RU2816112C1

RU2816112C1 - Оптоволоконный преобразователь температуры

Info

Publication number: RU2816112C1
Application number: RU2023133300A
Authority: RU
Inventors: Владимир Игоревич Бусурин; Максим Александрович Жеглов; Александр Викторович Казарьян; Вадим Владимирович Коробков; Кирилл Андреевич Коробков; Сергей Георгиевич Штек
Filing date: 2023-12-14
Publication date: 2024-03-26

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения температуры объектов, находящихся в сложных условиях эксплуатации, и может быть использовано в системах управления летательных аппаратов, судов, автомобильного транспорта. Преобразователь содержит подложку, чувствительный элемент, состоящий из двух одномодовых световодов, скрученных между собой и растянутых, закрепленных своими концами на подложке, источник оптического излучения, соединенный с входом первого одномодового световода и узла считывания. Одномодовые световоды растянуты до возникновения эффекта, обеспечивающего перетекание части мощности оптического излучения из первого одномодового световода во второй световод. Подложка выполнена из материала, который имеет больший коэффициент теплового расширения, чем материалы световодов. Узел считывания содержит два фотоприемника, соединенные с выходами световодов соответственно. Входы схемы обработки соединены с выходами фотоприемников. Технический результат - преобразователь обладает простой конструкцией, позволяет проводить считывание дистанционно, что повышает помехозащищенность и точность измерений. 1 ил.

Description

Оптоволоконный преобразователь температуры предназначен для измерения температуры объектов, находящихся в сложных условиях эксплуатации, пожаро- и взрывоопасных средах, и может быть использован, например, в системах управления летательных аппаратов, судов, автомобильного транспорта.

Известно устройство для измерения температуры, которое может использоваться в качестве визуального термометра. Для обеспечения измерения температуры световод выполнен в виде коаксиального трубчатого и стержневого световодов, разделенных концентрическим слоем. При изменении температуры изменится показатель преломления оболочки и светорассеивающего материала с температурной шкалой, что вызовет переход части световой энергии от источника излучения из стержневого в трубчатый световод, наблюдаемый в виде световой полоски на внешней поверхности оболочки. [Бусурин В.И., Прохоров Н.И., Устройство для измерения температуры. Патент № 1244509 от 18.05.1984 г.] (прототип). Устройство работает следующим образом. При изменении температуры изменяется показатель преломления оболочки. При этом часть светового излучения, которое поступает от источника излучения в стержневой световод, будет переходить из стержневого световода в трубчатый световод. Переход светового потока из стержневого световода в трубчатый световод будет наблюдаться, как изменение длины биения.

Целью заявляемого изобретения является устранение недостатка прототипа, связанного с конструктивной сложностью и необходимостью изготовления чувствительного элемента датчика в виде коаксиального трубчатого и стержневого световодов, разделенных концентрическим слоем, сложностью разделения оптического излучения, распространяющегося в стержневом и трубчатом световодах для его регистрации. Для изготовления чувствительного элемента прототипа требуется специальная заготовка, отличающаяся от заготовок, используемых при массовом производстве, что влияет на увеличение стоимости производства световодов. Сложность разделения оптического излучения, распространяющегося в стержневом и трубчатом световодах для измерения мощности оптического излучения, связана с необходимостью изготовления достаточно сложного с технологической точки зрения специального разветвителя, который позволяет отводить оптическое излучение из коаксиального трубчатого световода в один канал, а стержневого световода – в другой канал.

Техническим результатом является упрощение конструкции, а также возможность считывать данные дистанционно, что повышает помехозащищенность и точность измерений.

Заявленный технический результат достигается тем, что оптоволоконный преобразователь температуры содержит подложку, узел считывания, чувствительный элемент, состоящий из двух одномодовых световодов, скрученных между собой и растянутых, закрепленных своими концами на подложке, источника оптического излучения, соединенного с входом первого одномодового световода, при этом одномодовые световоды растянуты до возникновения эффекта, обеспечивающего перетекание части мощности оптического излучения из первого одномодового световода во второй, при этом подложка выполнена из материала, который имеет больший коэффициент теплового расширения, чем материал из которого выполнены одномодовые световоды, кроме того, узел считывания содержит первый и второй фотоприемники и схему обработки, входы фотоприемников соединены с выходами первого и второго одномодовых световодов соответственно, а выходы фотоприемников соединены со входами схемы обработки.

За счет скрутки и растяжения одномодовых световодов возникают условия перераспределения мощности оптического излучения между первым одномодовым световодом и вторым одномодовым световодом, что может быть зарегистрировано узлом считывания. В предлагаемом оптоволоконном преобразователе изменение (модуляция) оптического излучения между скрученными между собой и находящимися в натяженном состоянии первым и вторым одномодовыми световодами осуществляется при изменении температуры среды, окружающей чувствительный элемент. Используемые в оптоволоконном преобразователе одномодовые световоды содержат волноводный стержень с концентрической неволноводной оболочкой. Подложка выполнена из материала, который имеет больший коэффициент теплового расширения, чем материал одномодовых световодов. Изменение температуры изменяет геометрические размеры подложки и одномодовых световодов. Поэтому возникает механическое напряжение одномодовых световодов и изменяется распределение мощности оптического излучения между первым одномодовым световодом и вторым одномодовым световодом. Мощность оптического излучения на выходе первого одномодового световода и мощность оптического излучения на выходе второго одномодового световода поступает на первый и второй фотоприемники соответственно. Выходные сигналы первого и второго фотоприемников подаются на схему обработки, которая формирует сигнал, пропорциональный температуре.

Заявляемое изобретение поясняется фиг. 1, на которой показана структурная схема предлагаемого оптоволоконного преобразователя температуры. Оптоволоконный преобразователь температуры содержит подложку 4, чувствительный элемент 3, состоящий из первого одномодового световода и второго одномодового световода, скрученных между собой и растянутых, места закрепления на подложке концов одномодовых световодов 2, источник оптического излучения 1, узел считывания 8, содержащий первый 5 и второй 6 фотоприемники, и схему обработки 7. Выходной сигнал оптоволоконного преобразователя температуры пропорционален температуре контролируемой среды.

Предлагаемый оптоволоконный преобразователь температуры выполнен в виде подложки 4, чувствительного элемента 3, состоящего из первого и второго одномодовых световодов, скрученных между собой и растянутых, закрепленных своими концами на подложке, источника оптического излучения, соединенного со входом первого одномодового световода, и узла считывания 8, содержащий первый 5 и второй 6 фотоприемники и связанную с ними схему обработки 7, выполняющую функцию линеаризации. Одномодовые световоды, входящие в состав чувствительного элемента 3, представляют собой волноводные стержени с концентрическими неволноводными оболочками. Перетекание мощности оптического излучения между одномодовыми световодами, входящими в состав чувствительного элемента 3, обеспечивается за счет их скрутки между собой и растяжения. Подложка 4 выполнена из материала, который имеет больший коэффициент теплового расширения, чем материал одномодовых световодов. Изменение температуры изменяет геометрические размеры подложки 4 и одномодовых световодов жестко закрепленных на ней, входящих в состав чувствительного элемента 3. Поэтому увеличивается механическое напряжение одномодовых световодов, входящих в состав чувствительного элемента 3, что приводит перетеканию мощности оптического излучения между первым одномодовым световодом и вторым одномодовым световодом. Выходная мощность оптического излучения первого одномодового световода и выходная мощность оптического излучения второго одномодового световода поступает на первый 5 и второй 6 фотоприемники узла считывания 8, соответственно. Выходные сигналы первого 5 и второго 6 фотоприемников подаются на схему обработки 7, которая формирует сигнал, пропорциональный температуре.

Предлагаемый оптоволоконный преобразователь температуры является дифференциальным, обладает более простой конструкцией по сравнению с прототипом. Применение в предлагаемом преобразователе, как и в прототипе, оптического метода измерения информации позволяет проводить считывание дистанционно, разместить источник оптического излучения 1 и узел считывания 8, содержащие электронные компоненты, за пределами контролируемой среды, что повышает помехозащищенность и точность измерений за счет уменьшения (или исключения) влияния параметров контролируемой среды, в частности температуры и электромагнитных помех, на электронные компоненты преобразователя и, как следствие, выходной сигнал оптоволоконного преобразователя температуры.

Claims

Оптоволоконный преобразователь температуры, содержащий подложку, узел считывания, чувствительный элемент, состоящий из двух одномодовых световодов, скрученных между собой и растянутых, закрепленных своими концами на подложке, источника оптического излучения, соединенного с входом первого одномодового световода, при этом одномодовые световоды растянуты до возникновения эффекта, обеспечивающего перетекание части мощности оптического излучения из первого одномодового световода во второй, при этом подложка выполнена из материала, который имеет больший коэффициент теплового расширения, чем материал, из которого выполнены одномодовые световоды, кроме того, узел считывания содержит первый и второй фотоприемники и схему обработки, входы фотоприемников соединены с выходами первого и второго одномодовых световодов соответственно, а выходы фотоприемников соединены со входами схемы обработки.