RU2795841C1 - Fiber optic temperature sensor - Google Patents

Fiber optic temperature sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2795841C1
RU2795841C1 RU2022101971A RU2022101971A RU2795841C1 RU 2795841 C1 RU2795841 C1 RU 2795841C1 RU 2022101971 A RU2022101971 A RU 2022101971A RU 2022101971 A RU2022101971 A RU 2022101971A RU 2795841 C1 RU2795841 C1 RU 2795841C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
shank
fiber
temperature sensor
sleeve
optic temperature
Prior art date
Application number
RU2022101971A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Татьяна Ивановна Мурашкина
Елена Александровна Бадеева
Дмитрий Иванович Серебряков
Евгений Андреевич Дудоров
Надежда Александровна Хасаншина
Владислав Александрович Бадеев
Original Assignee
Татьяна Ивановна Мурашкина
Filing date
Publication date
Application filed by Татьяна Ивановна Мурашкина filed Critical Татьяна Ивановна Мурашкина
Application granted granted Critical
Publication of RU2795841C1 publication Critical patent/RU2795841C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention relates to measuring technology and can be used in fiber-optic sensors designed to measure the temperature of large-volume cement, or under the influence of external destabilizing factors on products of rocket-space and aviation technology. A fiber-optic temperature sensor is claimed, containing a source and receivers of radiation, input and output optical fibers fixed in a sleeve opposite the reflective surface of the shank inside the housing. Moreover, a cylindrical tube made of a material with a high coefficient of thermal expansion is additionally introduced into the device, coaxially located inside the body, and the inner diameter of the cylindrical tube is at most equal to the outer diameter of the narrow part of the shank and the outer diameter of the narrow part of the sleeve. The coefficients of linear expansion of the body materials αB, shank αS, bushing αBS and cylinder αC are determined by the relation X 0=(0,3…0,7)d C, where d C is the diameter of the optical fiber core, the lengths of the body l B and the cylinder l C are interconnected by the expression l B=(0,95…1)l CαCB.
EFFECT: reducing internal stresses and, accordingly, increasing the mechanical reliability of the device in large temperature ranges (for example, in the range of -50°C…+100°C); exclusion of sensor housing deformations caused by deformations of a hard environment (for example, concrete) that affect the accuracy of temperature measurement; high accuracy of temperature measurement due to the possible implementation of the compensation conversion of optical signals directly in the zone of measurement information perception; ensuring the tightness of the structure.
10 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках, предназначенных для измерения температуры объектов в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения температуры цемента большого объема в процессе его затвердевания, а затем в процессе эксплуатации сооружения. Кроме того, датчик может использоваться для измерения температуры в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической и авиационной техники.The invention relates to measuring technology and can be used in fiber-optic sensors designed to measure the temperature of objects in various sectors of the national economy and, first of all, to measure the temperature of large-volume cement during its hardening, and then during the operation of the structure. In addition, the sensor can be used to measure temperature under the influence of external destabilizing factors on products of rocket, space and aviation technology.

Известен волоконно-оптический датчик температуры, содержащий осветительный и приемный световоды, первые концы которых подсоединены соответственно к источнику света и приемнику, а вторые концы подсоединены к капсуле. Общий ввод-вывод разветвителя закреплен в капсуле. В полости капсулы расположено внутрикапсульное зеркало, с помощью которого осуществляется отражение входного светового потока, поступающего через разветвитель от осветительного световода, и передача отраженного выходного светового потока в обратном направлении через этот же разветвитель в приемный световод [патент RU 2256890]. Внутрикапсульное зеркало выполнено на торце стержня, закрепленного своим противоположным концом на дне капсулы.Known fiber-optic temperature sensor containing lighting and receiving light guides, the first ends of which are connected respectively to the light source and the receiver, and the second ends are connected to the capsule. The common input-output of the splitter is fixed in the capsule. An intracapsular mirror is located in the cavity of the capsule, with the help of which the input light flux coming through the splitter from the lighting fiber is reflected, and the reflected output light flux is transmitted in the opposite direction through the same splitter to the receiving fiber [patent RU 2256890]. The intracapsular mirror is made at the end of the rod, fixed with its opposite end at the bottom of the capsule.

Известен волоконно-оптический датчик температуры, состоящий из капилляра с закрепленными в нем оптическими волокнами, плоские и гладкие торцы которых находятся на расстоянии друг от друга (патент RU 2334965, фиг.5). Одно из волокон является входом и выходом чувствительного элемента. Волокна прикрепляются к капилляру с помощью клея или легкоплавкого стекла. При изменении температуры происходит изменение длины капилляра, в результате чего изменяется база датчика (расстояние между торцами волокон).Known fiber-optic temperature sensor, consisting of a capillary fixed in it with optical fibers, flat and smooth ends of which are at a distance from each other (patent RU 2334965, figure 5). One of the fibers is the input and output of the sensing element. The fibers are attached to the capillary with glue or fusible glass. When the temperature changes, the length of the capillary changes, as a result of which the base of the sensor (the distance between the ends of the fibers) changes.

Недостатками вышеперечисленных датчиков являются:The disadvantages of the above sensors are:

- незащищенность их от внешних механических воздействий, в первую очередь от воздействия цемента;- their vulnerability from external mechanical influences, primarily from the impact of cement;

- зависимость результатов измерений от изгибов оптических волокон при сборке и воздействии внешних влияющих факторов при эксплуатации.- the dependence of the measurement results on the bending of optical fibers during assembly and the influence of external influencing factors during operation.

Известен волоконно-оптический датчик температуры, выбранный заявителем в качестве прототипа, содержащий капилляр с закрепленными в нем оптоволокном и светоотражающим элементом, установленным на расстоянии от торца оптоволокна, корпус со сквозным отверстием и двумя соосными ему глухими отверстиями, в одном из которых выполнена резьба для винта, хвостовик которого установлен в сквозном отверстии и имеет светоотражающий торец [патент RU 2393431].A fiber-optic temperature sensor is known, chosen by the applicant as a prototype, containing a capillary with an optical fiber fixed in it and a reflective element installed at a distance from the end of the optical fiber, a housing with a through hole and two blind holes coaxial to it, one of which has a thread for a screw , the shank of which is installed in a through hole and has a reflective end [patent RU 2393431].

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- не учтены коэффициенты температурного расширения материалов, из которых изготавливаются элементы датчика, в первую очередь, капилляра и корпуса, что приведет к существенной погрешности измерений, а также при больших изменениях температуры (например, в диапазоне минус 50°С … +100°С) к большим внутренним напряжениям и, соответственно, снижению механической надежности устройства;- the coefficients of thermal expansion of the materials from which the sensor elements are made, primarily the capillary and housing, are not taken into account, which will lead to a significant measurement error, as well as at large temperature changes (for example, in the range of minus 50 ° С ... + 100 ° С) to large internal stresses and, accordingly, to a decrease in the mechanical reliability of the device;

- при установке такого датчика в затвердевающий цемент, корпус будет испытывать деформации, уровни которых сравнимы по значению с диапазоном измерения датчика, который определяется изменением расстояния между отражателем и торцом оптических волокон, соответственно, все метрологические характеристики, полученные в процессе градуирования и калибровки датчика, существенно изменятся; - when such a sensor is installed in hardening cement, the body will experience deformations, the levels of which are comparable in value with the measurement range of the sensor, which is determined by the change in the distance between the reflector and the end of the optical fibers, respectively, all metrological characteristics obtained in the process of grading and calibrating the sensor are significantly will change;

- конструкция датчика негерметичная, поэтому в условиях возможной влажности на отражающей поверхности и на торцах оптических волокон возможно возникновение при повышенных температурах водяных капелек (линз), а при пониженных температурах - инея, которые внесут существенную дополнительную погрешность;- the design of the sensor is leaky, therefore, under conditions of possible humidity on the reflective surface and on the ends of optical fibers, water droplets (lenses) may appear at elevated temperatures, and frost at low temperatures, which will introduce a significant additional error;

- результаты измерений зависят от изгибов оптических волокон при сборке и воздействии внешних влияющих факторов при эксплуатации, что также ведет к большим дополнительным погрешностям.- the measurement results depend on the bending of optical fibers during assembly and the influence of external influencing factors during operation, which also leads to large additional errors.

В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающих заявленный технический результат.As a result of a search through the sources of patent and technical information, no devices were found with a set of essential features that coincide with the proposed invention and provide the claimed technical result.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются:The technical result of the invention are:

- уменьшение внутренних напряжений и, соответственно, повышению механической надежности устройства в больших диапазонах изменения температур (например, в диапазоне минус 50°С … +100°С);- reducing internal stresses and, accordingly, increasing the mechanical reliability of the device in large temperature ranges (for example, in the range of minus 50°С ... +100°С);

- исключение деформаций корпуса датчика, обусловленных деформациями жесткой окружающей среды (например, бетона), влияющих на точность измерения температуры;- exclusion of sensor housing deformations caused by deformations of a hard environment (for example, concrete), which affect the accuracy of temperature measurement;

- высокая точность измерения температуры за счет возможной реализации компенсационного преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации;- high accuracy of temperature measurement due to the possible implementation of the compensation conversion of optical signals directly in the zone of measurement information perception;

- обеспечение герметичности конструкции.- Ensuring the tightness of the structure.

Указанный технический результат достигается тем, что:The specified technical result is achieved by the fact that:

- волоконно-оптический датчик температуры, содержащий источник и приемники излучения, подводящие и отводящие оптические волокна, закрепленные во втулке напротив отражающей поверхности хвостовика внутри корпуса, отличается тем, что- a fiber-optic temperature sensor containing a source and receivers of radiation, input and output optical fibers fixed in a sleeve opposite the reflective surface of the shank inside the housing, characterized in that

- вновь введена цилиндрическая трубка из материала с высоким коэффициентом температурного расширения, коаксиально расположенный внутри корпуса, причем внутренний диаметр цилиндрической трубки как максимум равен внешнему диаметру узкой части хвостовика и внешнему диаметру узкой части втулки, торцы цилиндрической трубки герметично соединены с внутренними торцами широкой части хвостовика и широкой части втулки, причем коэффициенты линейного расширения материалов корпуса αК, хвостовика αХВ, втулки αВТ и цилиндра αЦ определяются соотношением:- again introduced a cylindrical tube made of a material with a high coefficient of thermal expansion, coaxially located inside the body, and the inner diameter of the cylindrical tube is at most equal to the outer diameter of the narrow part of the shank and the outer diameter of the narrow part of the sleeve, the ends of the cylindrical tube are hermetically connected to the inner ends of the wide part of the shank and the wide part of the bushing, and the coefficients of linear expansion of the materials of the body α K , shank α XB , bushing α VT and cylinder α C are determined by the relation:

Figure 00000001
Figure 00000001

начальное расстояние Х 0 между отражающей поверхностью и торцом оптических волокон определяется выражением:the initial distance X 0 between the reflective surface and the end of the optical fibers is determined by the expression:

Figure 00000002
Figure 00000002

где d С - диаметр сердцевины оптического волокна, where d C is the diameter of the core of the optical fiber,

длины корпуса l К и цилиндра l Ц связаны между собой выражением:body length l K and cylinder l C are interconnected by the expression:

Figure 00000003
Figure 00000003

- в стенке цилиндра сделано сквозное отверстие для заполнения свободного пространства между хвостовиком, втулкой и цилиндрической трубкой инертным газом, в котором герметично устанавливается герметизирующая деталь (например штифт/винт) - a through hole is made in the wall of the cylinder to fill the free space between the shank, the sleeve and the cylindrical tube with an inert gas, in which a sealing part (for example, a pin / screw) is hermetically installed

- сквозное отверстие может быть загерметизировано пайкой с помощью припоя;- the through hole can be sealed by soldering with solder;

- с зазором относительно широкой части хвостовика в корпусе герметично крепится крышка из того же материала, что и корпус;- with a gap relative to the wide part of the shank in the body, a cover made of the same material as the body is hermetically fastened;

- свободное пространство между внутренними поверхностями корпуса и крышки и внешними поверхностями цилиндрической трубки, втулки и широкой части хвостовика заполняется теплопроводным составом;- the free space between the inner surfaces of the body and cover and the outer surfaces of the cylindrical tube, bushing and wide part of the shank is filled with a heat-conducting compound;

- во втулке выполнено боковое глухое отверстие, в котором закреплено неподвижное зеркало на расстоянии Х 0 относительно торца дополнительной втулки, с закрепленными дополнительными подводящими и отводящими оптическими волокнами;- in the bushing there is a side blind hole in which a fixed mirror is fixed at a distance X 0 relative to the end face of the additional bushing, with additional incoming and outgoing optical fibers fixed;

- все оптические волокна протянуты сквозь хвостовик, герметично соединенный с корпусом со стороны втулки;- all optical fibers are stretched through the shank, hermetically connected to the body from the side of the sleeve;

- зазор между неподвижным зеркалом и торцом дополнительной втулки заполнен инертным газом.- the gap between the fixed mirror and the end face of the additional sleeve is filled with an inert gas.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами.The essence of the proposed invention is illustrated by drawings.

На фигуре 1 изображен общий вид волоконно-оптического датчика температуры, на фигуре 2 - упрощенная структурная схема преобразования сигналов; на фигуре 3 - графические зависимости К(Х)=Ф(Х)/Ф0.Figure 1 shows a general view of a fiber optic temperature sensor, figure 2 is a simplified block diagram of signal conversion; figure 3 - graphical dependency K ( X )=F( X )/F 0 .

Датчик содержит корпус 1 из материала с хорошей теплопроводностью (например, медного сплава), внутри которого размещен чувствительный элемент, представляющий собой цилиндр 2 из материала с высоким коэффициентом температурного расширения αЦ, например, из алюминия. С двух сторон цилиндра 2 установлены хвостовик 3 и втулка 4 из материалов с небольшими коэффициентами температурного расширения αХВ, αВТ соответственно, например, из стали 36НХТЮ, причем коэффициенты линейного расширения материалов корпуса αК, хвостовика αХВ, втулки αВТ и цилиндра αЦ определяются соотношением (1).The sensor contains a housing 1 made of a material with good thermal conductivity (for example, a copper alloy), inside which is placed a sensitive element, which is a cylinder 2 made of a material with a high coefficient of thermal expansion α C , for example, aluminum. On both sides of the cylinder 2 there is a shank 3 and a sleeve 4 made of materials with small coefficients of thermal expansion α ХВ , α VT , respectively, for example, steel 36НХТЮ, and the coefficients of linear expansion of the body materials α K , shank α ХВ , sleeve α VT and cylinder α C are determined by relation (1).

Отражающая поверхность 5 хвостовика 3 находится напротив торцов 6 рабочего подводящего 7 (ПОВ) и рабочего отводящего 8 (ООВ) оптических волокон, закрепленных во втулке 4, причем при нормальной температуре (температуре градуирования) начальное расстояние между поверхностью 5 и торцом 6 определяется выражением (2).The reflecting surface 5 of the shank 3 is opposite the ends 6 of the working inlet 7 (POF) and the working outgoing 8 (OOV) optical fibers fixed in the sleeve 4, and at normal temperature (calibration temperature) the initial distance between the surface 5 and the end 6 is determined by the expression (2 ).

Внешний диаметр узкой части хвостовика 3 равен внутреннему диаметра цилиндра 2 (причем допуски на отверстие и вал обеспечивают скользящую посадку, например, H7/g6). Аналогично внешний диаметр узкой части втулки 4 равен внутреннему диаметру цилиндра 2, устанавливается также по скользящей посадке. Широкая часть втулки 4 с помощью резьбы закрепляется на внутренней стенку цилиндрической трубки и жестко на ней фиксируется, например с помощью клеящего состава.The outer diameter of the narrow part of the shank 3 is equal to the inner diameter of the cylinder 2 (with bore and shaft tolerances providing a sliding fit, eg H7/g6). Similarly, the outer diameter of the narrow part of the sleeve 4 is equal to the inner diameter of the cylinder 2, and is also set to a sliding fit. The wide part of the sleeve 4 is threaded onto the inner wall of the cylindrical tube and rigidly fixed on it, for example, using an adhesive.

Внутренние торцы 9 и 10 широкой части хвостовика 3 и втулки 4 соответственно соединены герметично с торцами цилиндра 2, например с помощью сварки или пайки 11 и 12 соответственно.The inner ends 9 and 10 of the wide part of the shank 3 and sleeve 4, respectively, are tightly connected to the ends of the cylinder 2, for example by welding or soldering 11 and 12, respectively.

В стенке цилиндра 2 сделано сквозное отверстие 13 для заполнения свободного пространства между хвостовиком 3 и втулкой 4 инертным газом, в котором герметично устанавливается герметизирующая деталь 14 (например штифт, установленный завальцовкой, а затем пайкой, или вворачивается винт и герметизируется клеящим составом).A through hole 13 is made in the wall of the cylinder 2 to fill the free space between the shank 3 and the sleeve 4 with an inert gas, in which the sealing part 14 is hermetically installed (for example, a pin installed by rolling and then soldering, or a screw is screwed in and sealed with adhesive).

С помощью резьбы на узкой части хвостовика 3 чувствительный элемент закрепляется на внутренней резьбе цилиндрической трубки 2.Using the thread on the narrow part of the shank 3, the sensitive element is fixed on the internal thread of the cylindrical tube 2.

Со стороны широкой части хвостовика 3 с зазором относительно хвостовика 3 в корпусе 1 неподвижно крепится крышка 15 из того же материала, что и корпус 1.From the side of the wide part of the shank 3 with a gap relative to the shank 3 in the body 1, a cover 15 of the same material as the body 1 is fixedly fixed.

Свободное пространство между внутренними поверхностями корпуса 1 и крышки 15 и внешними поверхностями цилиндрической трубки 2, втулки 4 и широкой части хвостовика 3 заполняется теплопроводным составом 16.The free space between the inner surfaces of the body 1 and the cover 15 and the outer surfaces of the cylindrical tube 2, the sleeve 4 and the wide part of the shank 3 is filled with a heat-conducting compound 16.

Во втулке 4 выполнено боковое глухое отверстие 17, в котором закреплено неподвижное зеркало 18 на расстоянии Х 0 относительно торца дополнительной втулки 19, с закрепленными дополнительными подводящими 20 и отводящими 21 оптическими волокнами (см. фиг. 2). Отверстие 17 перед установкой втулки 19 заполняется инертным газом (например, аргоном).In the sleeve 4, a side blind hole 17 is made, in which a fixed mirror 18 is fixed at a distance X 0 relative to the end of the additional sleeve 19, with additional input 20 and output 21 optical fibers fixed (see Fig. 2). Hole 17 before installing the sleeve 19 is filled with an inert gas (for example, argon).

Все оптические волокна протянуты сквозь хвостовик 22, герметично соединенный со втулкой 4, заполненный герметиком и закрепленный в корпусе 1.All optical fibers are pulled through the shank 22, hermetically connected to the sleeve 4, filled with a sealant and fixed in the housing 1.

Датчик работает следующим образом.The sensor works as follows.

При изменении температуры окружающей среды на значение ΔT она благодаря процессу теплопередачи передается через корпус 1, теплопроводную пасту 16, на цилиндрическую трубку 2, которая изменяет свою длину благодаря большому коэффициенту температурного расширения. Так как на торцах цилиндрической трубки 2 жестко закреплены хвостовик 3 и втулка 4 с малыми коэффициентами расширения, то происходит перемещение отражающей поверхности 5 хвостовика 3 относительно торцов 6 оптических волокон.When the ambient temperature changes by ΔT, it is transferred through the heat transfer process through the body 1, the heat-conducting paste 16, to the cylindrical tube 2, which changes its length due to the large coefficient of thermal expansion. Since the shank 3 and sleeve 4 with low expansion coefficients are rigidly fixed at the ends of the cylindrical tube 2, the reflective surface 5 of the shank 3 moves relative to the ends 6 of the optical fibers.

Световой поток от источника излучения 23 (например, ИК-светодиода) по рабочим ПОВ 7 подается в зону измерения, падает на зеркальную поверхность 5 хвостовика 3, отражается от него и поступает на вход рабочего ООВ 8 (фиг. 2). По ООВ 8 световой поток направляется к рабочему приемнику излучения 24 (например, фотодиоду), где преобразуется в электрический сигнал, значение которого пропорционально расстоянию между поверхностями 5 и 6.The light flux from the radiation source 23 (for example, an IR LED) is fed through the working POV 7 into the measurement zone, falls on the mirror surface 5 of the shank 3, is reflected from it and enters the working POV 8 (Fig. 2). Through OOV 8, the luminous flux is directed to a working radiation receiver 24 (for example, a photodiode), where it is converted into an electrical signal, the value of which is proportional to the distance between surfaces 5 and 6.

Световой поток от источника излучения 23 по дополнительным ПОВ 20 подается в зону неподвижного зеркала 18, падает на его зеркальную, отражается от него и поступает на вход дополнительного ООВ 21. По ООВ 21 световой поток направляется к дополнительному приемнику излучения 25 (например, фотодиоду), где преобразуется в электрический сигнал, значение которого пропорционально расстоянию Х 0. Так как дополнительное зеркало установлено в короткой части втулки 4 с малым коэффициентом температурного расширения (например, 36НХТЮ), то расстояние Х 0 в процессе измерений остается неизменным.The luminous flux from the radiation source 23 through additional POV 20 is fed into the zone of the fixed mirror 18, falls on its mirror, is reflected from it and enters the input of the additional OOV 21. Through the OOV 21, the luminous flux is directed to an additional radiation receiver 25 (for example, a photodiode), where is converted into an electrical signal, the value of which is proportional to the distance X 0 . Since the additional mirror is installed in the short part of the sleeve 4 with a low coefficient of thermal expansion (for example, 36NKhTYu), the distance X 0 remains unchanged during the measurement process.

Оптические излучения Ф1(Х) ~ Ф1(T) и Ф2(Х 0), несущие измерительную информацию об измеряемой температуре, поступают на приемники излучения 24 и 25 соответствующих каналов (см. фиг. 2). Приемники излучения преобразуют оптические сигналы Ф1(T) и Ф2(Х 0) в электрические I 1(T) и I 2(Х 0) соответственно. Данные сигналы поступают на вход электронного блока преобразования информации 26, где происходит дальнейшее их преобразование, например, выполняется операция, соответствующая логометрическому преобразованию:Optical radiation Ф 1 ( X ) ~ Ф 1 ( T ) and Ф 2 ( X 0 ), carrying measurement information about the measured temperature, arrive at the radiation receivers 24 and 25 of the respective channels (see Fig. 2). Radiation receivers convert optical signals Ф 1 ( T ) and Ф 2 ( X 0 ) into electrical I 1 ( T ) and I 2 ( X 0 ) respectively. These signals are fed to the input of the electronic information conversion unit 26, where they are further converted, for example, an operation corresponding to the ratiometric conversion is performed:

Figure 00000004
Figure 00000004

где k - коэффициент пропорциональности.where k is the coefficient of proportionality.

Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем следующим образом.Establishing a causal relationship between the claimed features and the achieved technical effect will be carried out as follows.

Корпус 1 изготавливается из материала с хорошей теплопроводностью для уменьшения инерционности при передачи температуры от окружающей среды к чувствительному элементу 2 и, соответственно, снижения динамической погрешности. Толщина корпуса 1 выбирается из тех же соображений, а также для обеспечения прочности конструкции датчика, если он располагается в жесткой деформируемой среде, например, в бетоне.Housing 1 is made of a material with good thermal conductivity to reduce the inertia in the transfer of temperature from the environment to the sensing element 2 and, accordingly, reduce the dynamic error. The thickness of the case 1 is selected from the same considerations, as well as to ensure the strength of the sensor design if it is located in a hard deformable medium, for example, in concrete.

Цилиндрическая трубка 2, выполняющая функции элемента, преобразующего измеряемую температуру в изменение расстояния Х между торцами 5 и 6, изготавливается из материала с высоким коэффициентом температурного расширения αЦ, например, из алюминия, чтобы обеспечить большую глубину модуляции и высокую чувствительность преобразования оптического сигнала.Cylindrical tube 2, which acts as an element that converts the measured temperature into a change in the distance X between the ends 5 and 6, is made of a material with a high thermal expansion coefficient α C , for example, aluminum, to provide a large modulation depth and high sensitivity of optical signal conversion.

Хвостовик 3 и втулка 4 изготавливаются из материалов с небольшими коэффициентами температурного расширения, чтобы исключить изменение их длины при изменении температуры, тем самым обеспечивая расчетные значения расстояния между торцами 5 и 6, причем αХВ≈αВТ.Shank 3 and bushing 4 are made of materials with low coefficients of thermal expansion in order to exclude a change in their length with temperature changes, thereby providing the calculated values of the distance between the ends 5 and 6, and α ХВ ≈α ВТ .

Для исключения деформации корпуса 1 при изменении температуры из-за разницы коэффициентов температурного расширения корпуса 1 и цилиндрической трубки 2 необходимо, чтобы изменение длины ΔL К корпуса 1 было равно изменению длины цилиндра Δl Ц, то есть выполнялось условие:To exclude deformation of the body 1 with temperature changes due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the body 1 and the cylindrical tube 2, it is necessary that the change in the length Δ L K of the body 1 be equal to the change in the length of the cylinder Δ l C , that is, the condition is fulfilled:

Figure 00000005
Figure 00000005

Если температура окружающей среды изменяется, то длина l Ц цилиндрической трубки 2 и длина L К корпуса 1 будут изменяться в соответствии с выражениями:If the ambient temperature changes, then the length l C of the cylindrical tube 2 and the length L K of the body 1 will change in accordance with the expressions:

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

где l Ц0, L К0 - длины цилиндрической трубки 2 и корпуса 1 соответственно в нормальных условиях (температура градуирования);where l C0, L C0 are the lengths of the cylindrical tube 2 and body 1, respectively, under normal conditions (calibration temperature);

ΔТ - диапазон изменения температуры.Δ T - range of temperature change.

Подставив выражения (6) и (7) в (5) получим:Substituting expressions (6) and (7) into (5) we get:

Figure 00000008
Figure 00000008

Но ввиду того, что на чертежах линейные размеры должны соответствовать стандартным значениям [ГОСТ 6639-69 Межгосударственный стандарт. Основные нормы взаимозаменяемости. Нормальные линейные размеры], то введен корректирующий коэффициент, равный (0,95…1). В результате получим условие (3).But in view of the fact that in the drawings the linear dimensions must correspond to the standard values [GOST 6639-69 Interstate standard. Basic norms of interchangeability. Normal linear dimensions], then a correction factor equal to (0.95 ... 1) is introduced. As a result, we obtain condition (3).

Так как длина корпуса 1 существенно больше длины цилиндрической трубки 2 (см. фиг.1), то для исключения деформации корпуса 1 датчика при изменении температуры необходимо, чтобы αЦ > αК.Since the length of the body 1 is significantly longer than the length of the cylindrical tube 2 (see figure 1), then to avoid deformation of the body 1 of the sensor when the temperature changes, it is necessary that α C > α K .

Широкая часть хвостовика 3 и крышка 15 располагаются относительно друг друга с некоторым зазором так, чтобы чувствительный элемент (совокупность цилиндрической трубки 2, хвостовика 3 и втулки 4) имел возможность свободно перемещаться вдоль корпуса 1 при изменении температуры, не вызывая деформацию корпуса 1. И, наоборот, при деформации корпуса 1 по той или иной причине не деформировался чувствительный элемент.The wide part of the shank 3 and the cover 15 are located relative to each other with a certain gap so that the sensitive element (the combination of cylindrical tube 2, shank 3 and bushing 4) can move freely along the body 1 with temperature changes without causing deformation of the body 1. And, on the contrary, when the body 1 was deformed, for one reason or another, the sensitive element was not deformed.

Для передачи температуры окружающей среды, осуществляемой благодаря процессу теплопередачи (теплопроводности), корпус 1 и цилиндрическая трубка 2 изготавливаются из материала с хорошей теплопроводностью, между ними располагают теплопроводный состав 16, имеющий хорошую теплопроводность (например, термопаста КПТ-8 или 52022) и обеспечивающий снижение температурного сопротивления на пути распространения теплового потока.To transfer the ambient temperature, carried out due to the process of heat transfer (thermal conductivity), the body 1 and the cylindrical tube 2 are made of a material with good thermal conductivity, a thermally conductive composition 16 is placed between them, which has good thermal conductivity (for example, thermal paste KPT-8 or 52022) and reduces temperature resistance on the path of heat flow propagation.

Начальная длина l Ц0 выбирается таким образом, чтобы ее изменение в диапазоне измерения обеспечивало большую глубину модуляции оптического сигнала (до 30 %) и линейную функцию преобразования Ф(Х) светового потока от изменения расстояния Х между поверхностями 5 и 6. The initial length lц0 is chosen in such a way that its change in the measurement range provides a large depth of modulation of the optical signal (up to 30 % ) and a linear conversion function Ф( Х ) of the luminous flux from a change in the distance Х between surfaces 5 and 6 .

На фигуре 3а в качестве примера приведены результаты расчета зависимости К(Х)=Ф(Х)/Ф0, где Ф0 - начальный световой поток, введенный в зону измерения по ПОВ 7.In figure 3a, as an example, the results of calculating the dependence K ( X )=F( X )/F 0 are shown, where F 0 is the initial luminous flux introduced into the measurement zone according to POV 7.

Анализ графической зависимости К(Х) показывает, что необходимо работать или на восходящей или на нисходящей ветви зависимости. Для примера построена зависимость К(Х) в диапазоне (0,7…0,8) мм для оптического волокна с диаметром сердцевины d С =200 мкм, с апертурным углом

Figure 00000009
=12° (см. фиг. 3б).Analysis of the graphic dependence K ( X ) shows that it is necessary to work either on the ascending or descending branch of the dependence. For example, the dependence K ( X ) in the range (0.7 ... 0.8) mm is plotted for an optical fiber with a core diameter d С = 200 μm, with an aperture angle
Figure 00000009
=12° (see Fig. 3 b ).

Существенной линеаризации зависимости К(Х) можно добиться, если отражающая поверхность 5 перемещается в диапазоне 0,25d c …0,75d c вдоль оси Х относительно торцов 6 оптических волокон (ОВ). Например, при d C=200 мкм перемещение по оси Х составит 100 мкм. Изменение начального расстояния Х 0 между торцами 5 и 6 ведет к изменению чувствительности преобразования до 30 %, зависимость К=f(Х) линейная, глубина модуляции оптического сигнала более 50 %.Significant linearization dependenceTO(X) can be achieved if the reflective surface 5 moves in the range of 0.25d c …0.75d c along the axisX relative to the ends of 6 optical fibers (OV). For example, whend C=200 µm movement along the axisX will be 100 µm. Changing the starting distanceX 0 between ends 5 and 6 leads to a change in the conversion sensitivity up to 30%, dependenceK=f(X) linear, the depth of modulation of the optical signal is more than 50%.

В качестве примера на фигуре 3в приведены графические зависимости К=f(Х) для разных значений Х 0.As an example, figure 3 shows the graphical relationship K=f ( X ) for different values of X 0 .

В виду того, что температура может как уменьшаться, так и увеличиваться, то начальное расстояние Х 0 должно находиться в середине диапазона 0,25d c …0,75d c (например, для ОВ d C=200 мкм диапазон изменения расстояния Х будет 50…150 мкм), то есть 0,5d c (например, для ОВ с d C=200 мкм - Х 0=100 мкм).In view of the fact that the temperature can both decrease and increase , the initial distance X 0 should be in the middle of the range 0.25 d c ... 0.75 d c 50 ... 150 µm), that is, 0.5 d c (for example, for OF with d C = 200 µm - X 0 = 100 µm).

В то же время, если датчик предназначен для измерения или отрицательной или положительной температуры, то начальное расстояние Х 0 может смещаться или в сторону меньших значений микроперемещений, или в сторону больших значений. Кроме того, в процессе сборки датчика возможны различные отклонения размеров. Поэтому окончательно значение Х 0 определяется выражением (2).At the same time, if the sensor is designed to measure either negative or positive temperatures, then the initial distance X 0 can be shifted either towards smaller values of microdisplacements, or towards larger values. In addition, various dimensional deviations are possible during the assembly of the sensor. Therefore, the final value of X 0 is determined by expression (2).

Введение отверстия 17, в котором закреплено зеркало 18 и дополнительные подводящие 20 и отводящие 21 оптические волокна необходимо для реализации компенсационного преобразования сигналов датчика. Введение компенсационного канала дает возможность реализации, например, логометрического преобразования, описываемого выражением (4), позволяющего снизить дополнительные погрешности, обусловленные:The introduction of the hole 17, in which the mirror 18 and additional input 20 and output 21 optical fibers are fixed, is necessary to implement the compensation conversion of the sensor signals. The introduction of a compensation channel makes it possible to implement, for example, a ratiometric transformation described by expression (4), which makes it possible to reduce additional errors due to:

- изгибами оптических волокон при сборке и эксплуатации;- bending of optical fibers during assembly and operation;

- воздействием внешних влияющих факторов;- influence of external influencing factors;

- изменением параметров источника питания, источников и приемников излучения и др.- changing the parameters of the power source, radiation sources and receivers, etc.

Предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.The present invention is a technical solution to the problem, which is new, industrially applicable and has an inventive step, i.e. the proposed invention meets the criteria for patentability.

Claims (15)

1. Волоконно-оптический датчик температуры, содержащий источник и приемники излучения, подводящие и отводящие оптические волокна, закрепленные во втулке напротив отражающей поверхности хвостовика внутри корпуса, отличающийся тем, что в датчик введена цилиндрическая трубка из материала с высоким коэффициентом температурного расширения, коаксиально расположенная внутри корпуса, причем внутренний диаметр цилиндрической трубки как максимум равен внешнему диаметру узкой части хвостовика и внешнему диаметру узкой части втулки, торцы цилиндрической трубки по резьбе герметично соединены с внутренними торцами широкой части хвостовика и широкой части втулки, причем коэффициенты линейного расширения материалов корпуса αК, хвостовика αХВ, втулки αВТ и цилиндра αЦ определяются соотношением1. A fiber-optic temperature sensor containing a source and receivers of radiation, input and output optical fibers fixed in a sleeve opposite the reflective surface of the shank inside the housing, characterized in that a cylindrical tube made of a material with a high thermal expansion coefficient is inserted into the sensor, coaxially located inside body, and the inner diameter of the cylindrical tube is at most equal to the outer diameter of the narrow part of the shank and the outer diameter of the narrow part of the sleeve, the ends of the cylindrical tube are threaded hermetically connected to the inner ends of the wide part of the shank and the wide part of the sleeve, and the coefficients of linear expansion of the body materials α K , shank α XV , bushings α VT and cylinder α C are determined by the relation αЦ > αК > (αХВ ≈ αВТ),α C > α K > (α XV ≈ α WT ), начальное расстояние Х 0 между отражающей поверхностью и торцом оптических волокон определяется выражениемthe initial distance X 0 between the reflective surface and the end of the optical fibers is determined by the expression Х 0=(0,3…0,7)d С, X 0 \u003d (0.3 ... 0.7) d C , где d С - диаметр сердцевины оптического волокна, а длины корпуса l К и цилиндра l Ц связаны между собой выражениемwhere d C is the diameter of the core of the optical fiber, and the lengths of the body l K and the cylinder l C are interconnected by the expression l К=(0,95…1)l ЦαЦК. l K \u003d (0.95 ... 1) l C α C / α K . 2. Волоконно-оптический датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что в стенке цилиндра сделано сквозное отверстие.2. Fiber-optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that a through hole is made in the cylinder wall. 3. Волоконно-оптический датчик температуры по п.2, отличающийся тем, что свободное пространство между хвостовиком, втулкой и цилиндрической трубкой заполнено инертным газом.3. Fiber optic temperature sensor according to claim 2, characterized in that the free space between the shank, bushing and cylindrical tube is filled with an inert gas. 4. Волоконно-оптический датчик температуры по п.3, отличающийся тем, что в сквозное отверстие герметично устанавливается герметизирующая деталь.4. Fiber-optic temperature sensor according to claim 3, characterized in that a sealing part is hermetically installed in the through hole. 5. Волоконно-оптический датчик температуры по п.3, отличающийся тем, что сквозное отверстие загерметизировано пайкой с помощью припоя.5. Fiber optic temperature sensor according to claim 3, characterized in that the through hole is sealed by soldering with solder. 6. Волоконно-оптический датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что с зазором относительно широкой части хвостовика в корпусе герметично крепится крышка из того же материала, что и корпус.6. Fiber-optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that with a gap relative to the wide part of the shank in the body, a cover made of the same material as the body is hermetically fastened. 7. Волоконно-оптический датчик температуры по п.6, отличающийся тем, что свободное пространство между внутренними поверхностями корпуса и крышки и внешними поверхностями цилиндрической трубки, втулки и широкой части хвостовика заполняется теплопроводным составом.7. Fiber-optic temperature sensor according to claim 6, characterized in that the free space between the inner surfaces of the body and cover and the outer surfaces of the cylindrical tube, bushing and wide part of the shank is filled with a heat-conducting compound. 8. Волоконно-оптический датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что во втулке выполнено боковое глухое отверстие, в котором закреплено неподвижное зеркало на расстоянии Х 0 относительно торца дополнительной втулки, с закрепленными дополнительными подводящими и отводящими оптическими волокнами.8. Fiber-optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that the sleeve has a side blind hole in which a fixed mirror is fixed at a distance X 0 relative to the end of the additional sleeve, with additional input and output optical fibers fixed. 9. Волоконно-оптический датчик температуры по п.8, отличающийся тем, что все оптические волокна протянуты сквозь хвостовик, герметично соединенный с корпусом со стороны втулки.9. Fiber optic temperature sensor according to claim 8, characterized in that all optical fibers are pulled through a shank, hermetically connected to the body from the side of the sleeve. 10. Волоконно-оптический датчик температуры по п.8, отличающийся тем, что зазор между неподвижным зеркалом и торцом дополнительной втулки заполнен инертным газом.10. Fiber-optic temperature sensor according to claim 8, characterized in that the gap between the fixed mirror and the end of the additional sleeve is filled with an inert gas.
RU2022101971A 2022-01-28 Fiber optic temperature sensor RU2795841C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2795841C1 true RU2795841C1 (en) 2023-05-12

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2008630C1 (en) * 1991-12-17 1994-02-28 Геннадий Дмитриевич Дворников Fiber-optic temperature transducer
US5290103A (en) * 1991-11-15 1994-03-01 Gec Alsthom Sa Optical fiber temperature sensor
RU2256890C1 (en) * 2004-03-03 2005-07-20 Мешковский Игорь Касьянович Fiber-optic temperature sensor
RU2334965C2 (en) * 2005-12-15 2008-09-27 Общество с ограниченной ответственностью "Оптолекс" Fibre-optical measuring system (versions)
RU2393431C1 (en) * 2009-04-13 2010-06-27 Максим Евгеньевич Веряскин Fibre-optic sensor (versions)

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5290103A (en) * 1991-11-15 1994-03-01 Gec Alsthom Sa Optical fiber temperature sensor
RU2008630C1 (en) * 1991-12-17 1994-02-28 Геннадий Дмитриевич Дворников Fiber-optic temperature transducer
RU2256890C1 (en) * 2004-03-03 2005-07-20 Мешковский Игорь Касьянович Fiber-optic temperature sensor
RU2334965C2 (en) * 2005-12-15 2008-09-27 Общество с ограниченной ответственностью "Оптолекс" Fibre-optical measuring system (versions)
RU2393431C1 (en) * 2009-04-13 2010-06-27 Максим Евгеньевич Веряскин Fibre-optic sensor (versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kuang et al. Packaging and temperature compensation of fiber Bragg grating for strain sensing: a survey
CN108731841B (en) Frequency modulation continuous wave laser interference optical fiber temperature sensor
CN111256868B (en) Pipeline fluid temperature sensor based on fiber bragg grating
US20050183507A1 (en) Fluid diffusion resistant glass-encased optical sensor
JPS6212827A (en) Detector for combustion pressure of engine
KR20010071501A (en) Fiber-optic pressure sensor, varients and method for producing a resilient membrane
CN101413831A (en) Method for packaging sensitized optical fiber grating temperature sensor
CN201378085Y (en) Sensitizing fiber grating temperature sensor
JPH05196528A (en) Optical fiber pressure sensor device
CN112344973B (en) Fiber grating etalon based on closed cavity metal plate temperature control and use method
CN110823121A (en) F-P cavity type high-temperature large-strain optical fiber sensor
CN101476949A (en) Production method for sensitivity enhanced extrinsic F-P optical fiber temperature sensor
CN104501729A (en) Optical fiber F-P strain gauge based on MEMS technology and formation method thereof
CN203551182U (en) Packaging structure of differential pressure probe
CN103557984A (en) Method and structure for packaging probes of differential pressure sensor
RU2795841C1 (en) Fiber optic temperature sensor
Wei et al. High pressure sensor based on fiber Bragg grating and carbon fiber laminated composite
US5386291A (en) Displacement sensor including a heat insulating member partitioning the moving scale and the semiconductor laser
CN112649144A (en) High-temperature-resistant pressure sensor packaging structure based on optical detection
CN203551183U (en) Reflective optical-fiber-bundle differential pressure sensor with intensity compensation
CN109631789B (en) High-sensitivity Fabry-Perot sensor with temperature self-compensation effect
US11248980B2 (en) Optical sensing system
CN210741396U (en) F-P cavity type high-temperature large-strain optical fiber sensor
CN105157873A (en) Circular ring type fiber bragg grating (FBG) temperature sensor and encapsulation method
CN113465799A (en) Diaphragm type small-size fiber grating sensor for measuring high temperature and high pressure