RU2502955C2

RU2502955C2 - Fibre-optic displacement sensor capable of remote calibration and method of measuring using said sensor

Info

Publication number: RU2502955C2
Application number: RU2011142085/28A
Authority: RU
Inventors: Федор Андреевич Егоров
Original assignee: Федор Андреевич Егоров; Неугодников Алексей Павлович
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2013-12-27
Also published as: RU2011142085A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: sensor has a housing inside of which there is a fibre-optic sensitive element capable of changing properties of radiation propagating in a light guide depending on deformation. A pusher transfers displacement of the controlled object to the sensitive element and passes through the wall of the housing or is the wall of the housing. The sensor facilitates combined action on the sensitive element through the pusher and an optically controlled element, which can be deformed under the action of incident optical radiation.

EFFECT: providing remote inspection of metrological intactness of a sensor, wider measurement range, improved performance.

21 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и направлено на повышение достоверности измерительной информации, поступающей от волоконно-оптических датчиков (ВОД) перемещений, расширение диапазона измерений, повышение идентичности характеристик ВОД и, как следствие, обеспечение взаимозаменяемости и ремонтопригодности датчиков.The invention relates to measuring technique and is aimed at improving the reliability of measurement information received from fiber-optic sensors (VOD) of displacements, expanding the measurement range, increasing the identity of the characteristics of VOD and, as a result, ensuring the interchangeability and maintainability of the sensors.

В ряде случаев традиционные методы метрологического обеспечения датчиков оказываются неприемлемыми или неэффективными, что диктует необходимость проведения дистанционного контроля метрологической исправности датчиков без демонтажа или длительного прерывания режима эксплуатации [1]. Это актуально, например, при мониторинге состояния строительных сооружений с помощью датчиков деформаций, заложенных непосредственно внутри железобетонных конструкций, доступ к которым невозможен в ходе эксплуатации сооружения.In some cases, the traditional methods of metrological support of sensors are unacceptable or ineffective, which dictates the need for remote monitoring of the metrological health of the sensors without dismantling or prolonged interruption of operation [1]. This is relevant, for example, when monitoring the state of building structures using strain gauges embedded directly inside reinforced concrete structures, access to which is impossible during the operation of the structure.

Известен ВОД перемещений [2], содержащий источник света и фотоприемное устройство, связанные с преобразователем перемещений в виде оптоволоконного кольца с радиусом, зависящим от перемещения контролируемого объекта. Принцип работы указанного ВОД основан на зависимости коэффициента пропускания изогнутого участка световода от радиуса изгиба световода. Недостатками данного ВОД являются: отсутствие контроля метрологической исправности преобразователя перемещения и ограниченный диапазон измерений, связанные, с одной стороны, существенным уменьшением чувствительности к перемещению с ростом радиуса кривизны, и с другой стороны - с уменьшением прочности и долговечности участка световода с изгибом при уменьшении радиуса изгиба, что приводит к снижению надежности ВОД при длительных измерениях.Known VOD displacements [2], containing a light source and a photodetector associated with the displacement transducer in the form of a fiber optic ring with a radius depending on the movement of the controlled object. The principle of operation of the specified VOD is based on the dependence of the transmittance of a curved section of the fiber from the bending radius of the fiber. The disadvantages of this VOD are: the lack of control of the metrological serviceability of the displacement transducer and the limited measurement range associated, on the one hand, with a significant decrease in sensitivity to displacement with an increase in the radius of curvature, and on the other hand, with a decrease in the strength and durability of a fiber section with a bend with a decrease in the bend radius , which leads to a decrease in the reliability of VOD during long-term measurements.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является ВОД перемещений [3], содержащий источник излучения, фотоизмерительное устройство, подвижный шток (толкатель), корпус и закрепленный в нем оптоволоконный чувствительный элемент (ЧЭ) в виде витков волоконного световода, взаимодействующих со штоком и способных деформироваться при перемещении штока, связанного с контролируемым объектом. ВОД работает следующим образом: перемещение контролируемого объекта вызывает деформацию ЧЭ, что приводит к изменению характеристик оптического излучения на выходе ЧЭ (интенсивность, спектральный состав, поляризация, фаза), регистрируемых фотоизмерительным устройством. По известным функциональным зависимостям между изменениями характеристик излучения и деформацией ЧЭ определяется перемещение объекта. Недостатками указанного ВОД являются: отсутствие контроля метрологической исправности преобразователя перемещения на основе оптоволоконного ЧЭ; ограниченный диапазон измерений, обусловленный предельно допустимыми деформациями витков; сложный вид функции преобразования ВОД, приводящий к необходимости их индивидуальной градуировки, что усложняет взаимозаменяемость датчиков при эксплуатации.Closest to the invention, the technical solution is water displacement [3], containing a radiation source, a photo measuring device, a movable rod (pusher), a housing and a fiber optic sensing element (SE) fixed in it in the form of turns of a fiber waveguide interacting with the rod and capable of deforming when moving the rod associated with the controlled object. WATER works as follows: the movement of the controlled object causes the deformation of the SE, which leads to a change in the characteristics of the optical radiation at the output of the SE (intensity, spectral composition, polarization, phase) recorded by the photo-measuring device. The known functional relationships between changes in the radiation characteristics and the deformation of the SE determines the movement of the object. The disadvantages of this water are: lack of control of the metrological serviceability of the displacement transducer based on fiber optic SE; limited measurement range due to maximum permissible deformations of the turns; a complex form of the water conversion function, leading to the need for their individual calibration, which complicates the interchangeability of sensors during operation.

Целью изобретения является обеспечение дистанционного контроля метрологической исправности ВОД, расширение диапазона измерений, улучшение эксплуатационных характеристик датчика (взаимозаменяемость, ремонтопригодность).The aim of the invention is to provide remote monitoring of metrological serviceability of the water supply, expanding the measurement range, improving the operational characteristics of the sensor (interchangeability, maintainability).

Цель достигается тем, что ВОД перемещений, содержащий источник света, фотоизмерительное устройство, корпус, закрепленный в нем чувствительный элемент ВОД перемещений в виде витков волоконного световода, подвижный шток-стержень, связанный с контролируемым объектом, имеет:The goal is achieved in that the movement of the water containing a light source, a photo-measuring device, a housing, a sensitive element of the movement of water in the form of turns of a fiber, fixed to it, a movable rod-rod associated with the controlled object has:

1) оптически управляемый элемент (ОУЭ), способный деформироваться под действием падающего на него оптического излучения (например, в виде фотострикционной пластинки), закрепленный одним концом на штоке и/или на корпусе, а другим (рабочим) концом взаимодействующий с оптоволоконным ЧЭ, и, таким образом, обеспечивающий объединенное воздействие на ЧЭ, во-первых, вследствие перемещения штока, во-вторых, из-за дополнительной деформации, создаваемой фотострикционной пластинкой за счет энергии падающего света;1) an optically controlled element (OUE), capable of deforming under the influence of optical radiation incident on it (for example, in the form of a photostrictive plate), fixed at one end to the rod and / or on the housing, and interacting with the fiber optic CE at the other (working) end, and thus providing a combined effect on the SE, firstly, due to the movement of the rod, and secondly, due to the additional deformation created by the photostrictive plate due to the energy of the incident light;

2) дополнительный источник света с регулируемой выходной мощностью и световодом (силовым), передающим оптическое излучение от дополнительного источника к светочувствительному участку поверхности фотострикционной пластинки;2) an additional light source with adjustable output power and a light guide (power) transmitting optical radiation from an additional source to the photosensitive portion of the surface of the photostrictive plate;

3) вместо дополнительного источника света единственный источник света может быть выполнен импульсным с регулируемой скважностью с обеспечением передачи части оптического излучения (высвета), исходящего с изогнутого участка световода, к светочувствительному участку поверхности фотострикционной или биметаллической пластинки.3) instead of an additional light source, a single light source can be made pulsed with an adjustable duty cycle to ensure that part of the optical radiation (light) emanating from the bent portion of the fiber is transmitted to the photosensitive portion of the surface of the photostrictive or bimetallic plate.

Важно отметить следующие технические результаты, обеспечивающие преимущества предложенных средств и способов измерения:It is important to note the following technical results that provide the advantages of the proposed means and methods of measurement:

1) в ходе эксплуатации ВОД оптоволоконный ЧЭ не испытывает существенных переменных деформаций, находится, практически, в одном и том же состоянии, что способствует повышению стабильности характеристик и увеличению срока службы ВОД в целом;1) during the operation of the VOD, the fiber-optic CE does not experience significant variable deformations, it is practically in the same state, which helps to increase the stability of characteristics and increase the life of the VOD as a whole;

2) в предлагаемом ВОД диапазон измерений не ограничивается характеристиками оптоволоконного ЧЭ, но определяется, главным образом, свойствами фотострикционной (биметаллической) пластинки и характеристиками источников света, что существенно снижает требования к точности изготовления оптоволоконного ЧЭ, который является нестандартным изделием;2) in the proposed water the measurement range is not limited to the characteristics of the fiber optic CE, but is determined mainly by the properties of the photostrictive (bimetallic) plate and the characteristics of the light sources, which significantly reduces the requirements for the accuracy of the manufacture of fiber optic CE, which is a non-standard product;

3) в соответствии с предложенным способом измерений оптоволоконный ЧЭ всегда находится в зоне максимальной чувствительности и, таким образом, во всем рабочем диапазоне ВОД обеспечивается максимальная точность измерения;3) in accordance with the proposed measurement method, the fiber optic SE is always in the zone of maximum sensitivity and, thus, the maximum measurement accuracy is ensured in the entire working range of the VOD;

4) существенно повышается взаимозаменяемость ВОД, поскольку, во-первых, индивидуальные особенности характеристик оптоволоконных ЧЭ (при их одинаковой максимальной чувствительности) заметно не влияют на характеристики ВОД, во-вторых, фотодеформационные характеристики ОУЭ и соответствующие функции преобразования не имеют особенностей и близки к линейным, а идентичность их свойств гарантируется требованиями ГОСТ.4) the interchangeability of the VOD increases significantly, because, firstly, the individual characteristics of the characteristics of the fiber optic CEs (with the same maximum sensitivity) noticeably do not affect the characteristics of the water, and secondly, the photodeformation characteristics of the OEE and the corresponding conversion functions have no features and are close to linear , and the identity of their properties is guaranteed by the requirements of GOST.

Указанные преимущества реализуются в волоконно-оптическом датчике перемещений, содержащем:These advantages are realized in a fiber-optic displacement sensor, containing:

- корпус, внутри которого размещен, по меньшей мере, один чувствительный элемент, способный изменять, по меньшей мере, одну характеристику входного света от источника света в зависимости от деформации чувствительного элемента,- a housing within which at least one sensing element is placed, capable of changing at least one characteristic of the input light from the light source depending on the deformation of the sensing element,

- толкатель, обеспечивающий передачу перемещения контролируемого объекта на чувствительный элемент, при этом толкатель проходит через стенку корпуса или является стенкой корпуса,- a pusher that transfers the movement of the controlled object to the sensing element, while the pusher passes through the wall of the housing or is the wall of the housing,

датчик имеет возможность соединения с устройством измерения, по меньшей мере, одной характеристики выходного света от чувствительного элемента,the sensor has the ability to connect with the device for measuring at least one characteristic of the output light from the sensor element,

при этом обеспечивается возможность объединенного воздействия на, по меньшей мере, один чувствительный элемент, посредством толкателя и, по меньшей мере, одного оптически управляемого элемента, реагирующего на изменение мощности оптического излучения, передаваемого ему.this provides the possibility of combined exposure to at least one sensitive element by means of a pusher and at least one optically controlled element that responds to changes in the power of optical radiation transmitted to it.

В частных случаях выполнения изобретение может содержать:In particular cases, the invention may contain:

- как источник света, обеспечивающий излучение входного света в чувствительный элемент, так и дополнительный источник света со световодом, передающим оптическое излучение от дополнительного источника света к чувствительному участку поверхности оптически управляемого элемента;- as a light source that provides radiation of the input light into the sensitive element, and an additional light source with a light guide transmitting optical radiation from an additional light source to the sensitive surface area of the optically controlled element;

- дополнительный импульсный источник света с регулируемой скважностью;- additional pulsed light source with adjustable duty cycle;

- обеспечение передачи оптического излучения, высвечивающегося из изогнутого участка световода, к светочувствительному участку поверхности оптически управляемого элемента;- ensuring the transmission of optical radiation illuminated from the curved portion of the fiber to the photosensitive portion of the surface of the optically controlled element;

- источник света, обеспечивающий излучение входного света в чувствительный элемент, является импульсным с регулируемой скважностью;- the light source that provides the radiation of the input light into the sensing element is pulsed with adjustable duty cycle;

- оптически управляемый элемент может быть биметаллическим или фотострикционным;- an optically controlled element may be bimetallic or photo-strictive;

- сопряжение чувствительного элемента с компенсирующим элементом, который установлен и ориентирован таким образом, чтобы обеспечить при изменении температуры окружающей среды возможность компенсации температурных деформаций оптически управляемого элемента;- pairing the sensing element with a compensating element, which is installed and oriented in such a way as to provide, when the ambient temperature changes, the ability to compensate for temperature deformations of the optically controlled element;

- обеспечение уменьшения теплового оттока от деформируемого элемента посредством тепловой развязки между толкателем и концом деформируемого элемента;- ensuring the reduction of thermal outflow from the deformable element through thermal isolation between the pusher and the end of the deformable element;

- оптически управляемый элемент, являющийся пластинкой, один конец которой связан с толкателем, а другой конец имеет возможность воздействия на чувствительный элемент;- an optically controlled element, which is a plate, one end of which is connected to the pusher, and the other end has the ability to affect the sensitive element;

- оптически управляемый элемент, являющийся пластинкой, один конец которой связан с корпусом, а другой конец имеет возможность воздействия на чувствительный элемент.- optically controlled element, which is a plate, one end of which is connected to the housing, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

Вышеуказанные преимущества обеспечиваются способом измерения перемещения, при котором посылают входной свет к, по меньшей мере, одному оптоволоконному чувствительному элементу, способному изменять, по меньшей мере, одну характеристику входного света от источника света в зависимости от воздействия на чувствительный элемент,The above advantages are provided by a displacement measuring method in which input light is sent to at least one fiber optic sensing element capable of changing at least one characteristic of the input light from the light source depending on the effect on the sensing element,

- воздействуют на чувствительный элемент толкателем, обеспечивающим передачу перемещения контролируемого объекта,- act on the sensing element with a pusher providing transmission of movement of the controlled object,

- измеряют, по меньшей мере, одну характеристику выходного света от чувствительного элемента, в соответствии с которой определяют перемещение контролируемого объекта,- measure at least one characteristic of the output light from the sensing element, in accordance with which determine the movement of the controlled object,

- при этом объединенно воздействуют на, по меньшей мере, один чувствительный элемент, толкателем и, по меньшей мере, одним оптически управляемым элементом, реагирующим на изменения мощности оптического излучения, передаваемого ему.- in this case, they act jointly on at least one sensitive element with a pusher and at least one optically controlled element that responds to changes in the power of optical radiation transmitted to it.

Предпочтительно способ может содержать следующие действия:Preferably, the method may comprise the following:

- сначала без воздействия оптически управляемого элемента на чувствительный элемент определяют положение толкателя, при котором достигается максимальная чувствительность чувствительного элемента, а затем при объединенном воздействии толкателя и оптически управляемого элемента на чувствительный элемент измеряют перемещение контролируемого объекта в зоне максимальной чувствительности чувствительного элемента. При объединенном воздействии толкателя и оптически управляемого элемента на чувствительный элемент компенсация перемещения толкателя обеспечивается соответствующим фотоиндуцированным противоположным смещением оптически управляемого элемента. Соответственно положение точки контакта толкателя с чувствительным элементом относительно корпуса остается практически неизменным.- first, without the influence of the optically controlled element on the sensitive element, the position of the pusher is determined at which the maximum sensitivity of the sensitive element is achieved, and then, when the influence of the pusher and the optically controlled element on the sensitive element is combined, the movement of the controlled object in the zone of maximum sensitivity of the sensitive element is measured. With the combined action of the pusher and the optically controlled element on the sensing element, the compensation of the movement of the pusher is provided by the corresponding photoinduced opposite displacement of the optically controlled element. Accordingly, the position of the contact point of the pusher with the sensing element relative to the housing remains virtually unchanged.

В данном способе может использоваться охарактеризованный выше датчик.In this method, the sensor described above can be used.

На фиг.1 изображено средство с дополнительным источником света в первом состоянии.Figure 1 shows the means with an additional light source in the first state.

На фиг.2 изображено средство с фотострикционной пластинкой, одним концом закрепленной на корпусе.Figure 2 shows the means with a photostrictive plate, one end mounted on the housing.

На фиг.3 изображено второе состояние средства по фиг.1 после перемещения штока и поясняется способ компенсации перемещения штока S соответствующим фотоиндуцированным смещением S_ф от дополнительного источника света.Figure 3 shows the second state of the means of figure 1 after the movement of the rod and explains the method of compensating for the movement of the rod S with the corresponding photo-induced displacement S _f from an additional light source.

На фиг.4 изображено средство с одним источником света в первом состоянии.Figure 4 shows the means with one light source in the first state.

На фиг.5 изображено второе состояние средства после перемещения штока и поясняется способ компенсации перемещения штока S соответствующим фотоиндуцированным противоположным смещением S_ф в средстве измерения с одним источником света для обеспечения неподвижности точки A контакта оптоволоконного ЧЭ с фотострикционной пластинкой.Figure 5 shows the second state of the means after moving the rod and explains the method of compensating for the movement of the rod S with the corresponding photoinduced opposite displacement S _f in the measuring instrument with one light source to ensure the immunity of the point A of the contact of the fiber optic CE with the photostrictive plate.

На фиг.6 изображена зависимость выходного сигнала U фотоизмерительного устройства от изменения координаты х точки контакта фотострикционной пластинки и оптоволоконного ЧЭ. В точке x₀ достигается максимальная чувствительность K=ΔU/Δx с уровнем выходного сигнала U₀=U(x₀), при этом измерения в окрестности точки x₀ являются наиболее точными.Figure 6 shows the dependence of the output signal U of the photo-measuring device on a change in the coordinate x of the contact point of the photostrictive plate and the fiber optic SE. At point x ₀ , the maximum sensitivity K = ΔU / Δx is reached with the output signal level U ₀ = U (x ₀ ), while measurements in the vicinity of point x ₀ are the most accurate.

На фиг.7 изображена схема обратной связи между фотоизмерительным устройством и дополнительным источником света для автоматической регулировки выходной мощности дополнительного источника света.7 shows a feedback diagram between a photo-measuring device and an additional light source for automatically adjusting the output power of an additional light source.

На фиг.8 изображена схема обратной связи между фотоизмерительным устройством и источником света для автоматической регулировки средней выходной мощности импульсного источника света.On Fig shows a feedback circuit between the photo-measuring device and the light source for automatic adjustment of the average output power of the pulsed light source.

На фиг.9 изображено устройство, имеющее дополнительный источник света, в котором обеспечивается температурная стабильность посредством двух одинаковых фотострикционных или биметаллических пластинок.Figure 9 shows a device having an additional light source in which temperature stability is ensured by means of two identical photostrictive or bimetallic plates.

На фиг.10 изображено измерительное устройство с одним источником света, в котором обеспечивается температурная стабильность двух одинаковых фотострикционных или биметаллических пластинок.Figure 10 shows a measuring device with a single light source, which ensures the temperature stability of two identical photostrictive or bimetallic plates.

На фиг.1 изображено измерительное устройство, имеющее два источника света. ВОД состоит из первого источника 1 света, который имеет стабильные характеристики выходного излучения и связан с фотоизмерительным устройством 2 с помощью оптоволоконного чувствительного элемента 3, который закреплен на корпусе 4 и взаимодействует с биметаллической пластинкой 5, способной испытывать фототермоиндуцированные деформации при ее освещении. Биметаллическая пластинка 5 закреплена одним концом на штоке 6, способном совершать продольные перемещения относительно корпуса 4. В корпусе 4 закреплен силовой световод 7, освещающий светопоглощающий участок поверхности 8 биметаллической пластинки 5 излучением второго (дополнительного) источника 9 света с регулируемой выходной мощностью, регулировка которой может осуществляться простым изменением тока J питания излучателя в соответствии с его ватт-амперной характеристикой P(J). Зависимость между выходной мощностью оптического излучения Р и управляющим параметром J для второго источника 9 света описывается известной функцией Р=P(J). В качестве второго источника 9 света может использоваться, например, полупроводниковый излучатель.Figure 1 shows a measuring device having two light sources. The water consists of the first light source 1, which has stable characteristics of the output radiation and is connected to the photo-measuring device 2 by means of a fiber optic sensing element 3, which is mounted on the housing 4 and interacts with a bimetallic plate 5 capable of undergoing photothermally induced deformations under its illumination. The bimetallic plate 5 is fixed at one end to a rod 6, capable of longitudinal movements relative to the housing 4. A power fiber 7 is fixed in the housing 4, illuminating the light-absorbing portion of the surface 8 of the bimetallic plate 5 by the radiation of a second (additional) light source 9 with adjustable output power, the adjustment of which can carried out by a simple change in the current J of the emitter power in accordance with its watt-ampere characteristic P (J). The relationship between the output power of the optical radiation P and the control parameter J for the second light source 9 is described by the known function P = P (J). As the second light source 9, for example, a semiconductor emitter can be used.

На фиг.2 изображен вариант ВОД, в котором биметаллическая пластинка 5 закреплена на корпусе 4 (например, на кронштейне внутренней стенки корпуса, как изображено на фиг.9, 10), при этом оптоволоконный преобразователь 3 перемещения закреплен на другом (свободном) конце пластинки 5. Поскольку принцип действия обоих вариантов одинаков, поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением схемы, приведенной на фиг.1.Figure 2 shows a variant of the VOD, in which the bimetallic plate 5 is mounted on the housing 4 (for example, on the bracket of the inner wall of the housing, as shown in Figs. 9, 10), while the optical fiber transducer 3 is mounted on the other (free) end of the plate 5. Since the principle of operation of both options is the same, therefore, in the future, we restrict ourselves to the consideration of the circuit shown in figure 1.

Принцип действия предлагаемого ВОД основан на компенсации деформаций оптоволоконного ЧЭ, вызванных перемещением контролируемого объекта, путем смещения рабочего конца биметаллической пластины за счет фототермоиндуцированных деформаций изгиба, возникающих при ее нагреве оптическим излучением. Предложенный принцип действия иллюстрируется фиг.3, поясняющей способ компенсации перемещения штока S соответствующим фототермоиндуцированным смещением S_ф рабочего конца биметаллической пластинки, в результате которых положение (х - координата) точки A контакта оптоволоконного ЧЭ с биметаллической пластинкой относительно корпуса остается неизменным. Если диапазон измеряемых перемещений находится, например, в пределах (-S_max, +S_max), то необходимо обеспечить возможность фототермоиндуцированных смещений S_ф=2·S_max. Величина смещения S_ф определяется конструкцией биметаллической пластинки и поглощаемой оптической мощностью P. При условии, что S_ф<<L, где L - длина пластинки, зависимость S_ф(Р) близка к линейной S_фт=α·Р, где α - коэффициент пропорциональности, характеризующий эффективность преобразования энергии падающего излучения в упругие деформации биметаллической пластинки и зависящий от ее геометрических размеров и термоупругих параметров.The principle of operation of the proposed water is based on compensation of deformations of a fiber optic SE caused by the movement of a controlled object by displacing the working end of a bimetallic plate due to photo-induced bending deformations that occur when it is heated by optical radiation. The proposed principle of operation is illustrated in Fig. 3, which explains the method of compensating for the displacement of the rod S by the corresponding photothermally induced displacement S _{f of the} working end of the bimetallic plate, as a result of which the position (x - coordinate) of the point A of the contact of the fiber optic CE with the bimetallic plate relative to the housing remains unchanged. If the range of measured displacements is, for example, within the range of (-S _max , + S _max ), then it is necessary to ensure the possibility of photothermally induced displacements S _f = 2 · S _max . The amount of displacement S _f is determined by the design of the bimetallic plate and the absorbed optical power P. Provided that S _f << L, where L is the length of the plate, the dependence S _f (P) is close to linear S _ft = α · P, where α is the coefficient proportionality characterizing the efficiency of converting the energy of incident radiation into elastic deformations of a bimetallic plate and depending on its geometrical dimensions and thermoelastic parameters.

Для повышения эффективности биметаллической пластинки следует обеспечить тепловую развязку между штоком и закрепленным концом пластинки, например посредством крепления пластинки через элемент с низкой теплопроводностью. Тепловой отток к чувствительному элементу предполагается незначительным.To increase the efficiency of the bimetallic plate, it is necessary to provide thermal isolation between the rod and the fixed end of the plate, for example by fixing the plate through an element with low thermal conductivity. The thermal outflow to the sensing element is assumed to be insignificant.

ВОД перемещений работает следующим образом. Вначале, при отключенном втором источнике света определяется градуировочная кривая - функция преобразования U(x) оптоволоконного преобразователя, где U - выходной сигнал фотоизмерительного устройства, х - координата точки контакта биметаллической пластинки и оптоволоконного ЧЭ (фиг.3). Отметим, что в зависимости от контролируемой характеристики оптического излучения (интенсивность (I); спектральный состав (λ); состояние поляризации (θ); фаза (φ)) соответствующие функции преобразования U_I(х), U_λ(х), U_θ(х), U_φ(х) являются существенно разными. В частности, качественный характер зависимости U_I(x), обусловленный изменением коэффициента пропускания оптоволоконного преобразователя показан на фиг.6. В общем случае, чувствительность преобразователя перемещений, определяемая коэффициентом преобразования K=ΔU/Δx, непостоянна в рабочем интервале (x₁, х₂) и в определенной точке х=х₀ достигает максимального значения K_max=K(х₀) с соответствующим уровнем выходного сигнала U₀=U(x₀). Очевидно, что измерения в окрестности указанной точки являются наиболее точными.Water movement works as follows. First, when the second light source is turned off, a calibration curve is determined - the conversion function U (x) of the optical fiber transducer, where U is the output signal of the photo-measuring device, x is the coordinate of the contact point of the bimetallic plate and the fiber optic CE (Fig. 3). Note that, depending on the controlled characteristic of optical radiation (intensity (I); spectral composition (λ); polarization state (θ); phase (φ)), the corresponding conversion functions U _I (x), U _λ (x), U _θ (x), U _φ (x) are essentially different. In particular, the qualitative nature of the dependence U _I (x) due to a change in the transmittance of the fiber optic converter is shown in Fig.6. In general, the sensitivity of the displacement transducer, determined by the conversion coefficient K = ΔU / Δx, is not constant in the operating interval (x ₁ , x ₂ ) and at a certain point x = x ₀ reaches the maximum value K _max = K (x ₀ ) with the corresponding level output signal U ₀ = U (x ₀ ). Obviously, measurements in the vicinity of this point are the most accurate.

Перед установкой ВОД на контролируемом объекте, максимальные перемещения которого могут достигать ±S_max, включается дополнительный источник излучения с исходной выходной мощностью Р₀, обеспечивающей условие S_фт(P₀)=S_max. Далее, шток устанавливается в положение, соответствующее точке х=х₀ с уровнем выходного сигнала U=U₀. В этом состоянии фиксируется положение штока относительно корпуса и после этого ВОД устанавливается на контролируемом объекте. После установки ВОД на объекте фиксация штока снимается [6] и в дальнейшем осуществляется непрерывная компенсация приращения выходного сигнала фотоизмерительного устройства ΔU=U-U₀, обусловленная смещением S штока из исходного положения путем регулировки выходной мощности второго источника излучения. Исходя из текущего значения управляющего параметра J_t, обеспечивающего компенсацию ΔU=0, с помощью известных функциональных зависимостей S_Ф(Р), P(J) искомое перемещение S_t определяется как значение сложной функции S_t=S_ф(P(J_t)) в точке J_t. Измерения могут проводиться также в автономном режиме, если введена обратная связь между фотоизмерительным устройством и источником света 9 (фиг.7), осуществляющая автоматическую регулировку выходной мощности излучателя 9 с помощью компаратора (K) до полной компенсации сигнала разбаланса ΔU=U-U₀.Before installing the water in a controlled object, the maximum displacement of which can reach ± S _max , an additional radiation source with an initial output power of P ₀ , providing the condition S _ft (P ₀ ) = S _max . Further, the rod is installed in the position corresponding to the point x = x ₀ with the level of the output signal U = U ₀ . In this state, the position of the rod relative to the housing is recorded and after that the VOD is installed on the controlled object. After installing the VOD at the object, the rod fixation is removed [6] and in the future, continuous compensation is made for the increment of the output signal of the photo-measuring device ΔU = UU ₀ , due to the displacement S of the rod from its original position by adjusting the output power of the second radiation source. Based on the current value of the control parameter J _t providing compensation ΔU = 0, using the known functional dependencies S _Ф (Р), P (J), the desired displacement S _t is determined as the value of the complex function S _t = S _ф (P (J _t ) ) at the point J _t . Measurements can also be carried out offline if feedback is introduced between the photo-measuring device and the light source 9 (Fig. 7), which automatically adjusts the output power of the emitter 9 using the comparator (K) to completely compensate for the unbalance signal ΔU = UU ₀ .

Поскольку биметаллическая пластина чувствительна также к изменениям температуры окружающей среды, то для устранения указанного влияния на результаты измерения ВОД вводится вторая биметаллическая пластинка 5' с идентичным характеристиками, закрепленная на корпусе 4. При этом пластины 5 и 5' имеют одинаковую ориентацию (см. фиг.9). Таким образом, чувствительный элемент 3 сопряжен с другой пластинкой 5', один конец которой установлен неподвижно относительно корпуса, а вторая пластинка ориентирована таким образом, чтобы обеспечить возможность компенсации деформации первой пластинки 5. В этом случае при изменении температуры окружающей среды расстояние между точками АВ остается неизменным (т.к. отсутствует температурная деформация оптоволоконного ЧЭ), что позволяет уменьшить погрешность измерения, обусловленную изменениями температуры, в ходе эксплуатации.Since the bimetallic plate is also sensitive to changes in ambient temperature, a second bimetallic plate 5 'with identical characteristics, mounted on the housing 4, is introduced to eliminate the indicated effect on the results of water measurements. In this case, the plates 5 and 5' have the same orientation (see Fig. 9). Thus, the sensing element 3 is interfaced with the other plate 5 ', one end of which is fixedly mounted relative to the housing, and the second plate is oriented in such a way as to compensate for the deformation of the first plate 5. In this case, when the ambient temperature changes, the distance between the points AB remains unchanged (since there is no temperature deformation of the fiber optic SE), which allows to reduce the measurement error due to temperature changes during operation.

Предложенный способ измерения позволяет осуществлять дистанционный контроль исправности преобразователя в любой момент времени благодаря возможности реализации точно заданных эталонных деформаций ЧЭ за счет фотоиндуцированных смещений биметаллической пластинки и сравнения соответствующих выходных сигналов фотоизмерительного устройства с исходными градуировочными данными.The proposed measurement method allows you to remotely monitor the health of the transducer at any time due to the possibility of implementing precisely defined reference deformations of the SE due to photo-induced displacements of the bimetallic plate and comparing the corresponding output signals of the photo-measuring device with the initial calibration data.

Роль биметаллической пластинки могут выполнять также пластинки из фотострикционных материалов, обладающих свойством деформироваться при освещении оптическим излучением. Данные материалы имеют высокий КПД преобразования энергии света в деформацию пластинки за счет сочетания фотоэлектрического и пьезоэлектрического свойств некоторых материалов. Выполнение пластинки из таких материалов является предпочтительным (фиг.4, 5), т.к. позволяет использовать меньшую мощность излучения за счет эффективного преобразования энергии света в механическое движение, деформирующее пластинку [4], [5].The role of a bimetallic plate can also be played by plates made of photostrictive materials, which have the property of deforming under illumination by optical radiation. These materials have a high efficiency of converting light energy into deformation of the plate due to the combination of the photoelectric and piezoelectric properties of some materials. The implementation of the plate of such materials is preferred (figure 4, 5), because allows you to use lower radiation power due to the efficient conversion of light energy into mechanical motion, deforming the plate [4], [5].

На фиг.4 изображено измерительное устройство с одним источником света. ВОД состоит из единственного импульсного источника 1 света с регулируемой скважностью импульсов со стабильными характеристиками излучения в импульсах, связанного с фотоизмерительным устройством 2 с помощью оптоволоконного преобразователя перемещения 3, который закреплен на корпусе 4 и взаимодействует с фотострикционной пластинкой 5, закрепленной одним концом на штоке 6, способном совершать перемещения относительно корпуса 4.Figure 4 shows a measuring device with a single light source. VOD consists of a single pulsed light source 1 with an adjustable pulse duty cycle with stable characteristics of the radiation in pulses associated with the photo-measuring device 2 using a fiber optic displacement transducer 3, which is mounted on the housing 4 and interacts with a photostrictive plate 5 fixed at one end to the rod 6, capable of moving relative to the housing 4.

Источник света с указанным режимом работы одновременно выполняет две функции:A light source with the specified operating mode simultaneously performs two functions:

- во-первых, является источником тестирующего излучения, используемого для контроля состояния чувствительного элемента;- firstly, it is a source of test radiation used to monitor the state of the sensitive element;

- во-вторых, служит источником излучения, вызывающего фотоиндуцированные деформации фотострикционной пластинки- secondly, serves as a source of radiation causing photoinduced deformation of the photostrictive plate

В качестве источника 1 света может использоваться, например, полупроводниковый излучатель с импульсным током питания с регулируемой скважностью импульсов тока.As the light source 1, for example, a semiconductor emitter with a pulsed supply current with an adjustable duty cycle of current pulses can be used.

Принцип действия предлагаемого ВОД основан также на компенсации деформаций оптоволоконного преобразователя, вызванных перемещением штока, путем смещения рабочего конца фотострикционной пластинки в противоположном направлении за счет фотоиндуцированных деформаций пластинки, возникающих при ее освещении оптическим излучением, высвечивающимся из изогнутого участка световода. Предложенный принцип действия иллюстрируется фиг.3, 5, поясняющими способ компенсации перемещения S штока соответствующим фотоиндуцированным смещением рабочего конца фотострикционной пластинки S_ф=-S в противоположном направлении, в результате которых координата точки контакта A оптоволоконного преобразователя с фотострикционной пластинкой остается неизменной. Если диапазон измеряемых перемещений находится, например, в пределах (-S, +S), то необходимо обеспечить возможность фотоиндуцированных смещений S_ф=2-S. Величина смещения S_ф определяется главным образом конструкцией фотострикционной пластинки и величиной средней оптической мощности Р, падающей на пластинку, которая зависит от скважности импульсов:The principle of operation of the proposed VOD is also based on compensating for deformations of the fiber optic converter caused by rod displacement by shifting the working end of the photostrictive plate in the opposite direction due to photoinduced deformations of the plate that arise when it is illuminated by optical radiation illuminated from a bent portion of the fiber. The proposed principle of operation is illustrated in Figs. 3, 5, which explain the method of compensating for the displacement of the rod S by the corresponding photo-induced displacement of the working end of the photostrictive plate S _f = -S in the opposite direction, as a result of which the coordinate of the contact point A of the fiber optic converter with the photostrictive plate remains unchanged. If the range of measured displacements is, for example, within the range of (-S, + S), then it is necessary to ensure the possibility of photo-induced displacements S _f = 2-S. The magnitude of the displacement S _f is determined mainly by the design of the photostrictive plate and the value of the average optical power P incident on the plate, which depends on the duty cycle of the pulses:

P=к·P_И/Q,P = k · P _AND / Q,

где Р_И - оптическая мощность излучения в импульсе (в световоде);where P _AND is the optical radiation power in a pulse (in a fiber);

Q - скважность импульсов;Q - duty cycle of pulses;

к - коэффициент, характеризующий эффективность высвета из изогнутого участка световода.k is a coefficient characterizing the efficiency of light from a curved section of the fiber.

Предполагаем, что инерционность (постоянная времени) τ фотострикционного материала существенно больше периода T следования импульсов (τ>>T).We assume that the inertia (time constant) τ of the photostrictive material is significantly larger than the pulse repetition period T (τ >> T).

При условии, что S_ф<<L, где L - длина пластинки, зависимость S_ф(P) близка к линейной S_ф=α·P, где α - коэффициент пропорциональности, характеризующий эффективность работы пластинки, зависящий от ее геометрических и физических параметров.Provided that S _f << L, where L is the plate length, the dependence S _f (P) is close to linear S _f = α · P, where α is the proportionality coefficient characterizing the efficiency of the plate, depending on its geometric and physical parameters .

ВОД перемещений работает следующим образом. Вначале, при некоторой фиксированной скважности импульсов Q₀ определяется градуировочная кривая - функция преобразования U(x) оптоволоконного преобразователя, где U - выходной сигнал фотоизмерительного устройства, х - координата точки контакта A относительно корпуса (фиг.5). В зависимости от контролируемой характеристики оптического излучения (интенсивность (I); спектральный состав (λ); состояние поляризации (θ); фаза (φ)) соответствующие функции преобразования U_I(х), U_λ(х), U_θ(х), U_ф(х) являются существенно разными. В частности, качественный характер зависимости U_I(х), обусловленный изменением коэффициента пропускания оптоволоконного преобразователя показана на фиг.6. Чувствительность преобразователя перемещений, определяемая коэффициентом преобразования K=ΔU/Δx, как правило, непостоянна в рабочем интервале (x₁, х₂) и в определенной точке х=х₀ достигает максимального значения K_max=K(x₀) с соответствующим уровнем выходного сигнала U₀=U(x₀).Water movement works as follows. First, with some fixed duty cycle of pulses Q ₀ , a calibration curve is determined - the conversion function U (x) of the fiber-optic converter, where U is the output signal of the photo-measuring device, x is the coordinate of the contact point A relative to the housing (Fig. 5). Depending on the controlled characteristic of optical radiation (intensity (I); spectral composition (λ); polarization state (θ); phase (φ)), the corresponding conversion functions U _I (x), U _λ (x), U _θ (x) , U _f (x) are substantially different. In particular, the qualitative nature of the dependence U _I (x) due to a change in the transmittance of the fiber optic converter is shown in Fig.6. The sensitivity of the displacement transducer, determined by the conversion coefficient K = ΔU / Δx, is usually unstable in the operating interval (x ₁ , x ₂ ) and at a certain point x = x ₀ reaches the maximum value K _max = K (x ₀ ) with the corresponding output level signal U ₀ = U (x ₀ ).

Необходимые характеристики источника излучения, а именно - мощность P_И в импульсе и диапазон (Q₁, Q₂) регулировки скважности импульсов определяются исходя из величин измеряемых перемещений. Если максимальные перемещения контролируемого объекта составляют (-S_max, +S_max), то оптимальные параметры источника света определяются из условий:The necessary characteristics of the radiation source, namely, the power P _And in the pulse and the range (Q ₁ , Q ₂ ) of the pulse duty cycle adjustment, are determined based on the values of the measured displacements. If the maximum movement of the controlled object is (-S _max , + S _max ), then the optimal parameters of the light source are determined from the conditions:

1) $S_{ф} = α \cdot к \cdot Р_{И} \cdot (\frac{1}{Q_{1}} - \frac{1}{Q_{0}}) \geq S_{\max}$

;one)

S_{f} = α \cdot to \cdot R_{AND} \cdot (\frac{one}{Q_{one}} - \frac{one}{Q_{0}}) \geq S_{\max}

;

2) $S_{ф} = α \cdot к \cdot Р_{И} \cdot (\frac{1}{Q_{0}} - \frac{1}{Q_{2}}) \geq S_{\max}$

;2)

S_{f} = α \cdot to \cdot R_{AND} \cdot (\frac{one}{Q_{0}} - \frac{one}{Q_{2}}) \geq S_{\max}

;

где первое условие обеспечивает возможность компенсации положительных смещений штока (0, +S_max) за счет изменения скважности от Q₁ до Q₀; второе условие - компенсацию отрицательных смещении (-S_max, 0) за счет изменения скважности от Q₀ до Q₂.where the first condition provides the ability to compensate for positive displacements of the rod (0, + S _max ) by changing the duty cycle from Q ₁ to Q ₀ ; the second condition is compensation for negative bias (-S _max , 0) due to a change in duty cycle from Q ₀ to Q ₂ .

Из соотношений (1, 2) следует:From the relations (1, 2) it follows:

$Р_{И} \cdot (\frac{1}{Q_{1}} - \frac{1}{Q_{2}}) \geq 2 \cdot \frac{S_{\max}}{α \cdot к}$

; Q₀≥2, где Q₀ - исходная скважность импульсов, при которой фотоиндуцированная деформация пластинки составляет S_ф0=S_max.

R_{AND} \cdot (\frac{one}{Q_{one}} - \frac{one}{Q_{2}}) \geq 2 \cdot \frac{S_{\max}}{α \cdot to}

; Q ₀ ≥2, where Q ₀ is the initial duty cycle of the pulses at which the photoinduced deformation of the plate is S _f0 = S _max .

Поскольку Q_1,2≥1, то $(\frac{1}{Q_{1}} - \frac{1}{Q_{2}}) < 1$

, поэтому минимальная мощность излучения в импульсеSince Q _1,2 ≥1, then

(\frac{one}{Q_{one}} - \frac{one}{Q_{2}}) < one

, therefore, the minimum radiation power per pulse

$Р_{И, \min} \geq 2 \cdot \frac{S_{\max}}{α \cdot к}$

.

R_{AND, \min} \geq 2 \cdot \frac{S_{\max}}{α \cdot to}

.

При значении Р_И=Р_{И, min} диапазон регулировки скважности составляет (Q₁, Q₂)(1, ∞).With a value of P _AND = P _{AND, min, the} range of duty cycle adjustment is (Q ₁ , Q ₂ ) (1, ∞).

Измерение перемещений с помощью ВОД происходит следующим образом. Вначале, при скважности импульсов Q=Q₀ определяется положение штока, при котором достигается максимальная чувствительность оптоволоконного ЧЭ (х=x₀, U=U₀). В этом состоянии фиксируется положение штока относительно корпуса и, затем, ВОД устанавливается на контролируемом объекте. После установки ВОД фиксация штока снимается [6] и в дальнейшем за счет регулировки скважности импульсов Q(t) осуществляется непрерывная компенсация (ΔU=0) приращения выходного сигнала фотоизмерительного устройства ΔU=U-U₀, обусловленного смещением S(t) штока из исходного положения (S=0).The measurement of displacements using VOD is as follows. Initially, with the pulse duty cycle Q = Q ₀ , the position of the rod is determined at which the maximum sensitivity of the fiber optic SE is reached (x = x ₀ , U = U ₀ ). In this state, the position of the rod relative to the housing is fixed and, then, the VOD is installed on the controlled object. After installing the VOD, the rod fixation is removed [6] and then, due to the pulse duty cycle Q (t), continuous compensation (ΔU = 0) of the increment of the output signal of the photo-measuring device ΔU = UU ₀ due to the displacement S (t) of the rod from the initial position ( S = 0).

Измеряемое перемещение S(t) штока определяется выражением:The measured displacement S (t) of the rod is determined by the expression:

$S (t) = α \cdot к \cdot Р_{И} \cdot (\frac{1}{Q (t)} - \frac{1}{Q_{0}})$

S (t) = α \cdot to \cdot R_{AND} \cdot (\frac{one}{Q (t)} - \frac{one}{Q_{0}})

Измерения могут проводиться также в автономном режиме, если введена обратная связь между фотоизмерительным устройством и источником света 9 (фиг.7), обеспечивающая возможность автоматической регулировки скважности импульсов источника света 7 до полной компенсации сигнала разбаланса ΔU=0.Measurements can also be carried out offline if feedback is introduced between the photo-measuring device and the light source 9 (Fig. 7), which makes it possible to automatically adjust the duty cycle of the pulses of the light source 7 to fully compensate for the unbalance signal ΔU = 0.

В связи с тем, что фотострикционная пластинка может деформироваться также при изменении температуры окружающей среды, то для устранения указанного влияния в схему ВОД вводится вторая пластинка 5' с идентичным характеристиками, закрепленная на корпусе 4 или на штоке 6 в зависимости от крепления пластинки 5, являющейся оптически управляемым элементом. При этом пластины 5 и 5' имеют одинаковую ориентацию (см. фиг.9, 10). Таким образом, чувствительный элемент сопряжен со второй пластинкой, являющейся компенсирующим элементом, один конец которой установлен на штоке (фиг.9) или неподвижно относительно корпуса (фиг.10), установленной и ориентированной таким образом, чтобы обеспечить при изменении температуры возможность компенсации температурной деформации первой пластинки. Вторую пластинку 5' целесообразно покрывать светоотражающим покрытием, чтобы предотвратить влияние оптического излучения, управляющего первой пластинкой 5.Due to the fact that the photostrictive plate can also deform when the ambient temperature changes, then to eliminate the indicated effect, a second plate 5 'with identical characteristics is introduced into the water circuit, mounted on the housing 4 or on the stem 6 depending on the mounting of the plate 5, which optically controlled element. In this case, the plates 5 and 5 'have the same orientation (see Figs. 9, 10). Thus, the sensing element is interfaced with a second plate, which is a compensating element, one end of which is mounted on the rod (Fig. 9) or motionless relative to the body (Fig. 10), mounted and oriented in such a way as to provide the ability to compensate for temperature deformation when the temperature changes first record. It is advisable to cover the second plate 5 'with a reflective coating in order to prevent the influence of the optical radiation controlling the first plate 5.

Роль фотострикционных пластинок оптически управляемого элемента 5 могут выполнять также биметаллические пластинки, покрытые слоем светопоглощающего материала для повышения эффективности поглощения и преобразования энергии света в энергию термоупругой деформации пластинки.The role of the photostriction plates of the optically controlled element 5 can also be performed by bimetallic plates coated with a layer of light-absorbing material to increase the absorption efficiency and convert light energy into thermoelastic deformation energy of the plate.

Предложенные способы измерения позволяют осуществлять дистанционный контроль исправности преобразователя перемещений в любой момент времени благодаря возможности реализации точно заданных эталонных деформаций преобразователя перемещений за счет фотоиндуцированных смещений пластинки и сравнения соответствующих выходных сигналов фотоизмерительного устройства с исходными градуировочными данными.The proposed measurement methods allow remote monitoring of the health of the displacement transducer at any time due to the possibility of realizing precisely defined reference deformations of the displacement transducer due to photoinduced displacements of the plate and comparing the corresponding output signals of the photo measuring device with the initial calibration data.

В предлагаемых ВОД идентичность характеристик датчиков достигается за счет того, что акцент в требованиях к параметрам основных узлов датчика переносится от оптоволоконного ЧЭ, являющегося нестандартным элементом, к более простым компонентам: к пластинке (например, биметаллической); световоду; к полупроводниковым источникам света; т.е. к стандартным, серийно производимым изделиям с гарантированными характеристиками.In the proposed water systems, the identity of the characteristics of the sensors is achieved due to the fact that the emphasis in the requirements for the parameters of the main sensor nodes is transferred from the fiber optic CE, which is a non-standard element, to simpler components: to a plate (for example, bimetallic); optical fiber; to semiconductor light sources; those. to standard, mass-produced products with guaranteed performance.

Для подтверждения возможности реализации предложенных способов измерения были созданы макеты ВОД перемещений в соответствии с фиг.1, 4, в которых в качестве оптически управляемых элементов, использовались биметаллические пластинки, покрытые с одной стороны светопоглощающим материалом (сажей). Оптическое излучение, выходящее из изогнутого участка световода или подводимое с помощью дополнительного силового световода попадает на светопоглощающий слой и приводит к нагреву пластинки, в результате которого происходит ее деформация. Эксперименты по определению фотоиндуцированных смещений S_Ф(Р) были выполнены с использованием следующих серийных компонентов:To confirm the feasibility of implementing the proposed measurement methods, models of water displacement movements were created in accordance with figures 1 and 4, in which bimetallic plates coated on one side with light-absorbing material (soot) were used as optically controlled elements. Optical radiation emerging from a curved section of the fiber or supplied by an additional power fiber enters the light-absorbing layer and leads to heating of the plate, which results in its deformation. The experiments to determine photoinduced displacements S _Ф (Р) were performed using the following serial components:

- биметаллической пластинки типа «алюминий-титан», производства ЗАО «Композит» (г.Калининград Московской обл.) с размерами 30×8×0,8 (мм),- bimetallic plate of the type "aluminum-titanium", manufactured by ZAO Composite (Kaliningrad, Moscow Region) with dimensions of 30 × 8 × 0.8 (mm),

- силового многомодового волоконного световода (GIF-625, THORLABS),- power multimode fiber light guide (GIF-625, THORLABS),

- полупроводникового лазера (L975P1WJ, THORLABS) с длиной волны излучения 975 нм.- a semiconductor laser (L975P1WJ, THORLABS) with a radiation wavelength of 975 nm.

Изменение тока накачки полупроводникового лазера в непрерывном режиме в пределах J=0÷A, а также в импульсном режиме с изменением скважности импульсов тока накачки в пределах Q=1÷100 при фиксированном значении тока в импульсе (I_и=1A) и длительности импульса Т_и≈10^-2 сек позволяет регулировать среднюю мощность излучения на выходе световода в пределах Р≈0÷0,5 Вт. В указанных пределах экспериментальная зависимость S_ф(Р) является линейной S_ф=α·Р с коэффициентом пропорциональности α≈4,5 мм/Вт. Расчеты показывают, что за счет оптимизации конструкции биметаллической пластинки ее эффективность может быть существенно повышена, так что при длине 1=30 мм коэффициент преобразования достигает значений α≈10÷15 мм/Вт, что позволяет использовать в рассматриваемых ВОД серийные, надежные и недорогие полупроводниковые излучатели с волоконным выходом, например, PL980P200, THORLABS, способных создавать фотоиндуцированные деформации до 3 мм.Changing the pump current of a semiconductor laser in the continuous mode within J = 0 ÷ A, as well as in a pulsed mode with a change in the duty cycle of the pump current pulses within Q = 1 ÷ 100 for a fixed value of the current in the pulse (I _and = 1A) and pulse duration T _and ≈10 ^-2 sec allows you to adjust the average radiation power at the output of the fiber within P≈0 ÷ 0.5 watts. Within the indicated limits, the experimental dependence S _f (P) is linear S _f = α · P with a proportionality coefficient α≈4.5 mm / W. Calculations show that due to the optimization of the design of the bimetallic plate, its efficiency can be significantly increased, so that with a length of 1 = 30 mm, the conversion coefficient reaches α≈10 ÷ 15 mm / W, which allows the use of serial, reliable and inexpensive semiconductor emitters with fiber output, for example, PL980P200, THORLABS, capable of creating photoinduced deformations up to 3 mm.

Уровень техники.The level of technology.

1. А.Н. Пронин и др., «Контроль достоверности информации, поступающей от датчиков», журнал «Датчики и системы», 2008, №8, стр.58-63.1. A.N. Pronin et al., “Monitoring the Reliability of Information Received from Sensors,” Journal “Sensors and Systems”, 2008, No. 8, pp. 58-63.

2. JP 2000298010.2. JP 2000298010.

3. RU 2322649.3. RU 2322649.

4. US 5585961.4. US 5585961.

5. Сайт по фотострикции:5. Website for photostriction:

http://www.physics.montana.edu/eam/photostriction/index.htm.http://www.physics.montana.edu/eam/photostriction/index.htm.

6. RU 2401948.6. RU 2401948.

Claims

1. Fiber optic displacement sensor containing:
a housing within which at least one sensing element is placed, capable of changing at least one characteristic of the input light from the light source depending on the deformation of the sensing element,
a pusher that provides transfer of the movement of the controlled object to the sensing element, while the pusher passes through the wall of the housing or is the wall of the housing,
wherein the sensor has the ability to connect with the measuring device at least one characteristic of the output light from the sensing element,
characterized in that it provides the possibility of a combined effect on at least one sensing element by means of a pusher and at least one optically controlled element capable of deforming under the influence of incident optical radiation,
however, at least one optically controlled element is fixed at one end to the push rod or to the housing, and the other end of at least one optically controlled element has the ability to affect the sensitive element.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that there are: a light source providing radiation of the input light to the sensing element, and an additional light source with a light guide transmitting optical radiation from the additional light source to the optically controlled element.

3. The sensor according to claim 2, characterized in that the additional light source is pulsed with adjustable duty cycle.

4. The sensor according to claim 1, characterized in that the transmission of optical radiation illuminated from the bent portion of the sensing element to the photosensitive portion of the surface of the optically controlled element is ensured.

5. The sensor according to claim 4, characterized in that the light source is pulsed with adjustable duty cycle.

6. The sensor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the optically controlled element is bimetallic or photostrictive, capable of deforming under the influence of optical radiation incident on it.

7. The sensor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the sensitive element is interfaced with a compensating element, which ensures, when the ambient temperature changes, the compensation of temperature deformations of the optically controlled element.

8. The sensor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is possible to reduce the thermal outflow from the optically controlled element by thermal isolation between the pusher and the end of the optically controlled element.

9. The sensor according to claim 6, characterized in that it is possible to reduce the thermal outflow from the optically controlled element by thermal isolation between the plunger and the end of the optically controlled element.

10. The sensor according to claim 7, characterized in that it is possible to reduce the thermal outflow from the optically controlled element by thermal isolation between the plunger and the end of the optically controlled element.

11. The sensor according to any one of claims 1 to 5, 9-10, characterized in that the optically controlled element is a plate, one end of which is connected to the pusher, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

12. The sensor according to claim 6, characterized in that the optically controlled element is a plate, one end of which is connected to the pusher, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

13. The sensor according to claim 7, characterized in that the optically controlled element is a plate, one end of which is connected to the pusher, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

14. The sensor of claim 8, wherein the optically controlled element is a plate, one end of which is connected to the pusher, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

15. The sensor according to any one of claims 1 to 5, 9-10, characterized in that the optically controlled element is a plate, one end of which is connected to the housing, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

16. The sensor according to claim 6, characterized in that the optically controlled element is a plate, one end of which is connected to the housing, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

17. The sensor according to claim 7, characterized in that the optically controlled element is a plate, one end of which is connected to the housing, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

18. The sensor of claim 8, characterized in that the deformable element is a plate, one end of which is connected to the housing, and the other end has the ability to affect the sensitive element.

19. A method of measuring movement in which input light is sent to at least one fiber optic sensing element capable of changing at least one characteristic of the input light from the light source depending on the effect on the sensitive element,
acting on the sensing element with a pusher providing transmission of the movement of the controlled object, and
measure at least one characteristic of the output light from the sensing element, in accordance with which determine the movement of the controlled object,
characterized in that it provides the possibility of a combined effect on at least one sensing element, a pusher and at least one optically controlled element that responds to changes in the optical power supplied to it.

20. The method according to claim 19, characterized in that, first, without the influence of an optically controlled element on the sensitive element, the position of the pusher is determined at which the maximum sensitivity of the sensitive element is achieved, and then, when the combined action of the pusher and the optically controlled element on the sensitive element is measured, the movement of the controlled object is measured in the zone of maximum sensitivity of the sensing element.

21. The method according to claim 19 or 20, characterized in that when the action of the pusher and the optically controlled element on the sensitive element is combined, the movement of the pusher is compensated for by the corresponding photoinduced opposite displacement of the optically controlled element.