SU1767370A1 - Оптический датчик механических возмущений - Google Patents

Abstract

Использование: измерение посто нных и переменных во времени акустических возмущений . Сущность изобретени : датчик содержит последовательно оптически соединенные входную поворотную призму 1, сердцевину 2, выходную призму 3, подложку 4, контактирующую с сердцевиной 2 по ее длине, инерционное тело 5. На боковых гран х призм 1 и 3 нанесен отражающий слой, через который с указанными призмами контактируют клиновидные вкладыши 7 и 8. Все элементы установлены в жестком корпусе 9, в котором в местах ввода и вывода оптического излучени  выполнены прорези 10 2 ил.

Description

Изобретение относится к средствам измерения механических возмущений, в частности, к оптическим датчикам механических давлений, деформаций, а также акустических возмущений постоянных и переменных во времени.

Известно оптическое устройство Брэгга, содержащее оптически связанные источник когерентного излучения, пьезокристалл и фотопрйемник, регистрирующее акустические возмущения, поступающие на пьезокристалл [1].

Недостатками данного устройства являются малый диапазон измерения, необходимость использования когерентного излучения.

Известен волоконно-оптический датчик для измерения акустических возмущений, содержащий оптически соединенные лазер, блок перестройки состояния поляризации, многомодовое волокно, намотанное на чувствительный элемент, воспринимающий акустическое давление [2].

Недостатками данного устройства являются малый диапазон для измерения механических возмущений и деформаций и необходимость создания дополнительной высокочастотной фазовой модуляции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является оптоэлектронный датчик механических возмущений, содержащий последовательно оптически соединенные устройство ввода излучения под углом, равным критическому углу полного внутреннего отражения (ПВО), волновод, устройство вывода и преобразования излучения и контактирующую по длине волновода подложку, чувствительную к поперечной деформации [3].

Недостатками данного устройства являются большая площадь упругооптического детектирования, малая длина упругооптического контакта чувствительной структуры и, как следствие, малый диапазон измерения амплитуды механических возмущений и низкая чувствительность к деформации.

Цель изобретения - расширение диапазона измерения и повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в оптический датчик механических возмущений, содержащий последовательно оптически соединенные устройство ввода излучения под углом, равным критическому углу полного внутреннего отражения (ПВО), волновод, устройство вывода и преобразования излучения и контактирующую подлине волновода подложку, дополнительно введены жесткий корпус и инерционное тёло, устройства ввода и вывода излучения выполнены из двух трехгранных поворотных призм, изготовленных из изотропного оптического материала, входная призма своей внешней гранью контактирует через вкладыш с дном корпуса датчика, выходная призма контактирует через вкладыш с инерционным телом, установленным в корпусе с возможностью перемещения вдоль продольной оси датчика, подложка и сердцевина выполнены из разнополярных к продольному напряжению материалов.

Введенные дополнительные признаки позволяют прикладывать механическое возмущение к торцу сердцевины и подложки и реализовать продольное противофазное упругооптическое детектирование механических возмущений, что, в свою очередь, способствует снижению площади приложения усилия с одной стороны, и, с другой стороны, позволяет использовать всю длину оптического контакта сердцевины и подложки, чем способствует повышению числа отражений оптического излучения в напряженной по всей длине оптической структуре сердцевина-подложка. Кроме того, противофазное изменение показателей преломления сердцевины и подложки расширяет функциональные возможности, например, температурную устойчивость устройства и увеличивает верхний предел измерения.

На фиг.1 схематично изображен предлагаемый датчик; на фиг.2 - выходная амплитудная характеристика датчика, причем на фиг.2б - ее начальный участок.

Датчик содержит последовательно оптически соединенные входную поворотную призму 1, сердцевину 2, выходную призму 3, подложку 4, контактирующую с сердцевиной 2 по ее длине, инерционное тело 5. На боковых гранях призм 1 и 3 нанесен отражающий слой 6, через который с призмами 1 и 3 контактируют клиновидные вкладыши 7 и

8, причем элементы в последовательности 7, 1,2, 4, 3, 8, 5 установлены в жесткий корпус

9, в котором в местах ввода и вывода оптического излучения выполнены прорези 10.

Оптический датчик работает следующим образом.

Через входную прорезь 10 оптическое излучение подается на призму 1, отражается от ее боковой грани и вводится в сердцевину 2 под углом, равным критическому углу ПВО. При этом в отсутствие механического возмущения на границе раздела сердцевина 2 - подложка 4 преломление отсутствует. При возникновении возмущения, например вследствие ускорения вдоль оси датчика, инерционное тело создает продольное усилие в структуре сердцевина 2 - подложка 4. Как следствие, возникает искусственная анизотропия материалов сердцевины 2 и подложки 4. Вследствие разнополярности искусственного двулечепреломления кристаллов сердцевины 2 и подложки 4 их показатели преломления изменяются 5 противофазно

П1 = 7Г| t; П2 =#2 ΐ (1) где Лу ,Л2~ пьезооптические постоянные материала сердцевины 2 и подложки 4;

t - механическое напряжение, прило- Ю женное к структуре сердцевина 2 - подложка 4,

При этом происходит нарушение ПВО излучения в сердцевине, появляются в подложке 4 преломленные волны, вследствие 15 чего уменьшается интенсивность излучения на выходе, амплитуда которой зависит от угла преломления г и количества к отражений по длине напряженной сердцевины.

1еых = lex(tg(ft> -г) Ag( 6ь +г)к, (2) 20 где 1вх - интенсивность излучения на входе сердцевины;

- угол ввода оптического излучения;

’ r = arc sin (m. sin $ь /пг): (3) k = entier(l/(d tg (% )), (4) 25

I, d - длина и толщина сердцевины. Изменением интенсивности механического возмущения можно варьировать ослабление оптического излучения.

С помощью выходной призмы 3 оптиче- 30 ское излучение выводится из датчика для дальнейшей обработки.

Определим у = 1₈ых/1вх от амплитуды t. Выходная амплитудная характеристика датчика представлена на фиг.2, Кривые 1, 2, 3 ^5 соответствуют числу отражений к = 4,10,16,

Как видно из фиг.2, при к = 10 в диапазоне напряжений 0,1...1000 МПа показатель ослабления амплитуды излучения изменяется более чем на три порядка в диапазоне 40 от 0,9 до 0,004. При этом чувствительность датчика составляет 1,1 .10⁷Па/дБ. Сростом числа отражений в датчике интенсивность света значительно ослабевает. Если выбрать площадь поперечного сечения серд- 45 цевины и подложки S = 10'⁵ м², что реально достижимо, то чувствительность датчика составит 1,1 . 10² Н/дБ.

Поскольку показатели преломления сердцевины и подложки до частот, не пре- 50 вышающих частоту оптического излучения, не зависят от частоты механического напряжения (П.З), предлагаемый датчик может быть использован и как однополупериодный измеритель колебаний напряжения.

В предлагаемом датчике возможна температурная и/или радиационная стабилизация. Для этого необходимо и достаточно выбрать материал сердцевины и подложки таким, чтобы отношение их показателей преломления удовлетворяло условию

Пп ( т ) L ^пп ( Р γ );

где Т - температура оптической структуры устройства;

Ру - мощность дозы ионизирующего излучения;

ПД - заданное поле допуска. Выполнение условий (5) обеспечивает независимость (Эь от Т и Р γ и, следовательно, выходного параметра у.

Анализ результатов расчета показывает, что в сравнении с устройства одноразовой брегговской дифракции сильных акустических возмущений на больших углах (П.2, П.З) предлагаемый датчик имеет большие чувствительность и диапазон измерёний.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Оптический датчик механических возмущений, содержащий последовательно оптически соединенные устройство ввода излучения под углом, равным критическому углу полного внутреннего отражения, сердцевину, устройство вывода излучения и контактирующую по длине сердцевины подложку, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и повышения чувствительности, в него введены жесткий корпус, инерционное тело и вкладыши, устройство ввода и вывода излучения выполнены в виде трехгранных поворотных призм из изотропного оптического материала, входная трехгранная поворотная призма установлена в контакте боковой гранью через один вкладыш с дном корпуса, а выходная - через другой вкладыш с инерционным телом, установленным в корпусе с возможностью перемещения вдоль продольной оси датчика, а сердцевина и подложка выполнены из разнополярных к продольному напряжению оптических материалов.