурное согласование деталей элемента чувствительного из стекла и деталей корпуса 7 и 10. Корпус термостойкий, например, металлический, керамический или композитный выбирается из условий стойкости к температуре +200°С и вибрации объекта, и обеспечивает температурное согласование между стеклянными деталями датчика и металлическими деталями объекта, а также обеспечивает защиту стеклянных деталей датчика от внешних механических воздействий, и обеспечивает герметичное присоединение элемента чувствительного датчика к объекту измерения (как правило, из металла) с учетом требований к присоединительному размеру. При этом достигается технический результат - герметичное присоединение стеклянного элемента чувствительного датчика к металлическому объекту измерения, позволяющее многократно присоединять датчик к объекту. Защитное покрытие 14 волоконного световода 3 выполнено из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера. Термостойкий материал, преимущественно из металла (в частности, медь, алюминий) или полимера (в частности, полиимид, силикон) выбирается из условий долговременной эксплуатации датчика при температуре +200°С и обеспечивает стойкость волоконного световода к температурным воздействиям, при этом достигается технический результат -долговременная работа датчика в условиях температуры +200°С. Волоконный световод 3 расположен в кабеле 8 из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера.The pressure sensor housing 7,10 is a composite heat-resistant, for example, metal, ceramic or composite. Element 9 in a composite body is made of a heat-resistant polymer and provides temperature matching of the parts of the sensitive element made of glass and parts of the body 7 and 10. The body is heat-resistant, for example, metal, ceramic or composite is selected from the conditions of resistance to temperature + 200 ° C and vibration of the object, and provides temperature matching between the glass parts of the sensor and the metal parts of the object, and also protects the glass parts of the sensor from external mechanical influences, and provides a tight connection of the sensitive sensor element to the measurement object (usually made of metal), taking into account the requirements for the connection size. In this case, the technical result is achieved - a tight connection of the glass element of the sensitive sensor to the metal object of measurement, which allows the sensor to be repeatedly connected to the object. The protective coating 14 of the optical fiber 3 is made of a heat-resistant material, mainly metal or polymer. A heat-resistant material, mainly made of metal (in particular, copper, aluminum) or polymer (in particular, polyimide, silicone) is selected from the conditions of long-term operation of the sensor at a temperature of + 200 ° C and ensures the resistance of the optical fiber to temperature influences, while achieving a technical result - long-term operation of the sensor at a temperature of + 200 ° С. The optical fiber 3 is located in the cable 8 made of a heat-resistant material, mainly of metal or polymer.

В результате применения предлагаемой конструкции чувствительного элемента датчика давления повышается температурная стойкость за счет уменьшения температурной погрешности путем измерения температуры датчика давления независимым оптическим датчиком и температурной компенсации его показаний давления среды.As a result of the application of the proposed design of the sensitive element of the pressure sensor, the temperature resistance is increased by reducing the temperature error by measuring the temperature of the pressure sensor with an independent optical sensor and temperature compensation of its readings of the pressure of the medium.

Чувствительность датчика в заданном диапазоне температур от минус 60 до плюс 200°С с обеспечением погрешности измерения избыточных давлений в диапазоне от 0 до 200 бар не более 1 бар за счет применения мембраны, работающей на прогиб, покрытия, использования кварцевого стекла, обладающего низким коэффициентом теплового расширения и термостойкостью, в качестве материала компонентов, однородного соединения этих компонентов, оптимальной геометрии мембраны и наличия компенсатора температурной погрешности (ВБР) и отражающего покрытия, увеличивающего соотношение сигнал/шум.The sensitivity of the sensor in the specified temperature range from minus 60 to plus 200 ° С, ensuring the measurement error of excess pressures in the range from 0 to 200 bar, no more than 1 bar due to the use of a membrane that works for deflection, coating, use of quartz glass with a low coefficient of thermal expansion and heat resistance, as a material of the components, homogeneous connection of these components, optimal membrane geometry and the presence of a temperature error compensator (FBR) and a reflective coating that increases the signal-to-noise ratio.

Таким образом, предлагаемая полезная модель с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет получить чувствительный элемент волоконно-оптического датчика давления, обладающего простой конструкцией, высокой чувствительностью и достаточной точностью в заданном диапазоне давлений и температур.Thus, the proposed utility model with the above distinctive features, in combination with known features, makes it possible to obtain a sensitive element of a fiber-optic pressure sensor having a simple design, high sensitivity and sufficient accuracy in a given range of pressures and temperatures.

Claims

The sensing element of the pressure sensor containing the Fabry-Perot interferometer, consisting of a silica glass membrane, a reflective coating on the deformable part of the membrane, a fiber light guide, with the formation of a gap between the coating on the deformable part of the membrane and the surface of the end of the fiber light guide fixed in the ferule channel, while the gap is isolated from the external environment, and the pressure sensor is made with a housing, the membrane and the fiber optic guide are attached to the ferrule using chemical splicing, and the diameter of the deformable part of the membrane is 40 ... 60 times greater than the diameter of the light guide core of the fiber light guide, and the thickness of the deformable part of the membrane is less than its diameter of the deformable part by 10 ... 15 times, but not less than 40 microns, a Bragg diffraction grating is introduced into the core of the fiber in the region of the ferrule, a reflective coating of a material, for example, a metal or dielectric, is applied on the deformable part of the membrane, characterized in that the body is a composite thermos Durable, for example, metallic, ceramic or composite, the optical fiber contains a protective coating made of a heat-resistant material, for example, metal or polymer, and is located in the cable made of a heat-resistant material, mainly metal or polymer.