RU2308689C2 - Волоконно-оптический датчик давления - Google Patents
Волоконно-оптический датчик давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2308689C2 RU2308689C2 RU2005109814/28A RU2005109814A RU2308689C2 RU 2308689 C2 RU2308689 C2 RU 2308689C2 RU 2005109814/28 A RU2005109814/28 A RU 2005109814/28A RU 2005109814 A RU2005109814 A RU 2005109814A RU 2308689 C2 RU2308689 C2 RU 2308689C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- fiber
- optical
- additional
- fibers
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Сущность: датчик содержит корпус, прокладку, на которую опирается втулка, рабочий и дополнительный жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, общие торцы которых закреплены во втулке. Мембрана радиусом R с зеркальной поверхностью установлена относительно общего торца рабочего жгута с зазором x0. Общий торец дополнительного жгута расположен напротив зеркальной поверхности мембраны с зазором x0. Оптические оси подводящих и отводящих оптических волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих оптических волокон рабочего жгута соответственно на расстоянии А, определяемом выражением
где rc - радиус сердцевины оптического волокна, α - максимальный угол прогиба мембраны, W - максимальный прогиб центра мембраны, x0=dOB/2tgΘNA, где dOB - диаметр оптического волокна, ΘNA - апертурный угол оптического волокна. Технический результат изобретения заключается в уменьшении температурной погрешности, обусловленной изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей или измеряемой среды. 3 ил.
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения давлений в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники.
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 G01L 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).
Недостатком данных датчиков является высокая температурная погрешность, обусловленная изменением геометрических параметров датчика. Данный недостаток устранен в ВОДД, содержащем корпус, подводящие и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых с зазором установлена стаканообразная мембрана с зеркальной отражающей поверхностью, штуцер, выполненный за одно целое с мембраной, прокладку, общие торцы подводящих и отводящих оптических волокон закреплены во втулке, поверхность которой, обращенная к мембране, опирается на торцевую поверхность прокладки, другая торцевая поверхность прокладки опирается на штуцер, причем внутренние размеры прокладки больше внешних соответствующих размеров мембраны (заявка на изобретение №2003118757, МПК6 G01L 19/04. Волоконно-оптический датчик давления).
Недостатком этого датчика является 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.
Известно устройство, содержащее отражающую поверхность, источник и приемники излучения, жгут подводящих и отводящих оптических волокон, в котором указанный выше недостаток устранен за счет введения дополнительного жгута подводящих и отводящих оптических волокон (Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - с.93).
Недостаток этого устройства заключается в том, что если зеркальная поверхность расположена на мембране, то останется неисключенной температурная погрешность, обусловленная изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей или измеряемой среды.
Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в высокой точности измерения из-за влияния на результат измерения изменения геометрических и упругих параметров мембраны при изменении температуры окружающей и измеряемой среды.
Предлагается новая конструкция волоконно-оптического датчика отражательного типа, лишенная указанного недостатка.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом датчике давления, содержащем корпус, прокладку, на которую опирается втулка, рабочий и дополнительный жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, общие торцы которых закреплены во втулке, мембрану радиусом R с зеркальной поверхностью, установленную относительно общего торца рабочего жгута с зазором x0, общий торец дополнительного жгута подводящих и отводящих оптических волокон расположен напротив зеркальной поверхности мембраны с зазором х0, оптические оси подводящих и отводящих волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих волокон рабочего жгута соответственно на расстоянии А, определяемом выражением
где rс- радиус сердцевины оптического волокна,
α - максимальный угол прогиба мембраны,
где W- максимальный прогиб центра мембраны,
x0=dOB/2tgΘNA, (3)
где dOB - диаметр оптического волокна,
ΘNA - апертурный угол оптического волокна.
В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предполагаемым изобретением и обеспечивающим заявляемый технический результат.
Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.
На фигуре 1 приведена упрощенная конструкция предлагаемого датчика, на фигурах 2 и 3 - геометрические построения для определения конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя давления.
Датчик содержит рабочий жгут подводящих 1 и отводящих 2 оптических волокон, общий торец которых закреплен во втулке 3 на расстоянии x0, определяемом выражением (3), от отражающей поверхности мембраны 4, выполненной за одно целое со штуцером 5. Начальный зазор между мембраной и общим торцом рабочего жгута оптических волокон выставляется с помощью прокладки 6. Втулка 3 жестко закреплена посредством прокладки 6 и корпуса 7 относительно штуцера 5. Во втулке 3 на расстоянии x0 от отражающей поверхности мембраны 4, определяемом выражением (3), жестко закреплен общий торец дополнительного жгута подводящих 8 и отводящих 9 оптических волокон. Оптические оси подводящих и отводящих оптических волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих оптических волокон рабочего жгута на расстоянии А соответственно, определяемом выражением (1).
Датчик работает следующим образом.
Световой поток Ф0 от источника излучения ИИ 10 по подводящим оптическим волокнам ПОВ 1 и 8 направляется к отражающей поверхности мембраны 4. Под действием давления мембрана 4 прогибается. Интенсивность потоков, отраженных от нее и поступающих в отводящие оптические волокна OOB 2 и 9, изменяется.
В первом измерительном канале (в зоне рабочего жгута волокон) происходят следующие преобразования (фиг.2).
Лучи света от ПОВ 1 проходят путь Xi до зеркала и путь Хi в обратном направлении до OOB 2 под апертурным углом ΘNA к оптической оси OB. При этом в плоскости OOB 2 наблюдается освещенная кольцевая зона.
Так как площадь светового пятна SOTP1 на отражающей поверхности мембраны ничтожно мала в сравнении с площадью мембраны, то можно с достаточной точностью считать, что под действием давления Р центральная часть поверхности мембраны перемещается перпендикулярно оптической оси волоконно-оптического преобразователя давления.
Таким образом, под действием измеряемого давления Р зеркальная поверхность мембраны 4 прогибается на величину W и перемещается в направлении X. При этом изменяется положение кольцевой зоны относительно OOB 2 в направлении -Z1, которое ведет к изменению площади SПР1 приемного торца OOB 2, освещенной отраженным от зеркала световым потоком.
Таким образом, происходят следующие преобразования:
Во втором измерительном канале (в зоне дополнительного жгута волокон) происходят следующие преобразования (фиг.2 и 3).
Лучи света от ПОВ 8 проходят путь до зеркальной поверхности мембраны и путь в обратном направлении до OOB 9 под апертурным углом ΘNA к оптической оси OB. При этом в плоскости OOB 9 наблюдается освещенная кольцевая зона.
Под действием измеряемого давления Р зеркальная поверхность мембраны 4, расположенная вблизи защемления, прогибается на угол α. При этом изменяется положение освещенной кольцевой зоны относительно OOB 9 в направлении +Z2, которое ведет к изменению площади SПР2 приемного торца ООВ 9, освещенной отраженным от зеркала световым потоком.
Так как прогиб центральной части мембраны W небольшой и, соответственно, угол α ничтожно мал, то можно с достаточной точностью считать, что угол α определяется выражением (2).
Таким образом, происходят следующие преобразования:
Отраженный световой поток Ф1(P), изменяющийся в соответствии с законом изменения контролируемого давления Р, по отводящим оптическим волокнам 2 поступает на рабочий приемник излучения РПИ 11, где формируется электрический сигнал I1(Р). Отраженный световой поток Ф2(Р), изменяющийся в соответствии с законом изменения контролируемого давления Р, по отводящим оптическим волокнам 9 поступает на рабочий приемник излучения РПИ 12, где формируется электрический сигнал I2(P).
Электрические I1 и I2, поступают на вход блока преобразования информации (БПИ), где формируется разность сигналов I1(Р)-I2(Р).
При изменении температуры окружающей или измеряемой среды изменяются геометрические параметры мембраны: толщина h и радиус R, а также упругие свойства мембраны, что ведет к изменению модуля упругости материала мембраны Е. Для уменьшения температурной погрешности датчика, обусловленной перечисленными факторами повышения чувствительности преобразования, необходимо сформировать отношение разности сигналов I1(P) и I2(P) к их сумме: I1(P)-I1(P)/I1(P)+I2(P).
Данная операция позволяет также компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов.
Для того чтобы осуществлялось дифференциальное преобразование оптических сигналов необходимо, чтобы |-z1i|=|+z2i|.
Значения Z1 и Z2 находим из геометрических построений, приведенных на фигуре 3.
Рассмотрим ΔOPN и ΔOFL:
|ОР|=|PN| и |OF|=|FL|⇒ треугольники являются равносторонними, тогда:
|РК|=х0,; |FK'|=x0-W; |ON|=dOB-rc,; |OL|=dOB-rc-z1i.
Подставляя эти выражения в формулу (4), получим равенство:
откуда
Выразим нужные для расчета углы через α и ΘNA. Рассмотрим ΔRBA' и ΔRBS: так как A'B⊥BS и A'R⊥RS, RB - общая сторона, то в прямоугольном треугольнике ΔRA'S: ∠RA'S=90-α; ∠BSR=α; ∠RA'B=α.
Так как ∠RBS=90+ΘNA, то ∠BRS=90-ΘNA-α.
Рассмотрим ΔO'RQ: ∠O'RQ=δ;
где δ - угол между перпендикуляром к прогнутой мембране и падающим на мембрану лучом;
δ=180-(90-ΘNA)-(90-α)=ΘNA+α.
Рассмотрим ΔRQM: ∠RQM=ψ,
где ψ - угол между перпендикуляром к прогнутой мембране и горизонтальной плоскостью;
ψ=180-(90-α)=90+α.
Находим угол γ между отраженным лучом и горизонтальной плоскостью:
γ=180-δ-ψ=180-ΘNA-α-90-α=90-ΘNA-2α.
Рассмотрим ΔUEM: ∠UEM=λ,
где λ - угол между отраженными от мембраны лучами в крайних ее положениях;
λ=180-(90+ΘNA)-γ=180-90-ΘNA-90+ΘNA+2α=2α.
Рассмотрим ΔO'RM: ∠0'RM=2δ; ∠RO'M=90-Θ; ∠O'MR=γ;
где b - расстояние от края сердцевины оптического волокна до основания перпендикуляра опущенного на мембрану в отсутствие ее прогиба.
Подставляя последнее равенство в предыдущую формулу, получаем зависимость:
Из полученной формулы выражаем z2i подставляя значения углов δ и γ:
Выразим b через х0 и ΘNA:
Подставляя последнее равенство в формулу (6), получаем зависимость:
|RO'|=||O'B|-|RB|. (8)
Находим |O'B|:
Для дальнейших рассуждений удобно расстояние BS от защемления мембраны до точки падения луча на мембрану обозначить через m.
Находим m:
m=R-A-b-rc,
где А - расстояние между двумя парами волокон.
Подставляем значение b в полученное выражение, тогда:
m=R-A-(x0tgΘNA+rc). (10)
Находим |RB|. Рассмотрим ΔRBS и ΔARB:
Окончательно с учетом выражений (10) и (11):
Подставив в формулу (8) выражения (12) и (9), получим:
Подставляя равенство (12) в формулу (7), получаем зависимость:
Для нахождения расстояния А, при котором осуществляется дифференциальное преобразование сигналов, необходимо, чтобы |z1i|=|z2i|. Для этого приравниваем выражения (5) и (14):
получим
Для круглой мембраны
где μ - коэффициент Пуассона.
Тогда с учетом выражения (15) формула (14) примет вид:
Условие A<R выполняется при:
В качестве примера рассмотрим волоконно-оптический преобразователь давления с круглой мембраной и оптическими волокнами TXO.735.123ТУ с параметрами: диаметр оптического волокна dOB=500 мкм, dC=200 мкм, апертурный угол ΘNA=12°.
Проведем приближенные вычисления для указанного примера, приняв x0=930 мкм, получим:
930 мкм > 550 мкм.
Вывод: Условие выполняется, следовательно, существует такое расстояние А, при котором возможно дифференциальное изменение оптических сигналов в рабочем и дополнительном измерительных каналах.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий.
Предложенная конструкция датчика обеспечивает дифференциальную обработку оптических сигналов, которая позволяет существенно снизить температурную погрешность, обусловленную изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей или измеряемой среды. Кроме того, достигается более линейная функция преобразования, значительно снижается влияние на точность измерения неинформативных параметров внешней среды и изгибов волоконно-оптического кабеля, снижаются погрешности, обусловленные изменением мощности источников излучения.
При этом данное техническое решение не ведет к существенному усложнения конструктивного и схемного решения датчика, соответственно, не ведет к лишним материальным затратам.
Claims (1)
- Волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, прокладку, на которую опирается втулка, рабочий и дополнительный жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, общие торцы которых закреплены во втулке, мембрану радиусом R с зеркальной поверхностью, установленную относительно общего торца рабочего жгута с зазором x0, отличающийся тем, что общий торец дополнительного жгута подводящих и отводящих оптических волокон расположен напротив зеркальной поверхности мембраны с зазором х0, оптические оси подводящих и отводящих волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих волокон рабочего жгута соответственно на расстоянии А, определяемом выражениемгде rc - радиус сердцевины оптического волокна;α - максимальный угол прогиба мембраны,где W - максимальный прогиб центра мембраны;x0=dOB/2tgΘNA,где dOB - диаметр оптического волокна;ΘNA - апертурный угол оптического волокна.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005109814/28A RU2308689C2 (ru) | 2005-04-05 | 2005-04-05 | Волоконно-оптический датчик давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005109814/28A RU2308689C2 (ru) | 2005-04-05 | 2005-04-05 | Волоконно-оптический датчик давления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005109814A RU2005109814A (ru) | 2006-09-10 |
RU2308689C2 true RU2308689C2 (ru) | 2007-10-20 |
Family
ID=37112699
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005109814/28A RU2308689C2 (ru) | 2005-04-05 | 2005-04-05 | Волоконно-оптический датчик давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2308689C2 (ru) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2547896C1 (ru) * | 2013-11-26 | 2015-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Оптический детектор разности давлений |
RU2567176C2 (ru) * | 2013-01-17 | 2015-11-10 | Общество с ограниченной ответственностью "НИИВТ-Русичи-Фарма" | Дифференциальный волоконно-оптический датчик разности давления |
RU2574227C1 (ru) * | 2014-11-12 | 2016-02-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик давления |
RU2610224C1 (ru) * | 2015-10-07 | 2017-02-08 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Гидроакустический волоконно-оптический датчик давления |
RU2664684C1 (ru) * | 2017-09-04 | 2018-08-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик давления |
RU2670220C1 (ru) * | 2017-11-14 | 2018-10-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Датчик вибраций |
-
2005
- 2005-04-05 RU RU2005109814/28A patent/RU2308689C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2567176C2 (ru) * | 2013-01-17 | 2015-11-10 | Общество с ограниченной ответственностью "НИИВТ-Русичи-Фарма" | Дифференциальный волоконно-оптический датчик разности давления |
RU2547896C1 (ru) * | 2013-11-26 | 2015-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Оптический детектор разности давлений |
RU2574227C1 (ru) * | 2014-11-12 | 2016-02-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик давления |
RU2610224C1 (ru) * | 2015-10-07 | 2017-02-08 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Гидроакустический волоконно-оптический датчик давления |
RU2664684C1 (ru) * | 2017-09-04 | 2018-08-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик давления |
RU2670220C1 (ru) * | 2017-11-14 | 2018-10-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Датчик вибраций |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005109814A (ru) | 2006-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8322919B2 (en) | Miniature fiber optic temperature sensor with edge reflector | |
US20200318949A1 (en) | Displacement sensor for frequency modulation continuous wave laser interference optical fiber and displacement detection method therefor | |
JPS6147369B2 (ru) | ||
RU2308689C2 (ru) | Волоконно-оптический датчик давления | |
CN107894208B (zh) | 光谱共焦距离传感器 | |
CN102213675A (zh) | 角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头 | |
US9797922B2 (en) | Scanning probe microscope head design | |
US4674900A (en) | Optoelectromechanical apparatus for measuring physical parameters, especially pressure or force | |
US9366695B2 (en) | Scanning probe microscope head design | |
US5812251A (en) | Electro-optic strain gages and transducer | |
US20170307437A1 (en) | Opto-mechanical transducer for the detection of vibrations | |
CN110617901A (zh) | 一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器及制备方法和温度传感系统 | |
RU2290605C1 (ru) | Волоконно-оптический преобразователь перемещений | |
RU2308772C2 (ru) | Волоконно-оптический преобразователь перемещения | |
CN105393106B (zh) | 用于测量样品的散射的设备 | |
JP2013221807A (ja) | 光ファイバ歪みセンサおよび光ファイバ温度センサ | |
RU2544885C1 (ru) | Микро-опто-электромеханический датчик угловой скорости | |
JPS6011103A (ja) | 遠隔計測装置 | |
WO2020125305A1 (zh) | 一种基于闪耀光栅和光纤光栅的光纤温振串联一体传感器 | |
JPS63286732A (ja) | ファイバ−オプティクス圧力変換器 | |
RU2547896C1 (ru) | Оптический детектор разности давлений | |
US20120314200A1 (en) | Coupled multi-wavelength confocal systems for distance measurements | |
RU199237U1 (ru) | Волоконно-оптический датчик давления | |
RU2741276C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик параметров жидкостных и воздушных потоков | |
CN110081980A (zh) | 一种光纤干涉光谱仪装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080406 |