RU2474798C2 - Fibre-optic pressure sensor - Google Patents

Fibre-optic pressure sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2474798C2
RU2474798C2 RU2011103620/28A RU2011103620A RU2474798C2 RU 2474798 C2 RU2474798 C2 RU 2474798C2 RU 2011103620/28 A RU2011103620/28 A RU 2011103620/28A RU 2011103620 A RU2011103620 A RU 2011103620A RU 2474798 C2 RU2474798 C2 RU 2474798C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
cavities
diaphragm
cavity
optical fibers
Prior art date
Application number
RU2011103620/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011103620A (en
Original Assignee
Мурашкина Татьяна Ивановна
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Мурашкина Татьяна Ивановна filed Critical Мурашкина Татьяна Ивановна
Priority to RU2011103620/28A priority Critical patent/RU2474798C2/en
Publication of RU2011103620A publication Critical patent/RU2011103620A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2474798C2 publication Critical patent/RU2474798C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: fibre-optic pressure sensor has a diaphragm unit which includes a diaphragm and its supporting component, a connecting piece, an optical fibre unit in which like ends of input and output optical fibres which are cut at a certain angle lie in a bushing on a triangle-shaped component and are pressed by a cover, and the other ends of the optical fibres are mated with a radiation source and a radiation receiver. The supporting component has at least two cavities linked by a hole with a smaller diameter than the diameter of the cavities, wherein the height H of the cavity in which the diaphragm is rigidly fixed is defined by the expression: H=hd+λ, where hd is the diaphragm thickness; λ is the wavelength of light flux. The connecting piece has three cavities. In the smaller cavity at a circular protrusion, there is a diaphragm unit on which an optical fibre unit, which is mounted in the new housing, is fitted in the second cavity. The connecting piece and the housing are rigidly connected to each other.
EFFECT: high accuracy of measuring pressure in conditions of varying ambient temperature.
4 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при конструировании и в процессе сборки волоконно-оптических датчиков давления на основе оптического туннельного эффекта в различных отраслях народного хозяйства. Предлагаемый датчик может быть использован для измерения больших давлений в условиях изменения температуры окружающей среды в диапазоне ±100°С на изделиях ракетно-космической техники (и предположительно от минус 100 до +500°С в других отраслях).The invention relates to instrumentation and can be used in the design and during the assembly of fiber-optic pressure sensors based on the optical tunnel effect in various sectors of the economy. The proposed sensor can be used to measure high pressures under conditions of changing ambient temperature in the range of ± 100 ° C on products of rocket and space technology (and presumably from minus 100 to + 500 ° C in other industries).

Известны волоконно-оптические датчики давления (ВОДД), содержащие световодные жгуты, общие торцы которых установлены 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 [1. Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - с.11-12; 2. Авдошин Е.С. Волоконная оптика в военной технике США // Зарубежная электроника, 1989. - №11. - с.98-99; 3. А.с. 1631329 G01L 11/00. Датчик давления; 4. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - с.40-41].Known fiber optic pressure sensors (VODD), containing fiber optic bundles, the common ends of which are 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 [1. Zhilin V.G. Fiber optic measuring transducers of speed and pressure. - M .: Energoatomizdat, 1987. - p.11-12; 2. Avdoshin E.S. Fiber optics in US military equipment // Foreign Electronics, 1989. - No. 11. - p. 98-99; 3. A.S. 1631329 G01L 11/00. Pressure meter; 4. Busurin V.I., Nosov Yu.R. Fiber Optic Sensors: Physical Basics, Calculation and Application Issues. - M .: Energoatomizdat, 1990. - p.40-41].

Недостатком таких датчиков является высокая температурная погрешность, обусловленная изменением геометрических параметров датчика. В частности, изменение начального расстояния между мембраной и торцом оптических волокон, обусловленное изменением температуры окружающей среды, ведет к возникновению температурной погрешности. Существенную долю в данную погрешность в датчиках давления вносит мембрана, что объясняется изменением ее геометрических размеров и модуля упругости материала мембраны. Кроме того, ВОДД отражательного типа имеют низкую чувствительность преобразования и малую глубину модуляции оптического сигнала в связи с потерями в зоне измерения из-за расхождения светового потока в пределах апертурного угла оптического волокна.The disadvantage of such sensors is the high temperature error due to a change in the geometric parameters of the sensor. In particular, a change in the initial distance between the membrane and the end of the optical fibers due to a change in ambient temperature leads to a temperature error. A significant share in this error in pressure sensors is made by the membrane, which is explained by a change in its geometric dimensions and the elastic modulus of the membrane material. In addition, reflective-type EDFs have a low conversion sensitivity and a small modulation depth of the optical signal due to losses in the measurement zone due to the divergence of the light flux within the aperture angle of the optical fiber.

Известен волоконно-оптический датчик давления на основе оптического туннельного эффекта, в котором перечисленные недостатки вышеуказанных датчиков практически исключены [Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - с.188]. Датчик содержит подводящий и отводящий оптические волокна, оптическую призму, на которую нанесена кольцевая прокладка толщиной, приблизительно равной длине волны источника излучения, мембрану, воспринимающую измеряемое давление и перемещающуюся под действием давления относительно гипотенузной грани призмы.Known fiber-optic pressure sensor based on the optical tunnel effect, in which the listed disadvantages of the above sensors are practically eliminated [Busurin V.I., Nosov Yu.R. Fiber Optic Sensors: Physical Basics, Calculation and Application Issues. - M .: Energoatomizdat, 1990. - p.188]. The sensor contains optical fiber inlet and outlet, an optical prism, on which an annular gasket is applied, with a thickness approximately equal to the wavelength of the radiation source, a membrane that accepts the measured pressure and moves under pressure relative to the hypotenuse face of the prism.

Особо привлекательна в этом датчике возможность использования в качестве мембраны кварцевой пластины малых габаритов (радиус мембраны при измерении давления в диапазоне 0…300 кгс/см2 составит приблизительно 4…5 мм). Такое конструктивное решение позволяет снизить погрешность, обусловленную изменением конструктивных параметров датчика при изменении температуры окружающей среды. Использование кварцевого стекла позволяет свести данную составляющую погрешности до минимума. Так, например, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кварцевого стекла марки С5-1 составляет 5-10-7 1/°С, и при изменении температуры в диапазоне от минус 100 до +500°С относительное расширение материала составит приблизительно 0,0025%, изменение модуля Юнга приведет к дополнительной погрешности, не превышающей в данном диапазоне температур 1%.Particularly attractive in this sensor is the possibility of using a small size quartz plate as a membrane (the radius of the membrane when measuring pressure in the range 0 ... 300 kgf / cm 2 will be approximately 4 ... 5 mm). Such a constructive solution allows to reduce the error due to a change in the design parameters of the sensor when the ambient temperature changes. The use of quartz glass allows to reduce this error component to a minimum. So, for example, the temperature coefficient of linear expansion (TEC) of C5-1 grade silica glass is 5-10 -7 1 / ° С, and when the temperature changes in the range from minus 100 to + 500 ° С, the relative expansion of the material will be approximately 0.0025 %, a change in Young's modulus will lead to an additional error not exceeding 1% in this temperature range.

Однако известный ВОДД на основе туннельного эффекта имеет ряд недостатков: конструкция датчика не приспособлена к работе в жестких условиях ракетно-космической техники и не технологична:However, the well-known VODD based on the tunnel effect has a number of disadvantages: the sensor design is not adapted to work in harsh conditions of rocket and space technology and is not technological:

во-первых, конструкция негерметична (технологически трудно обеспечить герметичность узла "призма-мембрана");firstly, the design is leaky (it is technologically difficult to ensure the tightness of the prism-membrane assembly);

во-вторых, узел стыковки ОВ с призмой достаточно сложный: в качестве основного оптического элемента (световода) используется прямоугольная призма, в основании которой лежит прямоугольный треугольник, поэтому для обеспечения угла падения света на отражающую поверхность, роль которой выполняет гипотенузная грань призмы, отличного от 45 градусов, необходимо призму дорабатывать (чтобы обеспечить необходимую чувствительность преобразования, необходимо достаточно точно до долей градуса выдерживать требуемый угол - чаще всего это угол 47 градусов). При доработке должны использоваться сложная дорогостоящая технологическая оснастка и специальное измерительное оборудование, что значительно удорожает процесс изготовления датчика;secondly, the interface between the OB and the prism is rather complicated: a rectangular prism is used as the main optical element (fiber), a rectangular triangle is at the base, therefore, to ensure the angle of incidence of light on the reflective surface, the role of which is the hypotenuse face of the prism, which is different from 45 degrees, it is necessary to modify the prism (in order to provide the necessary conversion sensitivity, it is necessary to accurately maintain the required angle to fractions of a degree - most often it is an angle of 47 degrees mustache). When finalizing, sophisticated expensive technological equipment and special measuring equipment should be used, which significantly increases the cost of the sensor manufacturing process;

в-третьих, необходимо точно установить торцы подводящих и отводящих оптических волокон относительно призмы;thirdly, it is necessary to accurately establish the ends of the inlet and outlet optical fibers relative to the prism;

в-четвертых, если датчик будет эксплуатироваться при воздействии вибраций, ударов и т.п., необходимо обеспечить надежный контакт между торцами оптических волокон и гранями призмы. Известная конструкция этого не обеспечивает.fourthly, if the sensor will be operated under the influence of vibrations, shock, etc., it is necessary to ensure reliable contact between the ends of the optical fibers and the faces of the prism. The known design does not provide this.

Данные недостатки устранены в наиболее близком по технической сущности к предлагаемому изобретению ВОДД, содержащем подводящие и отводящие оптические волокна, мембрану, кольцевую прокладку, деталь треугольной формы [Пат. 2253850 РФ, МПК6 G01L 11/02, 19/04. ВОДД/ Е.А.Бадеева, А.В.Гориш, Т.И.Мурашкина, А.Г.Пивкин; опубл. 10.06.2005. Бюл. №16].These disadvantages are eliminated in the closest in technical essence to the proposed invention VODD containing the inlet and outlet optical fibers, a membrane, an annular gasket, a part of a triangular shape [Pat. 2253850 RF, IPC 6 G01L 11/02, 19/04. VODD / E.A. Badeeva, A.V. Gorish, T.I. Murashkina, A.G. Pivkin; publ. 06/10/2005. Bull. No. 16].

Однако датчик-прототип на основе туннельного эффекта имеет ряд недостатков:However, the prototype sensor based on the tunnel effect has several disadvantages:

- чтобы получить зазор между мембраной и торцом подводящих и оптических волокон, равный длине волны оптического излучения (для обеспечения туннельного эффекта), необходим сложный процесс напыления металлической прокладки на кварцевую мембрану, трудно поддающийся контролю;- in order to obtain a gap between the membrane and the end face of the supply and optical fibers equal to the wavelength of the optical radiation (to ensure the tunneling effect), a complex process of deposition of a metal strip on a quartz membrane, which is difficult to control, is necessary;

- при соединении отдельных элементов датчика между собой, например, с помощью сварки возможен процесс сдавливания этой прокладки и, соответственно, требуемый зазор не будет обеспечен, соответственно, не будет достигнут требуемый уровень оптического сигнала для функционирования датчика;- when connecting the individual elements of the sensor to each other, for example, by welding, the process of squeezing this gasket is possible and, accordingly, the required clearance will not be ensured, respectively, the required level of the optical signal for the functioning of the sensor will not be achieved;

- при сборке может возникнуть непараллельность двух поверхностей: поверхности мембраны и торцевой поверхности оптических волокон, обращенной к мембране, что резко снижает чувствительность преобразования оптического сигнала;- during assembly, the non-parallelism of two surfaces may occur: the surface of the membrane and the end surface of the optical fibers facing the membrane, which sharply reduces the sensitivity of the conversion of the optical signal;

- требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.- requires complex technological and measuring operations in the manufacture.

В конечном счете, требуемые метрологические характеристики датчика также не будут достигнуты.Ultimately, the required metrological characteristics of the sensor will also not be achieved.

Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в технологичности конструкции и высокой точности датчика. Предлагается новая конструкция ВОДД на туннельном эффекте, лишенная перечисленных выше недостатков, и процесс изготовления предложенного датчика.Thus, the prototype does not achieve a technical result, expressed in the manufacturability of the design and high accuracy of the sensor. A new design of the VODD on the tunnel effect, devoid of the above disadvantages, and the manufacturing process of the proposed sensor are proposed.

Указанный технический результат достигается тем, что в ВОДД, содержащем мембранный блок, в который входят мембрана и несущая ее деталь, щтуцер, блок оптических волокон, в котором одни, срезанные под некоторым углом концы подводящих и отводящих оптических волокон расположены во втулке на детали треугольной формы и прижаты крышкой, а другие концы оптических волокон подстыковываются к источнику излучения и приемнику излучения, новым является то, что несущая деталь имеет минимум две полости, соединенные отверстием меньшим диаметром, чем диаметры полостей, причем высота Н полости, в которой жестко закреплена мембрана, определяется выражением:The specified technical result is achieved by the fact that in the VODD containing the membrane unit, which includes the membrane and the component supporting it, a fitting, an optical fiber unit, in which one ends of the input and output optical fibers cut at a certain angle are located in a sleeve on a triangular-shaped part and pressed against the lid, and the other ends of the optical fibers are docked to the radiation source and radiation receiver, new is that the supporting part has at least two cavities connected by an opening with a smaller diameter than the diameter etry cavities, wherein the height H of the cavity, wherein the diaphragm is rigidly attached, is given by:

Figure 00000001
Figure 00000001

где hМ - толщина мембраны;where h M is the thickness of the membrane;

λ - длина волны светового потока,λ is the wavelength of the light flux,

штуцер имеет три полости, причем в полость меньшего размера на кольцевой выступ установлен мембранный блок, на который устанавливается во вторую полость блок оптических волокон, закрепленный во вновь введенный корпус, внутренний размер которого равен внешним размерам блока оптических волокон, причем штуцер и корпус между собой жестко соединены.the nozzle has three cavities, and a membrane block is mounted on the annular protrusion in the smaller cavity, onto which the optical fiber block is mounted in the second cavity, fixed to the newly introduced housing, the inner size of which is equal to the external dimensions of the optical fiber block, the nozzle and the housing being rigidly between each other connected.

Таким образом, предполагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся модернизированным (новым), промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.Thus, the alleged invention is a technical solution to the problem, which is a modernized (new), industrially applicable and inventive step, i.e. the present invention meets the criteria of patentability.

На фигуре 1 приведена конструкция предлагаемого датчика, на фигурах 2, 3, 4 - этапы изготовления измерительного преобразователя волоконно-оптического датчика давления на основе туннельного эффекта, на фигуре 2а - формирование скошенных торцов оптических волокон, на фигуре 2б - крепление оптических волокон в металлической втулке, на фигуре 3а - размещение оптических волокон на "подушке", на фигуре 3б - крепление оптических волокон на "подушке" с помощью крышки и сварки, на фигуре 3в - полировка оптических волокон, на фигуре 4 - мембранный блок.Figure 1 shows the design of the proposed sensor, in figures 2, 3, 4 - stages of manufacturing a measuring transducer of an optical fiber pressure sensor based on the tunnel effect, in figure 2a - the formation of the beveled ends of the optical fibers, in figure 2b - mounting of optical fibers in a metal sleeve , in figure 3a - the placement of optical fibers on the "cushion", in figure 3b - fastening of the optical fibers on the "cushion" using a lid and welding, in figure 3c - polishing of the optical fibers, in figure 4 - membrane unit.

Датчик содержит мембранный блок 1, в который входит мембрана 2 и несущая ее деталь 3, блок оптических волокон 4, где расположены подводящие оптические волокна (ПОВ) 5 и отводящие оптические волокна (ООВ) 6, деталь треугольной формы 7 («подушка»), крышка 8, втулка 9, штуцер 10 и корпус 11, соединенные сваркой 12 (фиг.1).The sensor contains a membrane unit 1, which includes a membrane 2 and its supporting part 3, an optical fiber block 4, where the inlet optical fibers (OWF) 5 and the outgoing optical fibers (OOW) 6 are located, a triangular shape part 7 (“pillow”), cover 8, sleeve 9, fitting 10 and housing 11 connected by welding 12 (Fig. 1).

Одни концы ПОВ 5 и ООВ 6, расположенные в зоне измерения, срезаны под некоторым углом Θ, определяемым выражениемSome ends of POV 5 and OOB 6 located in the measurement zone are cut off at an angle Θ defined by the expression

Figure 00000002
Figure 00000002

где n1, n2, n3 - коэффициенты преломления сердцевины оптического волокна, среды между мембраной и оптическими волокнами, мембраны соответственно,where n 1 , n 2 , n 3 are the refractive indices of the core of the optical fiber, the medium between the membrane and the optical fibers, membranes, respectively,

пропущены через втулку, уложены на детали треугольной формы 7 и прижаты крышкой 8. Другие концы ПОВ 5 и ООВ 6 подстыковываются к источнику излучения (ИИ) 13 и приемнику излучения (ПИ) 14 соответственно. "Подушка" 7 представляет собой деталь треугольной формы с углом при вершине, равным 2θ, с углублением, повторяющим форму оптического волокна, соответственно глубина и ширина углубления соответствуют внешним размерам оптического волокна. Длина основания треугольника в сечении А-А равна b-dOB. Для исключения поломов оптических волокон угол при вершине закруглен, причем расчетный радиус округления поверхности углубления, на которую укладывается оптическое волокно, определяется выражением (3)passed through the sleeve, laid on the parts of a triangular shape 7 and pressed against the cover 8. The other ends of the POV 5 and OOB 6 are connected to the radiation source (AI) 13 and the radiation receiver (PI) 14, respectively. "Pillow" 7 is a part of a triangular shape with an apex angle of 2θ, with a recess that follows the shape of the optical fiber, respectively, the depth and width of the recess correspond to the external dimensions of the optical fiber. The length of the base of the triangle in section AA is equal to bd OB . To eliminate optical fiber breakdowns, the angle at the apex is rounded, and the estimated radius of rounding of the surface of the recess on which the optical fiber is laid is determined by the expression (3)

Figure 00000003
Figure 00000003

Несущая деталь 3 имеет минимум две полости (в приведенном на фиг.4 примере - три полости), соединенные отверстием меньшим диаметром, чем диаметры полостей, причем высота Н полости, в которой жестко закреплена мембрана 2, определяется выражением (1).The supporting part 3 has at least two cavities (in the example shown in FIG. 4, three cavities) connected by an opening with a smaller diameter than the diameters of the cavities, the height H of the cavity in which the membrane 2 is rigidly fixed is determined by the expression (1).

Штуцер 10 имеет три полости. С помощью резьбовой части штуцера датчик закрепляется на объекте, и через нее подается среда, давление которой необходимо измерить. В полость меньшего размера на кольцевой выступ установлен мембранный блок 1 таким образом, чтобы мембрана 2 была обращена к блоку оптических волокон 4. Мембранный блок 1 прижимается блоком оптических волокон 4, закрепленным в корпусе 11. Внутренние размеры корпуса 11 равны внешним размерам блока оптических волокон 4. Для обеспечения жесткости и герметичности конструкции штуцер 10 и корпус 11 между собой жестко соединены сваркой 12, а внутренняя полость корпуса 11 залита герметиком 15.The fitting 10 has three cavities. Using the threaded part of the fitting, the sensor is fixed on the object, and through it a medium is supplied, the pressure of which must be measured. In the smaller cavity, a membrane unit 1 is mounted on the annular protrusion so that the membrane 2 faces the optical fiber unit 4. The membrane unit 1 is pressed by the optical fiber unit 4 fixed in the housing 11. The internal dimensions of the housing 11 are equal to the external dimensions of the optical fiber 4 To ensure rigidity and tightness of the structure, the nozzle 10 and the housing 11 are rigidly connected by welding 12, and the internal cavity of the housing 11 is filled with sealant 15.

Для обеспечения туннельного эффекта зазор между мембраной 2 и полированной поверхностью оптических волокон 5 и 6 должен быть примерно равным длине оптического излучения ИИ 13, то есть λ. Соответственно размеры мембраны выбираются таким образом, чтобы прогиб ее под действием давления был меньше длины волны. Например, если используется инфоракрасное излучение на длине волны 0,85 мкм, то зазор должен быть примерно равным 1 мкм, а прогиб мембраны не должен превышать этого значения.To ensure the tunneling effect, the gap between the membrane 2 and the polished surface of the optical fibers 5 and 6 should be approximately equal to the length of the optical radiation AI 13, that is, λ. Accordingly, the dimensions of the membrane are selected so that its deflection under pressure is less than the wavelength. For example, if infrared radiation is used at a wavelength of 0.85 μm, the gap should be approximately equal to 1 μm, and the deflection of the membrane should not exceed this value.

Необходимый зазор h задается высотой Н полости, в которой закреплена мембрана 2, и высотой hМ мембраны 2 в несущей детали, причем высота углубления определяется выражением (1) и при необходимости доводится до требуемого значения с помощью полировки.The required clearance h is set by the height H of the cavity in which the membrane 2 is fixed, and the height h M of the membrane 2 in the supporting part, the height of the recess being determined by expression (1) and, if necessary, brought to the desired value by polishing.

Датчик работает следующим образом (см. фиг.1).The sensor operates as follows (see figure 1).

От источника излучения ИИ 13 световой поток Ф0 по ПОВ 5 направляется в сторону мембраны 2 под углом Θ, значение которого задается формой и размерами "подушки" 7, и выбирается из условия обеспечения максимальной чувствительности преобразования и глубины модуляции оптического сигнала из выражения (2) [Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990].From the radiation source AI 13, the light flux Ф 0 along the POV 5 is directed toward the membrane 2 at an angle Θ, the value of which is determined by the shape and dimensions of the “cushion” 7, and is selected from the condition for ensuring the maximum conversion sensitivity and the modulation depth of the optical signal from expression (2) [Busurin V.I., Nosov Yu.R. Fiber optic sensors: Physical fundamentals, calculation and application issues. - M .: Energoatomizdat, 1990].

Под действием контролируемого давления Р мембрана 2 прогибается, и в центральной части зазор между мембраной и рабочими торцами оптических волокон будет меньше первоначального значения Х0. В результате этого изменяется отражательная способность для электромагнитных волн в области срезанных торцов оптических волокон, соответственно изменяется интенсивность отраженного под углом Θ от данной области светового потока Ф(Р), несущего информацию об измеряемом давлении Р и поступающего по ООВ 6 на ПИ 14. Приемник излучения ПИ 14 преобразует оптический сигнал в электрический.Under the influence of the controlled pressure P, the membrane 2 bends, and in the central part the gap between the membrane and the working ends of the optical fibers will be less than the initial value X 0 . As a result of this, the reflectivity for electromagnetic waves in the region of the cut ends of the optical fibers changes; accordingly, the intensity of the light flux Ф (Р) reflected at an angle Θ from this region, which carries information about the measured pressure P and arrives via OOV 6 to PI 14, changes accordingly. PI 14 converts the optical signal into an electrical one.

Рассмотрим основные этапы процесса сборки данного датчика (см. фиг.2, 3, 4):Consider the main stages of the assembly process of this sensor (see figure 2, 3, 4):

1. Сборка блока оптических волокон 4.1. Assembly of the block of optical fibers 4.

1.1. Оптические волокна 5 и 6 временно неподвижно закрепляются в металлические наконечники 16 (фиг.2).1.1. Optical fibers 5 and 6 are temporarily motionless fixed in metal lugs 16 (figure 2).

1.2. Оптические волокна, закрепленные в наконечниках 16, срезаются под углом Θ и полируются по сечению А-А, после этого наконечники 16 удаляются (фиг.2а).1.2. The optical fibers fixed in the tips 16 are cut off at an angle Θ and polished along section AA, after which the tips 16 are removed (Fig. 2a).

1.3. Концы двух оптических волокон 5 и 6, у которых рабочие торцы срезаны под углом Θ, вклеиваются в металлическую втулку 9 из стали 29НК на расстоянии b относительно друг друга таким образом, чтобы свободные концы волокон выступали над поверхностью пластины на высоту l, определяемую из выражения (4)1.3. The ends of two optical fibers 5 and 6, in which the working ends are cut at an angle Θ, are glued into a metal sleeve 9 of 29NK steel at a distance b relative to each other so that the free ends of the fibers protrude above the plate surface to a height l, determined from the expression ( four)

Figure 00000004
Figure 00000004

1.4. Оптические волокна 5 и 6 укладываются на "подушку" 7 под радиусом1.4. Optical fibers 5 and 6 are stacked on a “pillow” 7 under a radius

Figure 00000005
Figure 00000005

Для обеспечения точной сборки целесообразно, чтобы допуск на размер R был положительным. Это позволит в случае необходимости довести его до требуемого значения (фиг.3а).To ensure accurate assembly, it is advisable that the tolerance on the dimension R is positive. This will allow, if necessary, bring it to the desired value (figa).

1.5. Чтобы оптические волокна лежали на "подушке" 7, они к ней сверху прижимаются металлической крышкой 8, которая с помощью сварки 17 скрепляется со втулкой 9. Крышка 8 по центру имеет сквозное отверстие шириной, равной диаметру оптического волокна, и длиной а=2HtgΘ, где H≈dOB. Свободное пространство под крышкой заполняется клеящим составом, например ситаллоцементом 18 (фиг.3б).1.5. In order for the optical fibers to lie on the “cushion” 7, they are pressed against it from above by a metal cover 8, which, by welding 17, is fastened to the sleeve 9. The cover 8 in the center has a through hole with a width equal to the diameter of the optical fiber and a length of a = 2HtgΘ, where H≈d OB . The free space under the lid is filled with an adhesive, for example, ceramic cement 18 (figb).

1.6. Часть оптических волокон, которая оказалась выше крышки на величину Н, срезается вдоль поверхности Б-Б и полируется (фиг.3б).1.6. Part of the optical fibers, which turned out to be higher than the lid by the value of H, is cut along the surface BB and polished (figb).

2. Сборка мембранного блока 1 (фиг.4).2. Assembly of the membrane unit 1 (figure 4).

2.1. Мембрана жестко закрепляется в мембранном блоке с помощью ситаллоцемента 19.2.1. The membrane is rigidly fixed in the membrane block using sintered cement 19.

2.2. Необходимый зазор h задается высотой Н полости, в которой закреплена мембрана 2, и высотой hМ мембраны 2 в несущей детали, причем высота углубления определяется выражением (1) и при необходимости доводится до требуемого значения с помощью полировки.2.2. The required clearance h is set by the height H of the cavity in which the membrane 2 is fixed, and the height h M of the membrane 2 in the supporting part, the height of the recess being determined by expression (1) and, if necessary, brought to the desired value by polishing.

3. Сборка волоконно-оптического датчика давления.3. Assembly of the fiber optic pressure sensor.

3.1. Мембранный блок 1 вставляется в штуцер 10, а блок оптических волокон 4 устанавливается в корпусе 11.3.1. The membrane unit 1 is inserted into the nozzle 10, and the optical fiber unit 4 is installed in the housing 11.

3.2. Штуцер 10 и корпус 11 между собой жестко соединяются с помощью импульсной сварки 12 таким образом, чтобы совпали их оси симметрии.3.2. The fitting 10 and the housing 11 are rigidly connected to each other by pulsed welding 12 so that their axis of symmetry coincides.

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.The technical result of the invention is as follows.

В предлагаемой конструкции исключены сложные технологические сборочные операции.The proposed design excludes complex technological assembly operations.

Предложенная новая конструкция волоконно-оптического датчика давления на туннельном эффекте работоспособна в жестких условиях ракетно-космической техники и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.The proposed new design of the fiber-optic pressure sensor based on the tunneling effect is operable under the harsh conditions of rocket and space technology and does not require complex technological and measuring operations during manufacturing.

Такая конструкция датчика обеспечивает более высокую точность измерения давления в условиях изменения температуры окружающей среды. Одновременно данное техническое решение не требует существенного усложнения конструктивного и схемного решения датчика, соответственно, не ведет к лишним материальным затратам.This design of the sensor provides higher accuracy of pressure measurement in conditions of changing ambient temperature. At the same time, this technical solution does not require significant complication of the structural and circuit design of the sensor, respectively, and does not lead to unnecessary material costs.

Claims (1)

Волоконно-оптический датчик давления, содержащий мембранный блок, в который входят мембрана и несущая ее деталь, штуцер, блок оптических волокон, в котором одни срезанные под некоторым углом концы подводящих и отводящих оптических волокон расположены во втулке на детали треугольной формы и прижаты крышкой, а другие концы оптических волокон подстыковываются к источнику излучения и приемнику излучения, отличающийся тем, что несущая деталь имеет минимум две полости, соединенные отверстием, меньшим диаметром, чем диаметры полостей, причем высота Н полости, в которой жестко закреплена мембрана, определяется выражением:
Н=hМ+λ,
где hМ - толщина мембраны;
λ - длина волны светового потока,
штуцер имеет три полости, причем в полость меньшего размера на кольцевой выступ установлен мембранный блок, на который устанавливается во вторую полость блок оптических волокон, закрепленный во вновь введенный корпус, внутренний размер которого равен внешним размерам блока оптических волокон, причем штуцер и корпус между собой жестко соединены.
Fiber-optic pressure sensor containing a membrane unit, which includes a membrane and a component carrying it, a fitting, an optical fiber unit, in which one ends of the input and output optical fibers cut at a certain angle are located in the sleeve on a triangular shape and are pressed by a cover, and the other ends of the optical fibers are connected to the radiation source and the radiation receiver, characterized in that the supporting part has at least two cavities connected by an opening smaller in diameter than the diameters of the cavities, H Height of the cavity, wherein the diaphragm is rigidly attached, is given by:
H = h M + λ,
where h M is the thickness of the membrane;
λ is the wavelength of the light flux,
the nozzle has three cavities, and a membrane block is mounted on the annular protrusion in the smaller cavity, onto which the optical fiber block is mounted, mounted in the newly introduced housing, the inner size of which is equal to the external dimensions of the optical fiber block, the nozzle and the housing being rigidly between each other connected.
RU2011103620/28A 2011-02-01 2011-02-01 Fibre-optic pressure sensor RU2474798C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011103620/28A RU2474798C2 (en) 2011-02-01 2011-02-01 Fibre-optic pressure sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011103620/28A RU2474798C2 (en) 2011-02-01 2011-02-01 Fibre-optic pressure sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011103620A RU2011103620A (en) 2012-08-10
RU2474798C2 true RU2474798C2 (en) 2013-02-10

Family

ID=46849288

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011103620/28A RU2474798C2 (en) 2011-02-01 2011-02-01 Fibre-optic pressure sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2474798C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU206351U1 (en) * 2021-02-01 2021-09-07 Елена Александровна Бадеева FIBER OPTICAL SENSOR TEST PATTERN

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2113697C1 (en) * 1997-05-29 1998-06-20 Фирма "Газприборавтоматика" Optical pressure gauge
EP0990126A1 (en) * 1997-07-16 2000-04-05 Canadian Space Agency Pressure sensor
RU2253850C2 (en) * 2003-06-23 2005-06-10 Открытое акционерное общество НИИ вычислительной техники Fiber-optic pressure transducer
US20060062510A1 (en) * 2004-09-09 2006-03-23 Petroleo Brasileiro S.A.- Petrobras Fiber optics differential pressure transducer
RU2290605C1 (en) * 2005-04-05 2006-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "НИИВТ-Русичи-Фарма" Fiber-optic converter of movements
RU2308772C2 (en) * 2005-10-04 2007-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "НИИВТ-Русичи-Фарма" Fiber-optic movement converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2113697C1 (en) * 1997-05-29 1998-06-20 Фирма "Газприборавтоматика" Optical pressure gauge
EP0990126A1 (en) * 1997-07-16 2000-04-05 Canadian Space Agency Pressure sensor
RU2253850C2 (en) * 2003-06-23 2005-06-10 Открытое акционерное общество НИИ вычислительной техники Fiber-optic pressure transducer
US20060062510A1 (en) * 2004-09-09 2006-03-23 Petroleo Brasileiro S.A.- Petrobras Fiber optics differential pressure transducer
RU2290605C1 (en) * 2005-04-05 2006-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "НИИВТ-Русичи-Фарма" Fiber-optic converter of movements
RU2308772C2 (en) * 2005-10-04 2007-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "НИИВТ-Русичи-Фарма" Fiber-optic movement converter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU206351U1 (en) * 2021-02-01 2021-09-07 Елена Александровна Бадеева FIBER OPTICAL SENSOR TEST PATTERN

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011103620A (en) 2012-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Diaz et al. Optical fiber sensing for sub-millimeter liquid-level monitoring: A review
CN101542255B (en) Optical fiber thermometer and temperature compensation optical fiber sensor
CN100367016C (en) Fibre-optical temperature measuring device and measurement thereof
CN104603592B (en) MEMS optical sensors
CN108139284B (en) Optical fiber pressure sensor and method
JP2016505149A (en) Non-contact pressure measurement optical sensor
GB2338059A (en) An interferometer sensor system
US20170307437A1 (en) Opto-mechanical transducer for the detection of vibrations
US9810594B2 (en) Thermally stable high temperature pressure and acceleration optical interferometric sensors
Hu et al. A narrow groove structure based plasmonic refractive index sensor
JPS59105517A (en) Fiber optic sensor for measuring physical quantity
CN109768470A (en) A kind of fiber grating feedback device for cavity semiconductor
CN104792401A (en) Fiber grating hydrophone for measuring near-field acoustic pressure distribution of high-frequency transducer and manufacturing method
KR101381954B1 (en) Fabry-Perot interferometric fiber optic sensor system using ferrule and method of manufacturing the sensor
CN104776954A (en) Optically-excited fiber grating cantilever beam harmonic oscillator vacuum degree sensor
RU2474798C2 (en) Fibre-optic pressure sensor
RU2253850C2 (en) Fiber-optic pressure transducer
Bae et al. Miniature temperature compensated Fabry–Perot pressure sensors created with self-aligned polymer photolithography process
RU2308772C2 (en) Fiber-optic movement converter
CN110823834B (en) High-sensitivity SPR refractive index sensor based on plastic optical fiber periodic narrow groove structure
Xu High temperature high bandwidth fiber optic pressure sensors
CN210427778U (en) Double-core optical fiber magnetic field sensing probe
RU2308689C2 (en) Fiber-optic pressure gage
CN113624328B (en) Miniature high-temperature-resistant optical fiber Fabry-Perot vibration sensor
KR20210006372A (en) Vibration wire micro-nano optical fiber-based fiber grating micro-vibration and acoustic emission detection device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140202