RU2811364C1 - Hydrostatic pressure measurement method and fibre optic hydrostatic pressure sensor - Google Patents
Hydrostatic pressure measurement method and fibre optic hydrostatic pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811364C1 RU2811364C1 RU2023120421A RU2023120421A RU2811364C1 RU 2811364 C1 RU2811364 C1 RU 2811364C1 RU 2023120421 A RU2023120421 A RU 2023120421A RU 2023120421 A RU2023120421 A RU 2023120421A RU 2811364 C1 RU2811364 C1 RU 2811364C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical fiber
- fiber
- birefringent
- fibre
- radiation
- Prior art date
Links
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 title claims abstract description 25
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 title description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 71
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 35
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 239000013308 plastic optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области датчиков гидростатического давления, а конкретнее, к волоконно-оптическим датчикам давления.The invention relates to the field of hydrostatic pressure sensors, and more specifically to fiber-optic pressure sensors.
Принцип работ данных устройств основан на регистрации изменения характеристик оптического излучения в среде волновода, такого как оптическое волокно, под действием внешнего давления.The operating principle of these devices is based on recording changes in the characteristics of optical radiation in the medium of a waveguide, such as an optical fiber, under the influence of external pressure.
Известен (патент США 8764678, A61B 5/00, опуб. 1.07.2014) волоконно-оптический датчик давления на основе резонатора Фабри-Перо с использованием волоконной брэгговской решетки (ВБР). Чувствительный элемент датчика представляет собой стеклянный капилляр, с одного торца которого припаяна стеклянная полированная диафрагма, а внутри закреплено полированное оптическое волокно с ВБР с некоторым зазором до стеклянной диафрагмы.Known (US patent 8764678, A61B 5/00, pub. July 1, 2014) is a fiber-optic pressure sensor based on a Fabry-Perot resonator using a fiber Bragg grating (FBG). The sensitive element of the sensor is a glass capillary, at one end of which a polished glass diaphragm is soldered, and a polished optical fiber with an FBG is fixed inside with some clearance to the glass diaphragm.
Недостатком данного решения является ограничение диапазона измеряемого давления датчиком из-за хрупкости стеклянной диафрагмы, что не позволяет использовать данную конструкцию на больших давлениях. Также недостатком является необходимость использования дополнительного оборудования для термокомпенсации, что усложняет конструкцию датчика.The disadvantage of this solution is the limitation of the range of pressure measured by the sensor due to the fragility of the glass diaphragm, which does not allow the use of this design at high pressures. Another disadvantage is the need to use additional equipment for temperature compensation, which complicates the design of the sensor.
Известен (патент RU 2512136, G01L 1/24, опуб. 10.04.2014) волоконно-оптический датчик спиральной структуры, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства. Датчик способен измерять давление, растяжение и кручение, основанный на эффекте вносимых потерь на макро- и микроизгибах оптического волокна. Чувствительный элемент датчика представляет собой спиральную конструкцию из одного или нескольких слоев пружинной проволоки с зубцами формирующие цилиндрическое тело, которые при прикладывании силы на верхнее и/или нижнее основание элемента изгибают в шахматном порядке, расположенное между слоями пружинной проволоки оптическое волокно. В представленном решении предлагается использовать многожильное оптическое волокно, макромолекулярное полимерное оптическое волокно или фотонно-кристаллическое оптическое волокно в дополнительной непроницаемой буферной оболочке, покрытое углеродом или покрытое полиимидом.There is a known (patent RU 2512136, G01L 1/24, publ. 04/10/2014) fiber-optic sensor with a spiral structure, chosen as a prototype of the proposed device. The sensor is capable of measuring pressure, stretch and torsion, based on the effect of insertion loss on macro- and microbends of the optical fiber. The sensor's sensing element is a spiral design from one or several layers of spring wire with teeth forming a cylindrical body, which, when force is applied to the upper and/or lower base of the element, bends the optical fiber located between the layers of spring wire in a checkerboard pattern. The presented solution proposes the use of multicore optical fiber, macromolecular polymer optical fiber or photonic crystal optical fiber in an additional impermeable buffer cladding, coated with carbon or coated with polyimide.
Недостатком данного решения является использование дорогостоящих оптических волокон в качестве чувствительного элемента датчика, имеющих высокие требования к стыковке со стандартным оптическим волокном для передачи информации испытательной установке. Также недостатком данного решения является ограничение чувствительности датчика пределом хрупкости оптического волокна, что делает невозможным использование данной конструкции на больших давлениях.The disadvantage of this solution is the use of expensive optical fibers as the sensitive element of the sensor, which have high requirements for coupling with standard optical fiber to transmit information to the test facility. Another disadvantage of this solution is that the sensitivity of the sensor is limited by the fragility limit of the optical fiber, which makes it impossible to use this design at high pressures.
Известен (патент США 8764678, A61B 5/00, опуб. 1.07.2014) волоконно-оптический датчик давления, в котором описан способ измерения гидростатического давления, заключающийся в использовании резонатора Фабри-Перо в качестве чувствительного элемента, который сформирован между торцом оптического волокна и диафрагмой. Диафрагму создают путем закрепления на капилляре, скола, полировки и травлением 40% плавиковой кислотой для создания наибольшего коэффициента отражения. Под действием внешнего давления диафрагма изгибается, уменьшая зазор между ней и оптическим волокном, тем самым модулируя сигнал интерферометра Фабри-Перо. По величине модуляции интенсивности интерференционного сигнала оценивают гидростатическое давление.A fiber-optic pressure sensor is known (US patent 8764678, A61B 5/00, publ. July 1, 2014), which describes a method for measuring hydrostatic pressure, which consists in using a Fabry-Perot resonator as a sensitive element, which is formed between the end of the optical fiber and diaphragm. The diaphragm is created by attaching to a capillary, chipping, polishing and etching with 40% hydrofluoric acid to create the highest reflectance. Under the influence of external pressure, the diaphragm bends, reducing the gap between it and the optical fiber, thereby modulating the signal of the Fabry-Perot interferometer. Hydrostatic pressure is assessed by the magnitude of the modulation of the intensity of the interference signal.
Недостатком данного способа является обязательное использование интерференционно обрабатывающего оборудования. Также описанный способ имеет ограниченный диапазон измерения давления - до 100 кПа.The disadvantage of this method is the mandatory use of interference processing equipment. Also, the described method has a limited pressure measurement range - up to 100 kPa.
Известно (патент US 9476699, G01B 11/16, G01M 11/00, G01K 11/32, опуб. 25.10.2016) устройство 1-мерных и 2-мерных распределенных волоконно-оптических датчиков растяжения, давления и температуры, основанных на чувствительности двулучепреломляющих (ДЛП) оптических волокон к внешнему воздействию. В указанном источнике описан способ измерения внешнего напряжения, например, гидростатического давления, и температуры и который выбран в качестве прототипа к предлагаемому способу. Способ измерения внешнего напряжения (гидростатического давления) включает введение линейно-поляризованного излучения в чувствительный элемент, регистрацию его изменения в области внешнего напряжения (гидростатического давления) и оценку его изменения. Способ регистрации и оценки основан на методике широкополосной интерферометрии с использованием поляризационного сканирующего интерферометра Майкельсона с подвижным зеркалом в одном из плеч. Способ позволяет регистрировать на одном чувствительном элементе несколько областей воздействия одновременно.It is known (patent US 9476699, G01B 11/16, G01M 11/00, G01K 11/32, publ. 10/25/2016) the device of 1-dimensional and 2-dimensional distributed fiber-optic sensors of stretch, pressure and temperature, based on the sensitivity of birefringent (DLP) of optical fibers to external influences. The specified source describes a method for measuring external voltage, for example, hydrostatic pressure, and temperature, and which was chosen as a prototype for the proposed method. A method for measuring external voltage (hydrostatic pressure) includes introducing linearly polarized radiation into a sensitive element, recording its change in the region of external voltage (hydrostatic pressure) and assessing its change. The registration and evaluation method is based on the broadband interferometry technique using a polarization scanning Michelson interferometer with a movable mirror in one of the arms. The method allows you to register several areas of influence simultaneously on one sensitive element.
Недостатками известного способа является необходимость использования громоздкого и дорогого оборудования для регистрации изменения оптического излучения: интерферометр Майкельсона с подвижным зеркалом, дополнительная линия задержки. Конструкционные особенности чувствительного элемента ограничивают диапазон измеряемого давления до 100 кПа. Так же на графике видности сканирования предложенных волоконных структур разделить температурные и механические точки возмущения проблематично из-за распределенного характера температурных изменений двулучепреломления и дисперсии двулучепреломления. Эти изменения на графике видности будут выглядеть как увеличенный уровень шумов, а точки связи мод от механических возмущений останутся на прежнем уровне амплитуды, что внесет ошибку оценки относительно шумов.The disadvantages of this known method are the need to use bulky and expensive equipment to detect changes in optical radiation: a Michelson interferometer with a moving mirror, an additional delay line. The design features of the sensitive element limit the range of measured pressure to 100 kPa. Also, in the scanning visibility graph of the proposed fiber structures, it is problematic to separate the temperature and mechanical points of disturbance due to the distributed nature of temperature changes in birefringence and birefringence dispersion. These changes in the visibility graph will look like an increased noise level, and the mode coupling points from mechanical disturbances will remain at the same amplitude level, which will introduce an estimation error relative to noise.
Заявляемые способ измерения гидростатического давления и волоконно-оптический датчик решают задачу расширения диапазона измеряемого давления за счет увеличения точек возникновения связи поляризационных мод в ДЛП оптическом волокне чувствительного элемента и увеличения запаса прочности чувствительного элемента. Кроме того, реализация предложенного способа не требует большого количества сложного оборудования, что упрощает способ. При этом способ обладает повышенной чувствительностью благодаря многократным точкам связи поляризационных мод.The inventive method for measuring hydrostatic pressure and a fiber-optic sensor solve the problem of expanding the range of measured pressure by increasing the points at which the coupling of polarization modes occurs in the DLP optical fiber of the sensing element and increasing the safety factor of the sensing element. In addition, the implementation of the proposed method does not require a large amount of complex equipment, which simplifies the method. Moreover, the method has increased sensitivity due to multiple coupling points of polarization modes.
Поставленная задача решается следующим образом. The problem is solved as follows.
В способе измерения гидростатического давления волоконно-оптическим датчиком, включающем введение в двулучепреломляющее волокно чувствительного элемента волоконно-оптического датчика линейно-поляризованного излучения и регистрацию, возникающих под воздействием гидростатического давления изменений введенного излучения в двулучепреломляющем оптическом волокне, регистрируют изменение мощности оптического излучения в поляризационных модах в оптическом волокне, по значению которых, используя параметры двулучепреломляющего волокна и оптического излучения, рассчитывают величину искомого гидростатического давления , где - мощность линейно-поляризованного излучения на входе в оптическое волокно, - мощность оптического излучения в ортогональной поляризационной оси на входе в оптическое волокно, - оптическая мощность в ортогональной поляризационной оси на выходе из оптического волокна, z - длина стороны квадрата пятна контакта , - радиус оптического волокна, - модуль Юнга оптического волокна, - центральная длина волны источника излучения, l - длина волокна под воздействием давления, - среднее значения показателя преломления оптического волокна, - коэффициенты упруго-оптического тензора, - коэффициент Пуассона, T - пространственный период прикладываемого давления,In a method for measuring hydrostatic pressure with a fiber-optic sensor, including introducing a sensitive element of a fiber-optic sensor of linearly polarized radiation into a birefringent fiber and recording changes in the introduced radiation in the birefringent optical fiber that occur under the influence of hydrostatic pressure, the change in the power of optical radiation in polarization modes is recorded in optical fiber, from the value of which, using the parameters of the birefringent fiber and optical radiation, the value of the desired hydrostatic pressure is calculated , Where - power of linearly polarized radiation at the input to the optical fiber, - optical radiation power in the orthogonal polarization axis at the input to the optical fiber, is the optical power in the orthogonal polarization axis at the exit from the optical fiber, z is the length of the side of the square of the contact spot , - radius of the optical fiber, - Young's modulus of the optical fiber, - central wavelength of the radiation source, l - fiber length under pressure, - average value of the refractive index of the optical fiber, - coefficients of the elastic-optical tensor, - Poisson's ratio, T - spatial period of applied pressure,
- величина собственного двулучепреломления оптического волокна. - the value of the intrinsic birefringence of the optical fiber.
Волоконно-оптический датчик гидростатического давления содержит оптически соединенные источник излучения и, соединенный с измерительной установкой чувствительный элемент, включающий оптическое волокно, скрепленное с телом цилиндрической формы, по поверхности полого цилиндрического тела чувствительного элемента непрерывно распределены и закреплены металлические цилиндрические стержни, на которые намотано двулучепреломляющее оптическое волокно, причем цилиндрические стержни распределены по поверхности полого цилиндрического тела чувствительного элемента с заданной периодичностью с периодом T равным длине биений Λ двулучепреломляющего волокна чувствительного элемента, поверх которого вплотную размещена и герметично закреплена вокруг указанного волокна мембрана из твердого и упругого материала, измерительная установка включает поляризационный делитель, соединенный с двумя фотоприемниками, а двулучепреломляющее оптическое волокно чувствительного элемента соединено с источником линейно-поляризованного излучения, а через поляризационный делитель измерительной установки с фотоприемниками.A fiber-optic hydrostatic pressure sensor contains an optically connected radiation source and a sensitive element connected to the measuring installation, including an optical fiber bonded to a cylindrical body; metal cylindrical rods are continuously distributed and fixed along the surface of the hollow cylindrical body of the sensitive element, on which birefringent optical fiber, wherein cylindrical rods are distributed over the surface of the hollow cylindrical body of the sensitive element with a given periodicity with a period T equal to the beat length Λ of the birefringent fiber of the sensitive element, on top of which a membrane made of hard and elastic material is tightly placed and hermetically secured around said fiber, the measuring installation includes a polarization divider , connected to two photodetectors, and the birefringent optical fiber of the sensitive element is connected to a source of linearly polarized radiation, and through the polarization divider of the measuring installation with photodetectors.
Сущность изобретения поясняется следующим. В качестве чувствительного элемента датчика гидростатического давления используется ДЛП оптическое волокно, которое намотано на твердые цилиндрические стержни, размещенные по поверхности полого цилиндрического тела с заданной периодичностью, приближенной к длине биений ДЛП оптического волокна.The essence of the invention is explained as follows. As a sensitive element of the hydrostatic pressure sensor, a DLP optical fiber is used, which is wound on solid cylindrical rods placed on the surface of a hollow cylindrical body with a given periodicity close to the beat length of the DLP optical fiber.
Поверх ДЛП оптического волокна вплотную расположена мембрана из твердого и упругого материала, которая герметично закреплена вокруг волокна при помощи уплотненных силиконовыми прокладками резьбовых соединений, которые выдерживают нагрузку до 200 атм, что обеспечивает повышенный запас прочности по сравнению с прототипом. Через мембрану на ДЛП оптические волокна передается давление с периодичностью, заданной стержнями на цилиндрическом теле чувствительного элемента, вызывая тем самым связь поляризационных мод. Равенство периода расположения стержней длине биений используемого ДЛП оптического волокна приводит к высокой чувствительности к давлению и обеспечивает точность измерения давления 0,5 атм. Связью поляризационных мод описывается явление, при котором изменение величины двулучепреломления оптических волокон, например, при внешнем давлении приводит к перекачке части оптической мощности из основной поляризационной оси в ортогональную и наоборот, и описывается системой уравнений:A membrane made of a hard and elastic material is located closely on top of the DLP optical fiber, which is hermetically secured around the fiber using threaded connections sealed with silicone gaskets that can withstand loads of up to 200 atm, which provides an increased margin of safety compared to the prototype. Through the membrane, pressure is transmitted to the DLP optical fibers at a frequency specified by the rods on the cylindrical body of the sensitive element, thereby causing coupling of polarization modes. The equality of the period of the rods to the beat length of the used DLP optical fiber leads to high sensitivity to pressure and ensures a pressure measurement accuracy of 0.5 atm. Polarization mode coupling describes the phenomenon in which a change in the birefringence of optical fibers, for example, under external pressure, leads to a transfer of part of the optical power from the main polarization axis to the orthogonal one and vice versa, and is described by the system of equations:
где cx,y - комплексные амплитуды поляризационных мод. Относительная перекаченная мощность выражается следующим образом:where c x,y are the complex amplitudes of polarization modes. The relative pumped power is expressed as follows:
, а коэффициент поляризационной экстинкции: , and the polarization extinction coefficient:
, где - коэффициент ослабления,, , , , - сила, нормированная на длину участка воздействия l, - радиус оптического волокна, - модуль Юнга оптического волокна, - среднее значения показателя преломления оптического волокна, - коэффициенты упруго-оптического тензора, - коэффициент Пуассона и центральная длина волны источника излучения , Where - attenuation coefficient, , , , , - force normalized to the length of the impact section l, - radius of the optical fiber, - Young's modulus of the optical fiber, - average value of the refractive index of the optical fiber, - coefficients of the elastic-optical tensor, - Poisson's ratio and central wavelength of the radiation source
Длина биений ДЛП оптического волокна характеризует расстояние, за которое волны, распространяющиеся в «быстрой» и «медленной» осях ДЛП оптического волокна, приходят в одной фазе.The beat length of an optical fiber's optical fiber characterizes the distance over which waves propagating in the "fast" and "slow" axes of the optical fiber's optical fiber arrive in the same phase.
- длина биений, где - двулучепреломление оптического волокна. - beat length, where - birefringence of optical fiber.
Период T равный длине биений позволяет достичь условия дифракции между точками воздействия на ДЛП оптическое волокно, при котором разница фаз Δφ взаимодействующих оптических излучений равна нулю.Period T equal to the beat length makes it possible to achieve the condition of diffraction between the points of influence on the DLP optical fiber, at which the phase difference Δφ of the interacting optical radiation is equal to zero.
Зависимость относительной перекаченной мощности из одной поляризационной моды в ортогональную моду равнаThe dependence of the relative power transferred from one polarization mode to the orthogonal mode is equal to
. Давление P выражается в Па или Н/м2, а f - это погонная сила, выраженная в Н/м. Переход от силы к искомому давлению P производится через площадь пятна контакта мембраны и оптического волокна, которая выражается как , z - длина стороны квадрата пятна контакта. Тогда , искомое давление . Площадь контакта пятна S будет меняться в зависимости от прикладываемого давления и как следствие будет меняться величина z. Для точного расчета величины z была построена модель в программном обеспечении с параметрами конкретного примера датчика давления и построена зависимость от величины прикладываемого давления, которая приведена на фиг. 3. . Pressure P is expressed in Pa or N/m 2 , and f is the linear force expressed in N/m. The transition from force to the desired pressure P is made through the area of contact between the membrane and the optical fiber, which is expressed as , z is the length of the side of the square of the contact patch. Then , desired pressure . The contact area of the spot S will change depending on the applied pressure and, as a result, the z value will change. To accurately calculate the value of z, a model was built in software with the parameters of a specific example of a pressure sensor and a dependence on the magnitude of the applied pressure was constructed, which is shown in Fig. 3.
Наибольшее значение перекаченной мощности будет достигаться при углеMaximum value of pumped power will be achieved at an angle
между вектором силы и поляризационными осями. Используя ДЛП волокно с приведенными параметрами и длиной биения и используя чувствительный элемент с количеством стержней N = 72 и намотав на них ДЛП волокно 5 раз таким образом, чтобы . Увеличивая количество оборотов волокна увеличивается количество точек воздействия, что приводит к увеличению перекачиваемой оптической мощности. Мы получим зависимость искомого давления от перекаченной относительной мощности и z: . between the force vector and the polarization axes. Using DLP fiber with the given parameters and runout length and using a sensitive element with a number of rods N = 72 and winding DLP fiber on them 5 times so that . By increasing the number of fiber rotations, the number of impact points increases, which leads to an increase in the pumped optical power. We will obtain the dependence of the desired pressure on the pumped relative power and z: .
Таким образом, зная, как изменяется оптическая мощность линейно-поляризованного излучения, параметры ДЛП оптического волокна и изменение площади пятная контакта волокна с мембраной, можно посчитать величину прикладываемого давления P.Thus, knowing how the optical power of linearly polarized radiation changes, the parameters of the optical fiber birefringence and the change in the spot contact area of the fiber with the membrane, we can calculate the value of the applied pressure P.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на:The essence of the claimed invention is illustrated by drawings, where:
Фиг. 1 - представлена схема волоконно-оптического датчика для измерения гидростатического давления,Fig. 1 - shows a diagram of a fiber-optic sensor for measuring hydrostatic pressure,
Фиг. 2 - чувствительный элемент (вид в поперченном сечении),Fig. 2 - sensitive element (view in transverse section),
Фиг. 3 - график зависимости изменения величины z от измеряемого давления,Fig. 3 - graph of the change in value z versus measured pressure,
Фиг. 4 - график зависимости измеряемого давления от относительной перекаченной мощности.Fig. 4 - graph of the dependence of the measured pressure on the relative pumped power.
На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:In fig. 1-2 the following notations are adopted:
1 - источник линейно-поляризованного излучения,1 - source of linearly polarized radiation,
2 - ДЛП оптическое волокно,2 - DLP optical fiber,
3 - чувствительный элемент,3 - sensitive element,
4 - фотоприемные устройства,4 - photodetectors,
5 - поляризационный делитель,5 - polarization divider,
6 - цилиндрическое тело,6 - cylindrical body,
7 - цилиндрические стержни,7 - cylindrical rods,
8 - мембрана.8 - membrane.
Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг. 1, которое включает в себя источник линейно-поляризованного излучения 1, к которому подключено ДЛП оптическое волокно 2 чувствительного элемента (ЧЭ) 3, ЧЭ 3 соединен с измерительной установкой, включающей два фотоприемных устройства 4, соединенные с поляризационным делителем 5, с которым соединено ДЛП оптическое волокно 2 ЧЭ 3.The inventive method can be implemented using the device shown in Fig. 1, which includes a source of linearly polarized radiation 1, to which the DLP optical fiber 2 of the sensitive element (SE) 3 is connected, the SE 3 is connected to a measuring installation, including two photodetectors 4, connected to a polarization divider 5, to which the DLP is connected optical fiber 2 SE 3.
Конструкция чувствительного элемента 3, включает в себя полое цилиндрическое тело 6, по поверхности которого непрерывно распределены с заданной периодичностью цилиндрические стержни 7 из металлической проволоки. Поверх цилиндрических стержней 7 расположено ДЛП оптическое волокно 2, которое прижимается твердой и упругой металлической мембраной 8. Мембрана 8 герметично закреплена на цилиндрическом теле 6 вплотную к оптическому ДЛП волокну 2.The design of the sensitive element 3 includes a hollow cylindrical body 6, along the surface of which cylindrical rods 7 made of metal wire are continuously distributed at a given periodicity. On top of the cylindrical rods 7 there is a DLP optical fiber 2, which is pressed by a hard and elastic metal membrane 8. The membrane 8 is hermetically fixed to the cylindrical body 6 close to the DLP optical fiber 2.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Линейно-поляризованное излучение источника линейно-поляризованного излучения 1, распространяясь по рабочей поляризационной моде ДЛП оптического волокна 2 чувствительного элемента 3 претерпевает изменение по амплитуде из-за внешнего избыточного давления, передающееся от мембраны 8 через стержни 7 на ДЛП оптическое волокно 2. Мощности в обеих поляризационных модах ДЛП оптического волокна 2 регистрируют на двух одинаковых фотоприемных устройствах 4 при помощи поляризационного делителя 5.The inventive method is carried out as follows. Linearly polarized radiation from a source of linearly polarized radiation 1, propagating along the operating polarization mode of the DLP optical fiber 2 of the sensitive element 3, undergoes a change in amplitude due to external excess pressure, transmitted from the membrane 8 through the rods 7 to the DLP optical fiber 2. Powers in both polarization modes, the DLP of the optical fiber 2 is recorded on two identical photodetector devices 4 using a polarization divider 5.
В качестве конкретного примера выполнения предлагается устройство, где источник линейно-поляризованного излучения представляет собой суперлюминесцентный широкополосный диод с центральной длиной волны 1550 нм полушириной спектра излучения 45 нм, ДЛП оптическое волокно с эллиптичной напрягающей оболочкой, полое цилиндрическое тело ЧЭ с внешним диаметром 60 мм и внутренним диаметром 50 мм выполнено из нержавеющей стали, на поверхности цилиндрического тела ЧЭ расположены с заданной периодичностью с периодом Т равным длине биений ДЛП оптического волокна цилиндрические стержни из металлической проволоки, например, нержавеющей стали, диаметром 200 мкм, герметично закрепленная накидными гайками с уплотнительным кольцами из силикона, к поверхности цилиндрического тела ЧЭ мембрана, выполненная из нержавеющей стали толщиной 50 мкм, делитель поляризации выполнен волоконным поляризационным делителем, а фотоприемные устройства представлены InGaAs фотодиодами с рабочим диапазоном длин волн 1000-1700 нм и разрешением 10 пВт.As a specific example of implementation, a device is proposed where the source of linearly polarized radiation is a superluminescent broadband diode with a central wavelength of 1550 nm and a half-width of the emission spectrum of 45 nm, a DLP optical fiber with an elliptical strain cladding, a hollow cylindrical body of a SE with an outer diameter of 60 mm and an inner with a diameter of 50 mm, made of stainless steel, on the surface of a cylindrical body, the SEs are located at a given periodicity with a period T equal to the beat length DLP optical fiber cylindrical rods made of metal wire, for example, stainless steel, with a diameter of 200 microns, hermetically fastened with union nuts with O-rings made of silicone, to the surface of the cylindrical body, a SE membrane made of stainless steel 50 microns thick, the polarization divider is made of a fiber polarization divider, and photodetector devices are represented by InGaAs photodiodes with an operating wavelength range of 1000-1700 nm and a resolution of 10 pW.
В ходе работы с конкретным примером устройства была построена зависимость относительной перекачиваемой мощности от прикладываемого гидростатического давления, которая представлена на фиг. 4. ЧЭ элемент погружался в воду в гермобоксе, в который накачивался воздух при помощи компрессора. Контроль создаваемого давления происходил удаленно при помощи электронного регулятора давления. Измерение оптических мощностей в поляризационных осях двулучепреломляющем оптическом волокне производилось на давлении от 0 кПа до 300 кПа с шагом 50 кПа. Построенная зависимость подтверждает расчетные значения.While working with a specific example of a device, the dependence of the relative pumped power on the applied hydrostatic pressure was constructed, which is presented in Fig. 4. The SE element was immersed in water in a hermetic box, into which air was pumped using a compressor. The pressure created was controlled remotely using an electronic pressure regulator. Measurement of optical powers in the polarization axes of birefringent optical fiber was carried out at pressures from 0 kPa to 300 kPa with a step of 50 kPa. The constructed dependence confirms the calculated values.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает точность 0,5 атм измеряемого давления, а конструкция позволяет измерять давление до 200 атм, за счет сильной зависимости перекачиваемой относительной мощности от давления, высокого разрешения фотоприемников и способа герметизации. Кроме того, для реализации предложенного способа не требуется большого количества оборудования, что упрощает способ измерения.Thus, the proposed method ensures an accuracy of 0.5 atm of the measured pressure, and the design makes it possible to measure pressure up to 200 atm, due to the strong dependence of the pumped relative power on pressure, the high resolution of photodetectors and the sealing method. In addition, the implementation of the proposed method does not require a large amount of equipment, which simplifies the measurement method.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811364C1 true RU2811364C1 (en) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1040330A1 (en) * | 1997-12-19 | 2000-10-04 | Optoplan AS | Method for application of an optical fibre as a hydrostatic pressure sensor |
| US9448312B1 (en) * | 2015-03-11 | 2016-09-20 | Baker Hughes Incorporated | Downhole fiber optic sensors with downhole optical interrogator |
| US9476699B2 (en) * | 2015-03-05 | 2016-10-25 | General Photonics Corporation | Measurements of strain, stress and temperature by using 1-dimensional and 2-dimensional distributed fiber-optic sensors based on sensing by polarization maintaining fiber of distributed polarization crosstalk distribution |
| RU189615U1 (en) * | 2018-11-16 | 2019-05-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" (ООО "УВП") | FIBER OPTICAL SENSOR OF THE DISTRIBUTION OF HYDROSTATIC PRESSURE |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1040330A1 (en) * | 1997-12-19 | 2000-10-04 | Optoplan AS | Method for application of an optical fibre as a hydrostatic pressure sensor |
| US9476699B2 (en) * | 2015-03-05 | 2016-10-25 | General Photonics Corporation | Measurements of strain, stress and temperature by using 1-dimensional and 2-dimensional distributed fiber-optic sensors based on sensing by polarization maintaining fiber of distributed polarization crosstalk distribution |
| US9448312B1 (en) * | 2015-03-11 | 2016-09-20 | Baker Hughes Incorporated | Downhole fiber optic sensors with downhole optical interrogator |
| EP3268580B1 (en) * | 2015-03-11 | 2021-08-18 | Baker Hughes Holdings LLC | Downhole fiber optic sensors with downhole optical interrogator |
| RU189615U1 (en) * | 2018-11-16 | 2019-05-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" (ООО "УВП") | FIBER OPTICAL SENSOR OF THE DISTRIBUTION OF HYDROSTATIC PRESSURE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pevec et al. | Multiparameter fiber-optic sensors: A review | |
| RU2205374C2 (en) | Fiber-optic pressure transducers and pressure measurement system including them | |
| US8218916B2 (en) | Fiber optic temperature and pressure sensor and system incorporating same | |
| US4659923A (en) | Fiber optic interferometer transducer | |
| US6671055B1 (en) | Interferometric sensors utilizing bulk sensing mediums extrinsic to the input/output optical fiber | |
| US6218661B1 (en) | Methods and apparatus for mechanically enhancing the sensitivity of transversely loaded fiber optic sensors | |
| Wang et al. | Fabry–Pérot fiber sensor for simultaneous measurement of refractive index and temperature based on an in-fiber ellipsoidal cavity | |
| US5201015A (en) | Conformal fiber optic strain sensor | |
| US6647800B2 (en) | Temperature insensitive fiber-optic torque and strain sensor | |
| Zhu et al. | A dual-parameter internally calibrated Fabry-Perot microcavity sensor | |
| Bock et al. | Development of a polarimetric optical fiber sensor for electronic measurement of high pressure | |
| Azmi et al. | Dynamic bending and rotation sensing based on high coherence interferometry in multicore fiber | |
| Liu et al. | Review of fiber mechanical and thermal multi-parameter measurement technologies and instrumentation | |
| US20180172536A1 (en) | FIBER OPTIC PRESSURE APPARATUS, METHODS, and APPLICATIONS | |
| Yu et al. | Bend sensor using an embedded etched fiber Bragg grating | |
| Zhang et al. | High-sensitivity temperature sensor based on two parallel Fabry–Pérot interferometers and Vernier effect | |
| Vallan et al. | Static characterization of curvature sensors based on plastic optical fibers | |
| Qi | A comparison study of the sensing characteristics of FBG and TFBG | |
| Bai et al. | Air pressure measurement of circular thin plate using optical fiber multimode interferometer | |
| Rajan | Introduction to optical fiber sensors | |
| RU2811364C1 (en) | Hydrostatic pressure measurement method and fibre optic hydrostatic pressure sensor | |
| Martínez-Manuel et al. | Nonlinearity Reduction in a Fiber Fabry-Perot Interferometer Interrogated by a Wavelength Scanning Optical Source | |
| Ma | Miniature fiber-tip Fabry-Perot interferometric sensors for pressure and acoustic detection | |
| Kim et al. | Phase-shifted transmission/reflection-type hybrid extrinsic Fabry-Perot interferometric optical fiber sensors | |
| CN205538043U (en) | Optic fibre interference type pressure sensor based on 3 take advantage of 3 couplers |