RU2571448C1 - Микромеханический волоконно-оптический датчик давления - Google Patents
Микромеханический волоконно-оптический датчик давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2571448C1 RU2571448C1 RU2014132332/28A RU2014132332A RU2571448C1 RU 2571448 C1 RU2571448 C1 RU 2571448C1 RU 2014132332/28 A RU2014132332/28 A RU 2014132332/28A RU 2014132332 A RU2014132332 A RU 2014132332A RU 2571448 C1 RU2571448 C1 RU 2571448C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- optical fiber
- square
- fibre
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса. При этом пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса и выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами и выполнено с решетками Брега. Пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины hм, при этом первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных вдоль участка оптического волокна на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны. Техническим результатом является повышение точности измерения за счет повышения чувствительности микромеханического волоконно-оптического датчика давления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных системах контроля и (или) измерения давления.
Известна конструкция волоконно-оптического датчика [1], содержащего сердцевину оптического волокна, имеющую одну решетку, сформированную вдоль одной ее части первую оболочку, окружающую указанную сердцевину и содержащую средство, воспринимающее давление, для преобразования изотропных сил давления в анизотропные силы давления на указанную сердцевину, двулучепреломляющее средство для улучшения двойного лучепреломления в указанной сердцевине. Средство, воспринимающее давление, включает в себя пару продольных отверстий, или чувствительный к давлению материал, или капиллярную трубку, окружающую указанную первую оболочку, причем указанная капиллярная трубка имеет пару продольных отверстий, т.е. параллельных указанной оболочке.
Известна конструкция датчика давления [2], содержащего корпус, силовую мембрану, размещенную в корпусе, элемент передачи деформации, закрепленный в средней части силовой мембраны, измерительную мембрану, плоскость которой расположена под углом к плоскости силовой мембраны и смещена относительно центральной части силовой мембраны и преобразователь с чувствительным элементом. Средняя часть измерительной мембраны соединена с элементом передачи деформации. Преобразователь выполнен в виде оптического волокна, закрепленного на поверхности измерительной мембраны. Чувствительный элемент выполнен в виде одной волоконной брэгговской решетки, закрепленной в одной из чувствительных зон измерительной мембраны, расположенных по разные стороны от оси деформации, проходящей вдоль измерительной мембраны, через среднюю ее часть, параллельно плоскости силовой мембраны.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция волоконно-оптического датчика давления, выбранного в качестве прототипа [3]. Датчик выполнен на основе оптического волокна и содержит участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения. Участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав. Пропускной канал включает по меньшей мере один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины.
Конструкции волоконно-оптических датчиков давления, описанные в [1, 2], обладают низкой чувствительностью, обусловленной малым количеством изгибов оптического волокна, за счет малой величины относительного удлинения оптического волокна на участке деформации оптического волокна.
Недостатком конструкции волоконно-оптического датчика давления, описанного в [3], является низкая технологичность, поскольку не представляется возможным заранее определять геометрические параметры конструкции для различных значений измеряемых давлений.
Кроме того, волоконно-оптические датчики давления, описанные в [1-3], выполнены на макроуровне, в связи с чем их использование в составе специальной техники неприемлемо.
Целью изобретения является повышение точности измерения за счет повышения чувствительности микромеханического волоконно-оптического датчика давления.
Поставленная цель достигается тем, что микромеханический волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса. Пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса в виде паза. Оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами пропускного канала, согласно предлагаемому изобретению оптическое волокно в пазу выполнено с решетками Брега, а пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины hм. Первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны, определенном из соотношения:
вдоль участка оптического волокна, причем размеры дна жестких центров определены из соотношения:
где а ДМ - размер дна квадратной мембраны,
высота жестких центров hц определена из соотношения:
где Hкр - толщина кремниевого кристалла;
hм - толщина квадратной мембраны кремневого кристалла;
dОВ - диаметр участка оптического волокна с сформированными решетками Брэгга.
Толщина hм квадратных мембран кремниевых кристаллов определена из соотношения:
где Pном - величина номинала измеряемого давления, МПа.
Кроме того, согласно предлагаемому изобретению, используют одномодовое оптическое волокно.
Выполнение корпуса в виде двух кремниевых пластин с квадратными мембранами с жесткими центрами, между которыми сформирован пропускной канал, приводит к увеличению количества изгибов оптического волокна, т.е. растягивая оптическое волокно на участке деформации, что приводит к повышению чувствительности к измеряемому параметру.
На фиг. 1 представлен микромеханический волоконно-оптический датчик давления на основе микромеханической кремниевой ячейки;
на фиг. 2а представлен кремниевый кристалл с одним жестким центром датчика давления;
на фиг. 2б представлен кремниевый кристалл с двумя жесткими центрами датчика давления;
на фиг. 3 представлена зависимость изменения отношений размеров мембран кремниевых кристаллов к толщине мембран от относительного удлинения оптического волокна;
на фиг. 4 представлена зависимость изменения отношений размеров мембран кремниевых кристаллов к толщине мембран от воздействующего давления, где 18 - результаты расчетов; 19 - аппроксимация результатов расчетов.
Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна 1, содержащего участок ввода и вывода 10 оптического сигнала, а также участок 2 диаметром dов с сформированными на нем решетками Брэгга, который размещен в пропускном канале 11 корпуса (фиг.2). Пластины выполнены в виде двух кремниевых кристаллов 3 и 4 с квадратными мембранами 5 и 6 одинаковой толщины hм. В центре квадратной мембраны кремниевого кристалла 3 расположен квадратный жесткий центр 7. Кремниевый кристалл 4 имеет два одинаковых квадратных жестких центра 8 и 9, центры которых находятся на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны 6, определенном из соотношения (1). Размер дна жестких центров 7, 8, 9 а ДЦ определен из условия (2), а их высота hц - из условия (3). Толщина мембран кремниевых кристаллов 3 и 4 определена из условия (4).
Соотношения для определения размера дна жесткого центра а ДЦ в соответствии с (2) и определения расстояния l расположения жестких центров кристалла 4 (фиг. 2, б) по обе стороны от центра мембраны в соответствии с (1) определены, исходя из следующего. Высокую чувствительность датчика к воздействию давления можно получить при уменьшении радиуса изгиба оптического волокна, а также за счет увеличения числа изгибов. Как правило, это приводит к увеличению длины участка чувствительного элемента датчика. Однако известно, что для надежного функционирования датчика, наоборот, нельзя значительно уменьшать радиус изгиба оптического волокна, т.к. это может привести к обрыву волокна и выходу из строя датчика. Данные соотношения обеспечивают достаточное количество изгибов оптического волокна (также с учетом изгибов, вызванных жестким центром 7 кристалла 3) при радиусах изгиба, не превышающих критические, для получения высокой чувствительности датчика.
Соотношение для определения высоты жесткого центра hц в соответствии с (3) обусловлено тем, что при выявленной высоте жестких центров обеспечивается состояние покоя оптического волокна, когда датчик давления находится в ненагруженном состоянии, т.е. отсутствуют прогибы квадратных мембран и, как следствие, изгибы оптического волокна.
Выражение для определения толщины hм квадратных мембран кремниевых кристаллов 3 и 4 в соответствии с (4) было получено в результате моделирования деформаций методом конечных элементов. При фиксированных значениях размера дна квадратных мембран a ДМ, размеров и расположения дна жестких центров 7, 8, 9 кремниевых кристаллов 3 и 4 (фиг. 1, фиг. 2) для значений воздействующего давления 0,5; 1,0; 10,0 и 20,0 МПа изменялись значения толщин мембран hм кремниевых кристаллов 3 и 4 (размеры мембран и толщины кремниевых кристаллов 3 и 4 принимались равными) и фиксировались значения удлинения оптического волокна 1 ΔL на длине L (фиг. 1), численно равной размеру дна квадратных мембран а ДМ кремниевых кристаллов 3 и 4.
Для значений воздействующего давления более 20 МПа в области заделки мембраны возникают значительные механические напряжения, соизмеримые с временным сопротивлением изгибу кремния, равным σв=1,5 ГПа (полученным по результатам эксперимента на разрушение кремниевых кристаллов), что приводит к значительному снижению надежности датчика.
Размер мембран кремниевых кристаллов а м определялся как:
где 54,4° - угол травления кремния плоскости [100] (материал кремниевых кристаллов 3 и 4).
Эффект обратного отражения оптического сигнала на участке оптического волокна с сформированными решетками Брэгга позволяет реализовать участок ввода и вывода сигнала одним соединителем (разъемом).
Микромеханический волоконно-оптический датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на квадратные мембраны 5 и 6, сформированные в кремниевых кристаллах 3 и 4. Кремниевые мембраны 5 и 6 через жесткие центры 7, 8, 9 передают воздействие давления участку 2 оптического волокна 1 с сформированными решетками Брэгга, расположенному между кремниевыми кристаллами 3 и 4, вызывая изгиб участка 2 и тем самым его удлинение. Удлинение участка оптического волокна приводит к изменению отраженной длины волны решетки Брэгга. По изменению отраженной длины волны определяется величина измеряемого давления.
Пример конкретного выполнения расчета
Определяются геометрические параметры кремниевых кристаллов волоконно-оптического датчика давления на следующие номиналы измеряемых давлений: 1 МПа; 5 МПа; 10 МПа; 20 МПа исходя из размера дна квадратных мембран кремниевых кристаллов а ДМ (например, а ДМ=3,5 мм) и стандартной толщины исходных кремниевых пластин (например, Нкр=450 мкм).
Результаты расчетов высоты жестких центров hц в соответствии с выражением (3) представлены в таблице 1.
Таблица 1 | ||
Номинальное давление P, МПа | Толщина мембраны hм., мм при a ДМ=3,5 мм | Высота жестких центров hц, мм |
1 | 0,069 | 0,318 |
5 | 0,119 | 0,269 |
10 | 0,171 | 0,216 |
20 | 0,307 | 0,08 |
Изменения отношений размеров мембран кремниевых кристаллов 3 и 4 к толщине мембран a м/hм для обеспечения заданной величины относительного удлинения оптического волокна 1 ΔL/L представлены на фиг. 3.
Анализ показывает, что для оптических волокон при значениях деформации (относительного удлинения оптического волокна ΔL/L) ε=1…4·10-3 коэффициент запаса прочности составляет K=2…10 [6], что вполне достаточно для обеспечения высокой надежности датчика. Таким образом, рабочим значением относительного удлинения оптического волокна 1 было принято ΔL/L=1,5·10-3. По выражениям, полученным в результате аппроксимации данных, представленных на фиг. 3 (линии 10-13) рассчитывались значения отношения a м/hм при ΔL/L=1,5·10-3 для значений воздействующего давления 0,5; 1,0; 10,0 и 20,0 МПа. Результаты расчетов аппроксимировались, и была получена зависимость изменения отношения размера мембраны кремниевых кристаллов к толщине мембраны a м/hм от воздействующего давления P, представленная на фиг. 4, и с учетом (5) получено выражение (4) для расчета толщины hм квадратных мембран кремниевых кристаллов.
Таким образом, заявляемое техническое решение повышает точность измерения за счет повышения чувствительности микромеханического волоконно-оптического датчика давления и позволяет проектировать микромеханические волоконно-оптические датчики давления с верхним пределом измеряемых давлений до 20 МПа.
Источники информации
1. RU патент №2205374. G01L 1/24, G01L 11/02. Волоконно-оптические датчики давления и система измерения давления, их включающая. Опубл.: 27.05.2003.
2. RU патент №130073. G01L 11/00. Датчик давления. Опубл.: 10.07.2013.
3. RU патент №2420719. G01L 11/02. Волоконно-оптический датчик давления. Опубл.: 10.06.2011.
4. Дональд Дж. Стерлинг. Волоконная оптика. Техническое руководство / Дональд Дж. Стерлинг - М.: Изд-во «ЛОРИ», 1998. - 180 с.
5. Гридчин В.А. Физика микросистем. Учебное пособие в 2 частях. Часть 1 / В.А. Гридчин, В.П. Драгунов. - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2004. - 416 С.
6. Никоноров Н.В., Сидоров А.И. Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна. Учебное пособие / Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики - СПб, 2009. - 130 с.
Claims (4)
1. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса, при этом пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании, причем оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами, отличающийся тем, что оптическое волокно в пазу выполнено с решетками Брега, а пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины hм, при этом первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных вдоль участка оптического волокна на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны, определенном из соотношения:
размеры дна жестких центров аДЦ определяются как:
где аДМ - размер дна квадратной мембраны,
а высота жестких центров hц определена из выражения:
где Hкр - толщина кремниевого кристалла;
hм - толщина квадратной мембраны кремневого кристалла;
dОВ - диаметр участка оптического волокна с сформированными решетками Брэгга;
а толщина hм мембран кремниевых кристаллов определена из математического выражения:
где Рном - величина номинала измеряемого давления, МПа.
размеры дна жестких центров аДЦ определяются как:
где аДМ - размер дна квадратной мембраны,
а высота жестких центров hц определена из выражения:
где Hкр - толщина кремниевого кристалла;
hм - толщина квадратной мембраны кремневого кристалла;
dОВ - диаметр участка оптического волокна с сформированными решетками Брэгга;
а толщина hм мембран кремниевых кристаллов определена из математического выражения:
где Рном - величина номинала измеряемого давления, МПа.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического волокна использовано одномодовое оптическое волокно.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что участки ввода и вывода реализованы одним соединителем.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что мембраны выполнены квадратными.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014132332/28A RU2571448C1 (ru) | 2014-08-05 | 2014-08-05 | Микромеханический волоконно-оптический датчик давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014132332/28A RU2571448C1 (ru) | 2014-08-05 | 2014-08-05 | Микромеханический волоконно-оптический датчик давления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2571448C1 true RU2571448C1 (ru) | 2015-12-20 |
Family
ID=54871360
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014132332/28A RU2571448C1 (ru) | 2014-08-05 | 2014-08-05 | Микромеханический волоконно-оптический датчик давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2571448C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2676553C1 (ru) * | 2017-11-07 | 2019-01-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) | Волоконно-оптический датчик силы |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000033046A1 (en) * | 1998-12-04 | 2000-06-08 | Cidra Corporation | Fused tension-based fiber grating pressure sensor |
US6422084B1 (en) * | 1998-12-04 | 2002-07-23 | Weatherford/Lamb, Inc. | Bragg grating pressure sensor |
RU2205374C2 (ru) * | 1997-07-07 | 2003-05-27 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Волоконно-оптические датчики давления и система измерения давления, их включающая |
EP2148179A1 (en) * | 2008-07-25 | 2010-01-27 | Tanita Corporation | Load converter and measuring device |
-
2014
- 2014-08-05 RU RU2014132332/28A patent/RU2571448C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2205374C2 (ru) * | 1997-07-07 | 2003-05-27 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Волоконно-оптические датчики давления и система измерения давления, их включающая |
WO2000033046A1 (en) * | 1998-12-04 | 2000-06-08 | Cidra Corporation | Fused tension-based fiber grating pressure sensor |
US6422084B1 (en) * | 1998-12-04 | 2002-07-23 | Weatherford/Lamb, Inc. | Bragg grating pressure sensor |
EP2148179A1 (en) * | 2008-07-25 | 2010-01-27 | Tanita Corporation | Load converter and measuring device |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2676553C1 (ru) * | 2017-11-07 | 2019-01-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) | Волоконно-оптический датчик силы |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Leal-Junior et al. | Sensitive zone parameters and curvature radius evaluation for polymer optical fiber curvature sensors | |
US7406877B2 (en) | Uniaxial thermal and/or mechanical deformation-measuring device system and method employing a Bragg grating optical fibre | |
Wan et al. | Investigation of the strain transfer for surface-attached optical fiber strain sensors | |
US8805128B2 (en) | Multi-point pressure sensor and uses thereof | |
Lomer et al. | Lateral polishing of bends in plastic optical fibres applied to a multipoint liquid-level measurement sensor | |
US10620018B2 (en) | Method for measuring the displacement profile of buildings and sensor therefor | |
CN108760109A (zh) | 基于布拉格光纤光栅的可变量程的土体压力测量装置和方法 | |
CN109196394A (zh) | 利用光纤光栅传感器的位移检测装置及其灵敏度、耐久性的调节方法 | |
US7729567B2 (en) | Fiber optic transducer for simultaneous pressure and temperature measurement in fluid flow | |
EP2990756B1 (en) | Strain sensor and strain sensor installation method | |
KR101203700B1 (ko) | 광섬유격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템 | |
Li et al. | Fiber Bragg grating soil-pressure sensor based on dual L-shaped levers | |
EP3311130A1 (en) | Fiber optic pressure apparatus, methods, and applications | |
KR101105369B1 (ko) | 광섬유 변형률 센서를 이용한 교량 바닥판의 상대처짐량 측정장치 및 상대처짐 측정방법 | |
EP3425343A1 (en) | Optical fiber sensor | |
RU2571448C1 (ru) | Микромеханический волоконно-оптический датчик давления | |
Dennison et al. | Sensitivity of Bragg gratings in birefringent optical fiber to transverse compression between conforming materials | |
Leal-Junior et al. | FBG-embedded oblong diaphragms with extended dynamic range | |
EP2288875A1 (en) | Micron-scale pressure sensors and use thereof | |
RU167005U1 (ru) | Спектральный преобразователь деформации | |
Paul et al. | Fiber-optic sensor for handgrip-strength monitoring: conception and design | |
RU2628734C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик давления | |
CN109696256A (zh) | 一种根据布里渊频移测量温度和/或形变的方法和装置 | |
CN105136041B (zh) | 一种基于fbg传感器的局部位移测量装置 | |
Xu et al. | Stretchable multi-function fiber sensor for tension, bending and torsion sensing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PD4A | Correction of name of patent owner |