RU2290605C1 - Fiber-optic converter of movements - Google Patents
Fiber-optic converter of movements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2290605C1 RU2290605C1 RU2005109815/28A RU2005109815A RU2290605C1 RU 2290605 C1 RU2290605 C1 RU 2290605C1 RU 2005109815/28 A RU2005109815/28 A RU 2005109815/28A RU 2005109815 A RU2005109815 A RU 2005109815A RU 2290605 C1 RU2290605 C1 RU 2290605C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- curtain
- optical fibers
- oob
- distance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в датчиках физических величин (давления, перемещения, ускорения, уровня жидкости, параметров вибрации и т.п.) в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения физических величин в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники.The invention relates to measuring equipment and can be used in sensors of physical quantities (pressure, displacement, acceleration, fluid level, vibration parameters, etc.) in various sectors of the economy and, first of all, for measuring physical quantities in conditions the impact of external destabilizing factors on the products of rocket and space technology.
Известны волоконно-оптические датчики давления (ВОДД), содержащие световодные жгуты, установленные на фиксированном расстоянии от светоотражающей металлической мембраны, процесс измерения давления в которых осуществляется путем регистрации изменения интенсивности отраженного светового потока в зависимости от прогиба мембраны под действием давления (Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.11-12; Авдошин Е.С. Волоконная оптика в военной технике США // Зарубежная электроника, 1989. - №11. - С.98-99; а.с. 1631329, G 01 L 11/00. Датчик давления; Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.40-41).Fiber optic pressure sensors (VODD) are known, containing optical fiber bundles installed at a fixed distance from a reflective metal membrane, the pressure measurement process in which is carried out by recording changes in the intensity of the reflected light flux depending on the deflection of the membrane under pressure (Zhilin V.G. Fiber-optic measuring transducers of speed and pressure. - M .: Energoatomizdat, 1987. - S.11-12; Avdoshin ES. Fiber optics in military equipment of the USA // Foreign electronic onika, 1989. - No. 11. - P.98-99; a.s. 1631329, G 01
Недостатками данных датчиков являются:The disadvantages of these sensors are:
- низкая чувствительность преобразования, обусловленная существенными потерями светового потока при отражении от зеркальной поверхности мембраны в пределах апертурного угла оптических волокон,- low conversion sensitivity due to significant losses of light flux when reflected from the mirror surface of the membrane within the aperture angle of the optical fibers,
- высокая температурная погрешность, обусловленная изменением геометрических параметров датчика,- high temperature error due to a change in the geometric parameters of the sensor,
- погрешность от неинформативных изгибов оптических волокон в процессе сборки, испытаний и эксплуатации датчиков.- error from uninformative bending of optical fibers during the assembly, testing and operation of sensors.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, в котором под воздействием переменного акустического поля свет модулируется тонкой шторкой из титановой фольги, прикрепленной к гибкой мембране. Свет от светодиода поступает через разветвитель по волоконному световоду в полость, где расположена шторка, модулированный свет по другому световоду направляется на фотодиод [Световодные датчики / Б.А.Красюк, О.Г.Семенов, А.Г.Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - С.15].Closer in technical essence to the present invention is a device in which, under the influence of an alternating acoustic field, the light is modulated by a thin curtain of titanium foil attached to a flexible membrane. The light from the LED enters through the splitter through the fiber into the cavity where the shutter is located, the modulated light through another fiber is sent to the photodiode [Light guide sensors / B. A. Krasyuk, O. G. Semenov, A. G. Sheremetev, etc. - M .: Engineering, 1990. - P.15].
Недостатками этого устройства являются низкая чувствительность преобразования, из-за существенных потерь оптической мощности в разветвителях, из-за потерь светового потока в процессе передачи его от подводящих оптических волокон к отводящим оптическим волокнам в пределах апертурного угла оптических волокон, а также высокая погрешность, обусловленная неинформативными изгибами оптических волокон при воздействии внешних механических факторов, например при сборке датчиков, при испытаниях, при эксплуатации, которые ведут к существенным неинформативным потерям оптического сигнала при его прохождении по оптическим волокнам.The disadvantages of this device are the low conversion sensitivity, due to significant loss of optical power in the splitters, due to the loss of light flux during transmission from optical fiber to the optical fiber within the aperture angle of the optical fibers, as well as high error due to uninformative bends of optical fibers when exposed to external mechanical factors, for example, during the assembly of sensors, during tests, during operation, which lead to significant uninformative loss of the optical signal as it passes through optical fibers.
Кроме того, данное устройство требует очень точной юстировки оптических волокон относительно друг друга и шторки, что значительно усложняет технологию их изготовления и, соответственно повышает его стоимость.In addition, this device requires a very accurate alignment of the optical fibers relative to each other and the curtain, which greatly complicates the technology of their manufacture and, accordingly, increases its cost.
Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в высокой точности измерения из-за низкой чувствительности преобразования, влияния на результат измерения изменения мощности источника излучения, изгибов волоконно-оптического кабеля.Thus, the prototype does not achieve a technical result, expressed in high accuracy of measurement due to the low sensitivity of the conversion, the impact on the measurement result of changes in the power of the radiation source, bends of the fiber optic cable.
Предлагается новая конструкция волоконно-оптического преобразователя перемещения, лишенная перечисленных выше недостатков.A new design of the fiber optic displacement transducer is proposed, devoid of the above disadvantages.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом преобразователе перемещения, содержащем соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, расстояние между подводящими оптическими волокнами и шторкой определяется выражениямиThe specified technical result is achieved by the fact that in the known fiber-optic displacement transducer containing coaxially located opaque curtain with an aperture, bundles of supply and discharge optical fibers, the distance between the supply optical fibers and the curtain is determined by the expressions
l1>dc/2tgΘNA,l 1 > d c / 2tgΘ NA ,
радиус отверстия в шторке R0 выражениемthe radius of the hole in the curtain R 0 expression
R0=(l1+tШТ)tgΘNA,R 0 = (l 1 + t PCS) tgΘ NA,
расстояние между подводящими и отводящими оптическими волокнами определяется выражениемthe distance between the input and output optical fibers is determined by the expression
где dc, dOB, ΘNA - диаметр сердцевины, внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно;where d c , d OB , Θ NA are the core diameter, outer diameter and aperture angle of the optical fiber, respectively;
tШТ - толщина шторки;t SH - the thickness of the curtain;
в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки.in the receiving end of the bundle of exhaust fibers coaxially with the supplying optical fiber and the hole in the curtain, there is a segment of the technological fiber, around which there are receiving ends of the output optical fibers, divided into two equal in number of fiber groups, symmetrically located one above the other in the direction of movement of the curtain.
В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающим заявляемый технический результат.As a result of a search by sources of patent and technical information, no devices were found with a combination of essential features that coincide with the invention and provide the claimed technical result.
Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.Thus, the present invention is a technical solution to the problem, which is a new, industrially applicable and inventive step, i.e. the present invention meets the criteria of patentability.
На фигуре 1 приведена конструктивная схема предлагаемого преобразователя перемещения, на фигуре 2 - расчетно-конструктивная схема преобразователя перемещения, на фигуре 3 - упрощенная конструктивная схема одного из вариантов дифференциального волоконно-оптического датчика давления, включающего предлагаемый преобразователь перемещения.The figure 1 shows a structural diagram of the proposed displacement transducer, figure 2 - design and structural diagram of the displacement transducer, figure 3 is a simplified structural diagram of one of the options for a differential fiber-optic pressure sensor, including the proposed displacement transducer.
Волоконно-оптический преобразователь перемещения содержит подводящее оптическое волокно ПОВ 1, соосно расположенную с ним (в нейтральном положении: при начальном значении входной физической величины) шторку 2 с отверстием толщиной t, отводящие оптические волокна ООВ 3 первого измерительного канала, отводящие оптические волокна ООВ 4 второго измерительного канала, отрезок технологического волокна или цилиндрическую деталь 5. Шторка 2 расположена на расстоянии l1 относительно торца ПОВ 1 (фигура 1). Торцы ООВ 3 и 4 первого и второго измерительных каналов соответственно расположены на расстоянии L от ПОВ 1. Технологическое оптическое волокно 5 необходимо для симметризации оптических волокон 3 и 4. Вокруг технологического волокна 5 расположены приемные торцы отводящих оптических волокон 3 и 4, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении Z перемещения шторки 2. Количество отводящих оптических волокон в первом и втором измерительных каналов равно, причем в рекомендуемом варианте оно равно трем.The fiber-optic displacement transducer comprises a supply
Волоконно-оптический преобразователь перемещения работает следующим образом.Fiber optic displacement transducer operates as follows.
Световой поток Ф0 с выхода ПОВ 1 под апертурным углом ΘNA падает на шторку 2, проходит сквозь нее, и поступает на приемные торцы OOB 3 и 4. Под действием давления шторка 2 перемещается на значение Z относительно ООВ 3 и 4, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Ф1(Z) и Ф2(Z), поступающих далее по отводящим волокнам на светочувствительные площадки приемников излучения (фотодиодов) первого и второго измерительных каналов соответственно.The luminous flux Ф 0 from the output of
Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические I1 и I2, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ). В БПИ осуществляется операция деления сигналов I1 и I2, что позволяет компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов. Для повышения чувствительности преобразования можно сформировать отношение разности сигналов I1 и I2 к их сумме.The radiation receivers convert the optical signals into electrical I 1 and I 2 received at the input of the information conversion unit (BPI). In the BPI, the operation of dividing the signals I 1 and I 2 is performed, which allows you to compensate for changes in the radiation power of the LED and uninformative loss of light flux during bending of optical fibers, since their ratio does not depend on these factors. To increase the sensitivity of the conversion, it is possible to form the ratio of the difference of the signals I 1 and I 2 to their sum.
Основная задача расчета оптической системы заключается в определении ряда конструктивных параметров, обеспечивающих эффективный ввод излучения из ПОВ 1 в OOB 3 и 4, максимальную глубину модуляции оптического сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения торцов OOB, минимальные габаритные размеры измерительного преобразователя. Исходными данными для расчета являются:The main task of calculating the optical system is to determine a number of design parameters that ensure efficient input of radiation from
1) тип используемых оптических волокон, характеризующихся следующими справочными данными: апертурным углом θNA; радиусом сердцевины rс (диаметром сердцевины dc);1) the type of optical fibers used, characterized by the following reference data: aperture angle θ NA ; core radius r c (core diameter d c );
2) максимальное перемещение шторки вдоль оси Z;2) the maximum movement of the curtain along the Z axis;
3) дистанция формирования пучка LФ=dC/2tgΘNA;3) the distance of beam formation L Ф = d C / 2tgΘ NA ;
4. Местоположение плоскости А-А, в которой расположены приемные торцы OOB, где распределение освещенности равномерное.4. The location of the plane AA, in which the receiving ends of the OOB are located, where the distribution of illumination is uniform.
В результате расчета должны быть определены следующие параметры: радиус отверстия в шторке RO; расстояние от излучающего торца ПОВ до шторки l1; расстояние от шторки до приемного торца OOB l2; расстояние от излучающего торца ПОВ до приемного торца OOB L; толщина шторки tшт.As a result of the calculation, the following parameters should be determined: radius of the hole in the curtain R O ; the distance from the radiating end of the POW to the curtain l 1 ; the distance from the curtain to the receiving end OOB l 2 ; the distance from the emitting end face of the POW to the receiving end OOB L; curtain thickness t pcs .
Так как в конструкции датчика используется дифференциальная схема управления световым потоком, в которой при Zi=0, когда центр изображения совпадает с осью приемных торцов OOB, открыты верхняя половина OOB первого измерительного канала и нижняя половина OOB второго измерительного канала. При этом для того, чтобы потоки Ф1 и Ф2, поступающие в OOB каждого канала, были равны, важно, чтобы поверхность шторки 2 и OOB 3 и 4 были освещены равномерно. Это достигается расположением шторки на расстоянии l1>LФ и расположением OOB на расстоянии L>l1+tШТ.Since the sensor design uses a differential luminous flux control circuit, in which at Z i = 0, when the center of the image coincides with the axis of the receiving ends of the OOB, the upper half of the OOB of the first measuring channel and the lower half of the OOB of the second measuring channel are open. Moreover, in order for the fluxes Ф 1 and Ф 2 entering the OOB of each channel to be equal, it is important that the surface of the
Из треугольника MNF (см. фиг.1)From the triangle MNF (see figure 1)
Из треугольника ОВС:From the OVS triangle:
Толщина шторки tШТ выбирается из следующих соображений: она должна быть как можно тоньше для уменьшения потерь светового потока, в то же время она должна быть надежной и не прогибаться при воздействии механических воздействий. Рекомендуемые значения толщины шторки 0,2...0,3 мм.The shutter thickness t PC is selected from the following considerations: it should be as thin as possible to reduce light loss, at the same time it should be reliable and not bend when exposed to mechanical stress. Recommended values of curtain thickness 0.2 ... 0.3 mm.
Из уравнения (2) расстояние от излучающего торца ПОВ до шторки l1 определится следующим образом:From equation (2), the distance from the radiating end of the POW to the curtain l 1 is determined as follows:
Наиболее оптимальное расположение OOB в плоскости А-А, когда изображение излучающего торца ПОВ будет представлять собой кольцо, площадью SA-A. В нейтральном положении при Zi=0 кольцо перекрывает сердцевины всех оптических волокон. Внутренний RВНУТ и внешний RВНЕШ радиусы кольца определяются следующими выражениями:The most optimal location of OOB in the plane AA, when the image of the radiating end of the POW will be a ring with an area of S AA . In the neutral position at Z i = 0, the ring overlaps the core of all optical fibers. The inner R OUT and the outer R OUT radii of the ring are defined by the following expressions:
RВНУТ=dOB-rC,R VNUT = d OB -r C ,
RВНЕШ=dOB+rC,R EXT = d OB + r C ,
ТогдаThen
В качестве примера для расчета оптической системы датчика использованы параметры оптического волокна ТХО.735.123 ТУ: диаметр оптического волокна dOB=500 мкм, dc=200 мкм, апертурный угол θNA=12°. Толщина шторки выбрана tШТ=0,25 мм. В соответствии с графическим построением принято l1=1,57 мм. В этом случае (сечение А-А) диаметр зоны 1 равен диаметру сердцевины dc и освещенность зоны 2 равномерная.As an example, to calculate the optical system of the sensor, the parameters of the optical fiber ТХО.735.123 ТУ were used: optical fiber diameter d OB = 500 μm, d c = 200 μm, aperture angle θ NA = 12 °. The thickness of the curtain is selected t PC = 0.25 mm. In accordance with the graphic construction adopted l 1 = 1,57 mm In this case (section AA), the diameter of
Тогда R0=(1,57+0,25)0,19=0,34 мм; Then R 0 = (1.57 + 0.25) 0.19 = 0.34 mm;
Существенной глубины модуляции оптического сигнала (до 30%) можно добиться, перемещая шторку вдоль оси Z вверх или вниз относительно OB приблизительно на 0,5dc. Таким образом, при dc=200 мкм перемещение по оси Z составит 100 мкм.A significant modulation depth of the optical signal (up to 30%) can be achieved by moving the shutter along the Z axis up or down relative to the OB by approximately 0.5d c . Thus, at d c = 200 μm, the displacement along the Z axis will be 100 μm.
В предлагаемом ВОП перемещения модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перекрытия части светового потока перемещающимся непрозрачным экраном.In the proposed VOP movement, the optical signal is modulated by blocking part of the luminous flux with a moving opaque screen.
Функция преобразования Ф(Z) одного измерительного канала имеет вид:The conversion function Ф (Z) of one measuring channel has the form:
где Ко - коэффициент, характеризующий распределение освещенности в зоне измерения;where K about - coefficient characterizing the distribution of illumination in the measurement zone;
Kшт(Z) - коэффициент передачи тракта "подводящее оптическое волокно ПОВ - шторка - отводящее оптическое волокно OOB";K pcs (Z) - transmission coefficient of the path "supply optical fiber POV - curtain - output optical fiber OOB";
Фо - начальный световой поток на выходе ПОВ.F about - the initial light flux at the output of the POV.
Для целенаправленного управления поведением функции преобразования необходимо, чтобы коэффициент Ко был равен 1. Очевидно, что при Ко=1 поведение функции преобразования Ф(Z) будет оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта, то есть коэффициента Кшт(Z).For targeted control of the behavior of the conversion function, it is necessary that the coefficient K o be equal to 1. Obviously, when K o = 1, the behavior of the transformation function Ф (Z) will be evaluated by the behavior of the transmission function of the optical path, i.e., the coefficient K pc (Z).
Расчетная схема измерительного преобразователя датчика при управлении световым потоком при помощи шторки с круглым отверстием, перемещающейся вдоль оси Z, представлена на фигуре 2.The calculation scheme of the measuring transducer of the sensor when controlling the luminous flux using a curtain with a circular hole moving along the Z axis is shown in figure 2.
При соосном расположении ПОВ и OOBWith coaxial arrangement of POB and OOB
где n - количество OOB;where n is the number of OOB;
SZi - освещенная часть поперечного сечения сердцевины OOB;S Zi - illuminated part of the cross section of the core OOB;
Sc- площадь поперечного сечения сердцевины ОВ;S c is the cross-sectional area of the core of OM;
SA-A - площадь поперечного сечения светового потока в плоскости А-А расположения приемных торцов OOB.S AA is the cross-sectional area of the light flux in the plane AA of the location of the receiving ends OOB.
В соответствии с фиг.2:In accordance with figure 2:
SA-A=(LtgθNA+rc)2,S AA = (Ltgθ NA + r c ) 2 ,
где L - расстояние между излучающим торцом ПОВ и плоскостью, в которой расположены приемные торцы OOB, L=dOB/tgθNA;where L is the distance between the radiating end face of the SOW and the plane in which the receiving ends of OOB are located, L = d OB / tgθ NA ;
соответственноrespectively
то есть определяется параметрами выбранного оптического волокна.that is, determined by the parameters of the selected optical fiber.
Площадь сечения SZ зависит от смещения шторки в направлении Z.The cross-sectional area S Z depends on the displacement of the curtain in the Z direction.
Найдем в качестве примера SZ для ООВ3:Let us find S Z for OOB3 as an example:
Площадь SZ3 представляет собой сумму площадей двух круговых секторов S13 и S23, образованных взаимным пересечением двух окружностей: радиусом rс, равным радиусу сердцевины ОВ и радиусом Rcn, равным радиусу светового потока, прошедшего через отверстие в шторке в плоскости расположения приемных торцов OOB. ПричемArea S Z3 is the sum of the areas of two circular sectors S 13 and S 23 formed by the mutual intersection of two circles: a radius r c equal to the radius of the core OB and a radius R cn equal to the radius of the light flux passing through the hole in the curtain in the plane of the receiving ends OOB. Moreover
Расстояние L выбирается таким образом, чтобы световой поток в плоскости А-А полностью перекрывал торцы OOB в нейтральном положении шторки (при Z=0).The distance L is chosen so that the luminous flux in the AA plane completely overlaps the ends of the OOB in the neutral position of the curtain (at Z = 0).
В соответствии с фиг. 2In accordance with FIG. 2
НоBut
СоответственноRespectively
Тогда с учетом выражений (10)-(13) для SZ3 получим:Then, taking into account expressions (10) - (13) for S Z3 we get:
По аналогии с SZ3 находим SZ1, имеем:By analogy with S Z3 we find S Z1, we have:
где i=1...n,where i = 1 ... n,
где n - количество отводящих оптических волокон.where n is the number of tapping optical fibers.
Как видно из выражений (14), (15) они отличаются параметрами аi.As can be seen from expressions (14), (15) they differ in the parameters a i .
Найдем параметры ai. В качестве примера найдем а3(I) третьего OOB первого измерительного канала ООВ3(I) (волокна расположены ваше оси Y).Find the parameters a i . As an example, we find a 3 (I) of the third OOB of the first measuring channel OOB3 (I) (the fibers are located on your Y axis).
Из треугольника А3O3(I)OZ From triangle A 3 O 3 (I) O Z
где D3=O3(I)OZ where D 3 = O 3 (I) O Z
Из треугольника O2(I)O3(I)OZ From the triangle O 2 (I) O 3 (I) O Z
где Zi - смещение шторки вдоль оси Z;where Z i is the shift of the curtain along the Z axis;
γ=360°/nγ = 360 ° / n
По аналогии с a3 и D3 находим аi и Di, где i=1...n, где n - количество отводящих оптических волокон, имеем:By analogy with a 3 and D 3 we find a i and D i , where i = 1 ... n, where n is the number of output optical fibers, we have:
В общем случае, когда имеется n OOB, расположенных на одинаковом расстоянии относительно оптической оси, расстояние Di(I) первого измерительного канала для волокон, расположенных выше оси Y (см. фиг.2), рассчитывается по формуле (18), а для волокон второго измерительного канала, расположенных ниже оси Y - по формуле (19).In the General case, when there are n OOB located at the same distance relative to the optical axis, the distance D i (I) of the first measuring channel for fibers located above the Y axis (see figure 2) is calculated by the formula (18), and for fibers of the second measuring channel located below the Y axis according to formula (19).
Для частного случая, когда имеем шесть OOB, расположенных на одинаковом расстоянии, относительно оптической оси (в центре расположено седьмое технологическое волокно, обеспечивающее симметричность конструкции кабеля), формулы (18) и (19) примут вид:For a special case, when we have six OOBs located at the same distance relative to the optical axis (the seventh technological fiber is located in the center, which ensures the symmetry of the cable structure), formulas (18) and (19) take the form:
С учетом выражений (6)-(8), (19) выражение (5) для одного измерительного канала (например, первого) перепишется следующим образом:Taking into account expressions (6) - (8), (19), expression (5) for one measuring channel (for example, the first) is rewritten as follows:
где ai, Di определяются выражениями (17)-(19); Rcn - выражением (10).where a i , D i are defined by expressions (17) - (19); R cn - expression (10).
Если сигналы с выхода OOB 3 и 4 поступают на приемники излучения, а затем на вычитающее устройство, то на его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный разности потоков излучения:If the signals from the output of
I~(Ф1-ΔФ)-(Ф2+ΔФ)=2ΔФ.I ~ (Ф 1 -ΔФ) - (Ф 2 + ΔФ) = 2ΔФ.
Таким образом, (Ф1-Ф2)=f(Z). В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования и линеаризация выходной зависимости Ф=f(Z).Thus, (Φ 1 - Φ 2 ) = f (Z). In this case, a doubling of the conversion sensitivity and linearization of the output dependence Φ = f (Z) are observed.
Если сигналы с выхода OOB поступают на делительное устройство, то на его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный отношению потоков излученияIf the signals from the OOB output are fed to a dividing device, then a signal proportional to the ratio of the radiation fluxes is observed at its output
I(Z)~(Ф1-ΔФ)/(Ф2+ΔФ).I (Z) ~ (Ф 1 -ΔФ) / (Ф 2 + ΔФ).
Таким образом, Ф1i/Ф2i=f(Z). В этом случае снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения.Thus, Φ 1i / Φ 2i = f (Z). In this case, the influence on the measurement accuracy of non-informative bends of the EQA, changes in the radiation power of the radiation source is reduced.
При обработке сигналов ВОДД для улучшения метрологических характеристик целесообразно сформировать отношение (Ф1-Ф2)/(Ф1+Ф2). В этом случае наблюдается и удвоение чувствительности преобразования, и линеаризация выходной зависимости, и снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения и чувствительности приемника излучения. В этом случае на выходе датчика формируется сигнал, определяемый следующим выражением:When processing VODD signals to improve metrological characteristics, it is advisable to form the ratio (F 1 -F 2 ) / (F 1 + F 2 ). In this case, there is a doubling of the conversion sensitivity and linearization of the output dependence, and the influence on the measurement accuracy of non-informative bends of the EQA, changes in the radiation power of the radiation source and the sensitivity of the radiation receiver is reduced. In this case, a signal is generated at the sensor output, which is determined by the following expression:
[I1(P)-I2(P)]/[I1(P)+I2(P)].[I 1 (P) -I 2 (P)] / [I 1 (P) + I 2 (P)].
Пример конкретного применения волоконно-оптического преобразователя в волоконно-оптическом датчике давления приведен на фигуре 3.An example of a specific application of a fiber optic transducer in a fiber optic pressure sensor is shown in figure 3.
Мембрана 1 жестко соединена со штуцером 2 (например, с помощью сварки) или является его частью. В центре мембраны жестко закреплена (например, с помощью сварки) шторка 3 с отверстием на расстояниях l1 и l2 относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 4 и приемных торцов отводящих оптических волокон OOB 5 первого и второго измерительных каналов соответственно. ПОВ 4 и OOB 5 жестко закреплены в корпусе 6. Юстировка волокон относительно отверстия в шторке 3 осуществляется с помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в процессе настройки датчика.The
Датчик работает следующим образом (см. фиг.3). Часть светового потока Ф0 источника излучения ИИ 8 по ПОВ 4 подается в зону измерения, проходит сквозь отверстие в шторке 3 на OOB 5. Под действием измеряемого давления Р мембрана 1 прогибается, соответственно смещается в направлении Z шторка 3. Часть оптического излучения Ф1(Р) проходит через отверстие в шторке, поступает в OOB первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2(Р) - в OOB второго измерительного канала. По OOB 5 первого и второго измерительных каналов световые потоки направляются на ПИ 9 и ПИ 10 соответственно. Приемники излучения ПИ 9 и ПИ 10 преобразуют оптические сигналы Ф1(Р) и Ф2(Р) в электрические сигналы I1(P) и I2(P) соответственно, которые далее поступают на вход блока преобразования информации.The sensor operates as follows (see figure 3). Part of the luminous flux Φ 0 of the radiation source II 8 is supplied to the measurement zone through the
Технический результат предлагаемого изобретения следующий.The technical result of the invention is as follows.
Предложенная конструкция преобразователя обеспечивает дифференциальное управление световым потоком в зоне измерения, чем достигаются более линейная функция преобразования, более высокая точность измерения физических величин (давления, ускорения, силы, параметров вибрации и т.п.) в условиях воздействия внешних воздействующих факторов. Значительно снижается влияние на точность измерения неинформативных параметров внешней среды и изгибов волоконно-оптического кабеля, снижаются погрешности, обусловленные изменением мощности источников излучения, неточностью юстировки оптических волокон и шторки относительно друг друга, так как указанные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в обоих измерительных каналах, которые не влекут изменения их отношения.The proposed converter design provides differential control of the luminous flux in the measurement zone, which achieves a more linear conversion function, higher measurement accuracy of physical quantities (pressure, acceleration, force, vibration parameters, etc.) under the influence of external factors. The influence on the measurement accuracy of non-informative parameters of the external environment and the bends of the fiber optic cable is significantly reduced, errors due to changes in the power of the radiation sources, inaccurate alignment of the optical fibers and the blind relative to each other are reduced, since these factors cause proportional changes in the signals in both measuring channels, which do not entail changes in their attitude.
Применение трех и более отводящих волокон и оптимальное расположение отдельных элементов оптического тракта относительно друг друга позволяет повысить чувствительность преобразования.The use of three or more outlet fibers and the optimal arrangement of the individual elements of the optical path relative to each other can increase the conversion sensitivity.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005109815/28A RU2290605C1 (en) | 2005-04-05 | 2005-04-05 | Fiber-optic converter of movements |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005109815/28A RU2290605C1 (en) | 2005-04-05 | 2005-04-05 | Fiber-optic converter of movements |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005109815A RU2005109815A (en) | 2006-09-10 |
RU2290605C1 true RU2290605C1 (en) | 2006-12-27 |
Family
ID=37112700
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005109815/28A RU2290605C1 (en) | 2005-04-05 | 2005-04-05 | Fiber-optic converter of movements |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2290605C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2474798C2 (en) * | 2011-02-01 | 2013-02-10 | Мурашкина Татьяна Ивановна | Fibre-optic pressure sensor |
RU2620783C2 (en) * | 2015-09-07 | 2017-05-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of introducing wide-aperture pulse laser beam in fiber-optical communication line and device for its implementation |
RU199237U1 (en) * | 2020-04-30 | 2020-08-24 | Елена Александровна Бадеева | FIBER OPTICAL PRESSURE SENSOR |
RU2740538C1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-01-15 | Елена Александровна Бадеева | Light flux conversion method and fibre-optic pressure sensor realizing said light flux |
RU2786690C1 (en) * | 2022-02-07 | 2022-12-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" | Fiber-optic strain sensor |
-
2005
- 2005-04-05 RU RU2005109815/28A patent/RU2290605C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г. и др. Световодные датчики. - М.: Машиностроение, 1990. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2474798C2 (en) * | 2011-02-01 | 2013-02-10 | Мурашкина Татьяна Ивановна | Fibre-optic pressure sensor |
RU2620783C2 (en) * | 2015-09-07 | 2017-05-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of introducing wide-aperture pulse laser beam in fiber-optical communication line and device for its implementation |
RU2620783C9 (en) * | 2015-09-07 | 2017-07-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for introducing pulse laser beam in fiber-optical communication line |
RU199237U1 (en) * | 2020-04-30 | 2020-08-24 | Елена Александровна Бадеева | FIBER OPTICAL PRESSURE SENSOR |
RU2740538C1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-01-15 | Елена Александровна Бадеева | Light flux conversion method and fibre-optic pressure sensor realizing said light flux |
RU2786690C1 (en) * | 2022-02-07 | 2022-12-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" | Fiber-optic strain sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005109815A (en) | 2006-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101542255B (en) | Optical fiber thermometer and temperature compensation optical fiber sensor | |
Libo et al. | Analysis of the compensation mechanism of a fiber-optic displacement sensor | |
US4427881A (en) | Sensor device for measuring a physical parameter | |
CN104603592B (en) | MEMS optical sensors | |
RU2290605C1 (en) | Fiber-optic converter of movements | |
KR101465788B1 (en) | optical sening system having dual core | |
Costa et al. | Macrobending SMS fiber-optic anemometer and flow sensor | |
JPS6166936A (en) | Optical, electrical and mechanical device for measuring physical parameter | |
RU2308772C2 (en) | Fiber-optic movement converter | |
RU2308689C2 (en) | Fiber-optic pressure gage | |
EP0187152A1 (en) | Optic sensors | |
RU2567176C2 (en) | Differential optic fibre pressure difference sensor | |
WO2017085879A1 (en) | Curvature sensor | |
RU199237U1 (en) | FIBER OPTICAL PRESSURE SENSOR | |
RU2308677C2 (en) | Fiber-optic movement converter | |
RU2740538C1 (en) | Light flux conversion method and fibre-optic pressure sensor realizing said light flux | |
JPH068724B2 (en) | Optical detector | |
JP4862594B2 (en) | Optical fiber sensor | |
RU2741276C1 (en) | Fibre-optic sensor of liquid and air flow parameters | |
RU81323U1 (en) | COMBINED FIBER OPTICAL PRESSURE AND TEMPERATURE SENSOR | |
CN205449322U (en) | Optical fiber grating sensor | |
Yamazaki et al. | Micro-displacement vibration measurement using a hetero-core fiber optic tip macro-bending sensor | |
RU2547896C1 (en) | Optical detector of pressure difference | |
JP5178093B2 (en) | Optical sensor | |
US20230102450A1 (en) | Optical fiber-based sensor module and strain sensor device comprising the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070406 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20090327 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090406 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120910 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130406 |