ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к измерениям динамического давления жидкостей и газов и промышленно применимо в области акустики и гидроакустики.
Известные технические решения таких датчиков, основанные на использовании различных интерферометров, в частности интерферометра Фабри-Перо отражающие плоскости которого образованы либо двумя торцами оптических волокон, вклеенных в кварцевый капилляр, либо одним торцем оптического волокна, вклеенного в кварцевый капилляр и гибкой мембраной с отражающей поверхностью, размещенной напротив торца оптического волокна. При воздействии динамически изменяющегося давления на такой датчик происходит изменение расстояния между отражающими поверхностями, пропорциональное величине давления. Тем самым происходит модуляция интенсивности интерференционной картины, зависящей от расстояния между отражающими поверхностями, которая может быть продетектирована и преобразована в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна амплитуде изменения давления. Подобные датчики описаны в Патенте RU 2152601 «Волоконно-оптический датчик давления (его варианты) и способ его изготовления», Патенте RU 2334965 «Волоконно-оптическая измерительная система (варианты)»
Общим конструктивным недостатком указанных датчиков является то, что в их конструкции используется кварцевый капилляр, который облядает высокой хрупкостью, что делает датчик не защищенным от грубых механических воздействий, что затрудняет их применение в промышленности.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели, то есть прототипом, является полезная модель «Волоконно-оптический датчик давления» (Патент RU 146605) который содержит элементы интерферометра Фабри-Перо в виде расположенных в стеклянной трубке с гарантированным кольцевым зазором относительно ее внутренней поверхности подводящего оптического волокна и отрезка оптического волокна, смежные торцы которых расположены с зазором относительно друг друга и образуют первое и второе зеркала интерферометра Фабри-Перо соответственно, при этом стеклянная трубка сплавлена с подводящим оптическим волокном и отрезком оптического волокна таким образом, что гарантированный зазор между внутренней поверхностью стеклянной трубки, подводящим оптическим волокном и отрезком оптического волокна представляет собой негерметичную полость, изолированную от области измерения давления. В указанном датчике вышеупомянутые элементы интерферометра Фабри-Перо размещены в корпусе.
Недостатком прототипа является отсутствие у корпуса присоединительных элементов, наличие открытого доступа к элементам интерферометра, незащищенность подводящего оптического волокна от механических воздействий, а так же наличие контакта оптического волокна со средой, давление которой измеряют, что затрудняет использование датчика в промышленности.
Задачей, на решение которой направлено предложение, является создание новой конструкции датчика, за счет которой возникает возможность надежного закрепления датчика по месту, при этом хрупкие элементы интерферометра оказываются защищенными от механических воздействий, а подводящее оптическое волокно защищено от агрессивной среды, в которой измеряется давление.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предложение, является возникновение возможности надежного закрепления датчика по месту при повышении защищенности элементов интерферометра и подводящего-отводящего оптического волокна.
Технический результат достигается за счет того, что в волоконно-оптическом датчике, содержащем интерферометр Фабри-Перо, являющимся чувствительным элементом и образованным двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом подводящего-отводящего оптического волокна, закрепленного по оси капилляра, чувствительный элемент закреплен внутри прочного полого корпуса, имеющего присоединительную часть, включающую в себя, фланец имеющий, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для закрепления датчика, и, по меньшей мере, одну канавку для установки резиновых колец, полностью заполняемого несжимаемой, нейтральной не агрессивной к оптическому волокну жидкостью, имеющего, по меньшей мере, два отверстия, причем первое отверстие герметично закрыто гибкой мембраной, которая закрыта крышкой со сквозным отверстием, а во второе отверстие герметично устанавливается проходная пробка, имеющая сквозное отверстие, через которое проходит подводящее оптическое волокно, причем место прохода подводящего-отводящего оптического волокна герметично заделано, причем участок подводящего оптического волокна, находящегося за пределами прочного корпуса, заключен в прочную трубку, выполненную из полимерного материала, прочно прикрепленную к проходной пробке.
Кроме того, присоединительная часть образована резьбой, нерезаной на ней, и, по меньшей мере, одной канавкой для уплотнительного резинового кольца.
Кроме того, участок подводящего оптического волокна, находящегося за пределами прочного корпуса, заключено в прочную трубку, выполненную из металла, прочно прикрепленную к проходной пробке.
Возможности закреплению датчика способствует так же то, что корпус датчика имеет присоединительный фланец с отверстиями для болтов либо резьба, нарезанная на присоединительной части, а так же канавки с уплотнительными кольцам.
Повышение защищенности элементов интерферометра от механических воздействий достигается тем, что они помещены в прочный корпус закрытый крышкой.
Защищенность подводящего оптического волокна, находящегося за пределами корпуса, достигается тем, что заключено в прочную трубку, прочно закрепленную на проходной пробке.
Защищенность элементов интерферометра и участка подводящего оптического волокна находящегося внутри корпуса от агрессивной среды, в которой измеряется давление, обеспечивает нейтральная несжимаемая жидкость, заполняющая корпус датчика.
На фиг. 1 показано предлагаемое устройство (продольный разрез). Устройство содержит корпус 1, выполненный из прочного материала (например, металла), имеющий присоединительную часть, образованную фланцем 2, который имеет сквозные отверстия 3 и канавкой для резинового уплотнительного кольца 4.
В корпусе 1 размещен интерферометр Фабри-Перо, зеркала которого образованы параллельно расположенными торцами 5 и 6 отрезка оптического волокна 7 и подводящего-отводящего оптического волокна 8, вклеенных с помощью эпоксидного клея в капилляр 9, выполненный из кварцевого стекла.
Капилляр закреплен внутри корпуса с помощью двух шайб 10, выполненных из резины. Причем диаметр внутреннего отверстия несколько меньше наружного диаметра капилляра, а наружный диаметр шайбы несколько больше внутреннего диметра полости корпуса.
Позицией 11 на фиг. 1 обозначена проходная пробка, установленная в одно из отверстий корпуса 1. Проходная пробка 11 имеет сквозное отверстие 12, через которое продето подводящее-отводящее оптическое волокно 8. Отверстие 12 проходной пробки 11, с продетым сквозь него подводящим-отводящим оптическим волокном 8 заполнено эпоксидным клеем, что после установки проходной пробки 11 в отверстие корпуса 1 обеспечивает герметичность вывода подводящего-отводящего оптического волокна 8 за пределы корпуса 1. Герметичность места посадки проходной пробки 11 в отверстии корпуса 1 обеспечивают уплотнительные кольца 13.
К торцу проходной пробки 11, направленному наружу корпуса 1 в месте 14 прикреплена трубка 15, сквозь которую продет участок подводящего-отводящего оптического волокна 8, расположенного за пределами корпуса 1, что обеспечивает защиту этого участка волокна от механических повреждений.
Позицией 16 на фиг. 1 обозначена гибкая мембрана, имеющая цилиндрическую часть 17. Гибкая мембрана 16 надета цилиндрической частью на корпус 1 имеющий для этого посадочную часть 18, имеющую наружную цилиндрическую поверхность. Причем внутренний диаметр цилиндрической части 17 гибкой мембраны 16 несколько меньше посадочной части 18 корпуса 1, что обеспечивает герметичность установки гибкой мембраны 16 на корпус 1.
Позицией 19 на фиг. 1 обозначена крышка, имеющая сквозное отверстие 20. Крышка 20 закрепляется на корпусе 1 с помощью резьбы 21. Крышка 19 удерживает гибкую мембрану 16 на месте и защищает ее от механических повреждений.
Внутренняя полость корпуса заполнена несжимаемой, не агрессивной к элементам интерферометра жидкостью.
Устройство работает следующим образом. Датчик устанавливается по месту и закрепляется с помощью присоединительной части корпуса 1. А именно: с помощью резинового кольца, установленного в канавку 4 присоединительной части происходит герметизация места установки; болтами (не показаны), продетыми через отверстия 3 фланца 2 датчик закрепляется. При этом часть корпуса 1, на которой расположены мембрана, 16 находится в среде, в которой измеряют давление. Таким образом, гибкая мембрана 16 находится в контакте со средой, который осуществляется через отверстие 20 крышки. Благодаря этому, колебаний давления, возникающие в среде, вызывают колебания мембраны, что, в свою очередь, вызывает колебания давления жидкости, заполняющей корпус 1. Благодаря этому, под действием изменяющегося давления жидкости, заполняющей корпус, происходят изменения длины капилляра 9 что, в свою очередь, приводит к изменениям расстояния между зеркалами интерферометра Фабри-Перо, причем амплитуда изменения расстояния между зеркалами интерферометра пропорциональна амплитуде изменения давления. Изменение расстояния между зеркалами интерферометра приводит к изменению интерференционной картины, наблюдаемой на выходе подводящего-отводящего оптического волокна 8 которая детектируется и преобразуется в электрический сигнал известными методами.