RU2568072C1 - Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления - Google Patents
Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2568072C1 RU2568072C1 RU2014131497/28A RU2014131497A RU2568072C1 RU 2568072 C1 RU2568072 C1 RU 2568072C1 RU 2014131497/28 A RU2014131497/28 A RU 2014131497/28A RU 2014131497 A RU2014131497 A RU 2014131497A RU 2568072 C1 RU2568072 C1 RU 2568072C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- membrane
- interferometric
- static
- fixed
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала. При этом датчик снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом. Нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное плечо датчика образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное плечо датчика образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой. Технический результат - обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Известные технические решения таких измерителей основаны на использовании классических интерферометров, плечи которых выполнены из оптических одномодовых волокон, одно из которых является чувствительным к изменению давления (измерительное волокно), а второе волокно (опорное) к изменению давления нечувствительно. При воздействии давления на чувствительное волокно в результате его деформации изменяется длина оптического пути и набег фазы по измерительному волокну, что приводит к фазовой модуляции интерференционного сигнала, который может быть продетектирован и преобразован в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине давления. Подобные датчики описаны в Патенте США №4751690, 05/15/1984 «Fiber optic interferometric hydrophone». Патенте США №4449210, 06/14/1988 «Fiber optic hydrophone transducers», Патенте США 535944510/25/1994 «Fiber optic sensor». Патенте РФ RU 229511, «Лазерный гидрофон». Патенте RU 2106072 «Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон» и др.
Общим конструктивным недостатком указанных датчиков является то, что их чувствительность непосредственно зависит от длины измерительного и опорного волокна и для измерения малых величин давлений длины волокон могут достигать сотни метров, что существенно увеличивает габариты датчиков и их массу. Кроме этого намотка измерительного волокна должна производиться с определенным и постоянным натяжением, чтобы избежать деформации самого волокна (микрорастяжения).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала, при этом приемная мембрана нагружена на несколько волоконных катушек различной длины, которые составляют предметные интерферометрические плечи, включающие когерентные источники света и фотоприемники, («Волоконно-оптический гидрофон». Патент РФ № 2112229 от 29.01.1996, МПК G01M 11/02).
Недостатком прототипа является невозможность плавного изменения чувствительности и динамического диапазона, и изменение этих величин возможно только дискретно путем электронного переключения плеч локальных интерферометров с различными длинами измерительных и опорных волокон. Фактически такой датчик состоит из нескольких однотипных интерферометрических датчиков с измерительными волокнами различной длины, нагруженными на одну чувствительную к акустическому давлению мембрану.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах, используя интерферометр только с одними и фиксированной длинами измерительного и опорного плеч.
Технический результат достигается за счет того, что оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала, снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом, при этом нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное интерферометрическое плечо образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное интерферометрическое плечо образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой, а мембрана датчика и зеркала выполнены из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например из ситала.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена схематично конструкция предлагаемого датчика, а на Фиг. 2. поясняется принцип его работы.
Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света 1, входное оптическое волокно 2, микрообъектив 3, световой делитель 4, нижнее неподвижное зеркало 5 опорного интерферометрического плеча, акустическую мембрану 6 с нижним зеркальным покрытием, неподвижное двустороннее зеркало 7, микрообъектив 8, выходное оптоволокно 9, фотоприемник 10, электронное устройство обработки фотоэлектрического сигнала 11 и корпус 12, в котором расположены все элементы датчика.
Устройство работает следующим образом. Световой поток от лазерного источника света 1, пройдя по входному оптоволокну 2, дополнительно коллимируется с помощью микрообъектива 3. Далее, с помощью светового делителя 4 световой поток вводится под определенными и одинаковыми углами в измерительное интерферометрическое плечо датчика, образованное нижней зеркальной поверхностью акустической мембраны 6 и верхней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала 7, и в опорное интерферометрическое плечо датчика, образованное нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала 7 и нижним неподвижным зеркалом 5. При этом при отсутствии акустического давления световые лучи будут распространяться в измерительном и опорном плечах, испытывая одинаковые многократные переотражения от поверхностей зеркал. Длины оптических путей в измерительном и опорном плечах зависят от угла ввода, длины зеркал и зазоров между ними. Оценки показывают, что возможные длины оптических путей могут доходить до сотни метров при различных вариациях геометрических размеров и угла ввода. При фиксированных длинах зеркал эффективная длина оптического пути существенно зависит только от угла ввода, и, изменяя этот угол, можно в широких пределах изменять чувствительность датчика, поскольку его чувствительность к акустическому давлению прямо пропорциональна длине оптического пути. При воздействии акустического давления на мембрану 6 длина оптического пути в измерительном плече будет изменяться, что приводит к изменению интерферометрического оптического сигнала (его модуляции).
Поясним принцип работы устройства. Пусть два зеркала расположены на расстоянии d, их длина равна L (Фиг. 2) Под углом φ вводится оптический луч. Тогда путь луча до первого отражения равен
А катет напротив угла φ равен
Если на длине L укладывается целое число отрезков s, то число отражений луча равно
Тогда полный оптический путь луча, многократно отраженного от зеркал, равен
При воздействии акустического давления верхнее зеркало относительно нижнего начнет смещаться и величины d и s тоже будут уменьшаться. Найдем такое смещение, при котором число отражений N увеличится на единицу.
Если L=Ns+s/2=s(N+1/2)=d0tgφ(N+1/2) или d0=L/tgφ(N+1/2), то при смещении зеркала на величину
число отражений N меняться не будет.
При этом
Если расстояние между зеркалами меняется по закону изменения акустического давления d=d0+ξcosωt, то
Если данное устройство поместить в одно плечо двухлучевого интерферометрического датчика, то, как следует из (9), чувствительность измерения перемещений (смещений) увеличится в N/cosφ раз по сравнению с обычным интерферометром. Таким образом, чувствительность по давлению возрастает с увеличением длины зеркал и увеличением угла ввода φ.
Данное устройство обладает несколькими основными преимуществами по сравнению с известными оптоволоконными интерферометрическими датчиками давления. Во-первых, в нем оптические волокна используются только для ввода и вывода оптического излучения, т.е. устраняются известные проблемы намотки оптических волокон большой длины. Во-вторых, такая схема позволяет плавно изменять чувствительность приемника давления в очень широких пределах путем изменения угла ввода оптического излучения. В-третьих, известно, что любые интерферометрические волоконно-оптические датчики, предназначенные для измерения давлений, крайне чувствительны к изменениям окружающей температуры, и в них приходится вводить специальные и дополнительные узлы для компенсации температурных флуктуаций Предлагаемое устройство может быть практически не чувствительно к изменениям окружающей температуры, если, например, его зеркальные элементы выполнить из ситала, обладающего рекордно низким коэффициентом температурного расширения.
Claims (2)
1. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала, отличающийся тем, что он снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом, при этом нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное интерферометрическое плечо образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное интерферометрическое плечо образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой.
2. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления по п. 1, отличающийся тем, что мембрана датчика и зеркала выполнены из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например из ситалла.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014131497/28A RU2568072C1 (ru) | 2014-07-30 | 2014-07-30 | Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014131497/28A RU2568072C1 (ru) | 2014-07-30 | 2014-07-30 | Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2568072C1 true RU2568072C1 (ru) | 2015-11-10 |
Family
ID=54537304
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014131497/28A RU2568072C1 (ru) | 2014-07-30 | 2014-07-30 | Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2568072C1 (ru) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2113697C1 (ru) * | 1997-05-29 | 1998-06-20 | Фирма "Газприборавтоматика" | Оптический измеритель давления |
RU2497090C2 (ru) * | 2012-01-25 | 2013-10-27 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты) |
-
2014
- 2014-07-30 RU RU2014131497/28A patent/RU2568072C1/ru active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2113697C1 (ru) * | 1997-05-29 | 1998-06-20 | Фирма "Газприборавтоматика" | Оптический измеритель давления |
RU2497090C2 (ru) * | 2012-01-25 | 2013-10-27 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты) |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
US 6567173 B1 A, 20.05.2003;WO 2012023918 A1, 23.02.2012 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5218197A (en) | Method and apparatus for the non-invasive measurement of pressure inside pipes using a fiber optic interferometer sensor | |
US6618523B2 (en) | Unbalanced fiber optic Michelson interferometer as an optical pick-off | |
CN103134431B (zh) | 一种基于迈克尔逊光纤干涉仪垂直振动位移传感器 | |
Zhang et al. | Single-crystal sapphire-based optical high-temperature sensor for harsh environments | |
US10006754B2 (en) | Associated interferometers using multi-fiber optic delay lines | |
US20150204748A1 (en) | Multiplexed Fiber-Coupled Fabry-Perot Sensors and Method Therefor | |
RU155509U1 (ru) | Лазерно-интерференционный гидрофон с системой термостабилизации | |
Zahid et al. | Reflectometric and interferometric fiber optic sensor’s principles and applications | |
RU2253882C1 (ru) | Гравиметр | |
Coutant et al. | Fabry–Perot optical fiber strainmeter with an embeddable, low-power interrogation system | |
Dib et al. | A broadband amplitude-modulated fibre optic vibrometer with nanometric accuracy | |
RU2568072C1 (ru) | Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления | |
Joenathan et al. | Dual-arm multiple-reflection Michelson interferometer for large multiple reflections and increased sensitivity | |
Zheng | Reflectometric fiber optic frequency-modulated continuous-wave interferometric displacement sensor | |
Fürstenau et al. | Dynamic pressure sensing with a fiber-optic polarimetric pressure transducer with two-wavelength passive quadrature readout | |
Chyad et al. | Acoustic fiber sensors by Fabry-Perot interferometer technology | |
Pal | Optical fiber sensors: A versatile technology platform for sensing | |
Zhao et al. | Optical tilt sensor with direct intensity-modulated scheme | |
Geng et al. | A simultaneous audio and temperature sensing system based on in-line Mach–Zehnder interferometer | |
CN105841720B (zh) | 使用两个平行反射面的光纤白光干涉解调仪 | |
RU81323U1 (ru) | Совмещенный волоконно-оптический датчик давления и температуры | |
CN206804690U (zh) | 一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统 | |
Wang et al. | All-optical accelerometer based on micromachined silicon wafer | |
Lucki et al. | Fiber Optic and Free Space Michelson Interferometer—Principle and Practice | |
Parikh Meera et al. | A Survey Paper of Optical Fiber Sensor |