Волоконно-оптический датчик давления
FIBER OPTICAL PRESSURE SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных системах контроля и измерения давления.
Известна конструкция распределенных оптических датчиков давления и температуры [Патент Российской Федерации №2473874, МПК G01L 11/02, опубл. 2013 г.]. Несущий элемент имеет измерительный участок, содержащий полость и, по меньшей мере, одну геометрическую неоднородность. На несущем элементе в области геометрической неоднородности прикреплен оптический датчик и при приложении давления к участку вблизи геометрической неоднородности создается концентрация напряжения на несущем элементе. Датчики подвергаются деформации, вызванными концентрациями напряжения, величина деформации коррелируется с давлением, приложенным к несущему элементу. Вблизи оптического датчика давления может быть также введен оптический датчик температуры. В описанном изобретении в качестве несущего элемента используются цилиндрические чувствительные элементы, такие как шланг или полая труба, имеющие одно или несколько геометрических неоднородностей.
Недостатками технического решения являются:
- низкая чувствительность, обусловленная малой величиной деформации решетки Брэгга ввиду малых размеров концентраторов напряжений, ограниченных габаритными размерами и прочностными свойствами чувствительного элемента;
- низкая технологичность, вызванная сложностью изготовления одинаковых геометрических неровностей концентраторов напряжений из-за невозможности точной ориентации поверхности детали в пространстве при производстве датчиков.
Известен микромеханический волоконно-оптический датчик давления [Патент Российской Федерации №2571448, МПК G01L 11/02, G01L 1/24, G01L 9/04, опубл. 2015 г.], содержащий участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса. При этом пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса и выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами и выполнено с решетками Брэгга. Пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины, при этом первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных вдоль участка оптического волокна на расстоянии по обе стороны от центра мембраны.
Недостатками указанного изобретения являются:
- низкая чувствительность, вызванная малым значением суммарной деформации при многократных изгибах оптического волокна в чувствительном элементе, многократные изгибы приводят к уменьшению значения амплитуды оптического сигнала.
- возможность измерения только гидростатического давления.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция волоконно-оптического датчика давления [Патент Российской Федерации №2515116, МПК G01L 1/24, опубл. 2014 г.], выбранного в качестве прототипа. Датчик содержит корпус с двумя трубчатыми элементами, имеющими, по меньшей мере, один заглушенный торец, установленными в корпусе. Второй торец первого трубчатого элемента соединен с корпусом и сообщается с каналом для подвода рабочей среды. Второй торец второго трубчатого элемента выполнен открытым и сообщается с внутренней полостью корпуса, в которую пропущено оптическое волокно с двумя решетками Брэгга. Оптическое волокно участками, содержащими решетки Брэгга, прикреплено непосредственно к наружной цилиндрической поверхности трубчатых элементов так, что одна из решеток расположена на первом трубчатом элементе, что позволяет оказывать на нее влияние одновременно двум воздействующим факторам, таким как деформация и температура. Деформация оптического волокна возникает вследствие деформации стенок трубчатого элемента под действием давления рабочей среды, поступающей через подводящий канал. Вторая решетка Брэгга расположена на втором трубчатом элементе таким образом, что на нее воздействует только температура. Обе решетки Брэгга при воздействии внешних факторов приводят к изменению частоты отраженного от нее оптического сигнала.
Недостатками прототипа являются:
- низкая чувствительность и снижение рабочего диапазона датчика ввиду малой деформации решеток Брэгга из-за отсутствия концентраторов напряжений на чувствительном элементе;
- возможность измерения только гидростатического давления;
- уменьшение амплитуды выходного сигнала, вызванной изгибами оптического волокна, вследствие большого расстояния по отношению к диаметру оптического волокна от входов и выходов датчика до поверхности крепления оптического волокна.
Целью изобретения является повышение точности измерения за счет повышения чувствительности датчика давления, повышение технологичности.
Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике давления, выполненным на основе оптического волокна, содержащим корпус, имеющий канал для подвода рабочей среды, оканчивающийся заглушкой, и оптическое волокно с двумя решетками Брэгга в качестве чувствительного элемента, согласно предлагаемому изобретению, заглушка выполнена в виде мембраны, на обратной стороне которой выполнены стойки, в которых жестко закреплено оптическое волокно, причем первый участок оптического волокна с решеткой Брэгга расположен между стойками, а второй участок оптического волокна с решеткой Брэгга расположен с обратной стороны стойки.
Кроме того, согласно предлагаемому изобретению, оптическое волокно расположено с возможностью последовательного соединения датчиков в распределенную сеть.
Выполнение заглушки в виде мембраны, на обратной стороне которой расположены стойки и в которых жестко закреплено оптическое волокно, а также расположение первого участка оптического волокна с решеткой Брэгга между стойками, а второго участка оптического волокна с решеткой Брэгга с обратной стороны стойки, позволяет деформировать первую решетку Брэгга, что приводит к увеличению рабочего диапазона и чувствительности датчика. Вместе с тем приведенное техническое решение упрощает серийное производство датчиков, за счет того, что мембрана и стойки выполнены из одной заготовки в едином технологическом процессе. Данное техническое решение позволяет измерять абсолютное, избыточное или относительное давление.
Выполнение заглушки в виде мембраны позволяет изготавливать датчики для широкого диапазона измерений с высокой точностью, т.к. мембрана обладает наилучшими метрологическими характеристиками и позволяет повысить чувствительность, линейность и другие физические характеристики воспринимающего элемента. Вместе с тем использование мембраны правильной формы «круг» или «квадрат» позволяет с высокой точностью провести расчет ее размеров: диаметра, площади и толщины, что позволит предварительно оценить механические свойства мембраны, и, как следствие, величину деформации решетки Брэгга и ее чувствительность к воздействующему параметру. Кроме того, мембрана обладает прямолинейностью рабочих поверхностей, что делает ее достаточно технологичной в изготовлении и облегчает расчет ее деформации и прогиба по всей площади.
Выполнение стоек на обратной стороне мембраны позволяет перевести механическое напряжение мембраны в перпендикулярную ей плоскость за счет их перемещения в результате прогиба мембраны под действием измеряемой среды.
Закрепление оптического волокна между стойками позволяет растянуть или сжать оптическое волокно, т.е. деформировать его. А с учетом того, что на данном участке находится первая решетка Брэгга, то деформация оптического волокна приводит к пропорциональному изменению длины волны света в решетке Брэгга от воздействующего давления. Расположение второй решетки Брэгга на участке оптического волокна с обратной стороны стойки позволяет убрать вторую решетку Брэгга из зоны деформации оптического волокна, таким образом, на данную решетку воздействует только температура, соответственно значение длины волны света в данной решетке изменяется лишь от одного фактора.
Предложенное техническое решение вместе с тем позволит последовательно подключать волоконно-оптические датчики, построенные на решетке Брэгга, в распределенную сеть.
Совокупность признаков приводит к повышению точности измерения за счет повышения чувствительности датчика давления, и к повышению технологичности.
На фиг. 1 представлен волоконно-оптический датчик давления, который содержит корпус 1, в виде резьбового штуцера, в котором имеется подводящий канал 14, переходящий в приемную полость 2, и оканчивающийся заглушкой 3, выполненной в виде мембраны. На обратной стороне мембраны расположены стойки 4, в отверстиях 10 которых жестко закреплено оптическое волокно 7 с двумя решетками Брэгга 8 и 9 в качестве чувствительного элемента по средствам зажимов 11, через клеевой композит 12 и винтов 13. Кожух 5, крышка 6 и корпус 1 образуют опорную полость. Первый участок оптического волокна с решеткой Брэгга 8 расположен между стойками 4, а второй участок оптического волокна с решеткой Брэгга 9 расположен с обратной стороны стойки 4. Оптическое волокно 7 расположено с возможностью последовательного соединения датчиков в распределенную сеть.
На фиг. 2 представлен волоконно-оптический датчик давления, корпус 1 которого предназначен для измерения гидростатического давления методом погружения в измеряемую среду и обладающий меньшими габаритно-массовыми характеристиками.
На фиг. 3 представлен график зависимости отношения толщины мембраны к ее диаметру от воздействующего давления измеряемой среды.
Мембрана выполнена из высококачественной пружинной стали 36НХТЮ и обладает хорошими упругими свойствами, толщина и диаметр мембраны выбирается в зависимости от требуемой чувствительности и величины воздействующего давления. Такое соотношение позволяет получить датчики с чувствительностью 1,5-2 нм к верхнему пределу измерения в диапазоне брэгговских длин волн 1520…1590 нм.
Работа устройства.
Измеряемая среда через канал 14 в корпусе 1 поступает в приемную полость 2 и воздействует на мембрану 3. Под воздействием среды происходит прогиб мембраны, который приводит к перемещению в противоположные, относительно друг друга, стороны стоек 4, приводящие к деформации жесткозакрепленного оптического волокна 7 на участке с первой решеткой Брэгга 8. Деформация участка оптического волокна с первой решеткой Брэгга 8 приводит к изменению отраженной длины волны света в решетке Брэгга. По изменению отраженной длины волны света определяется величина давления относительно опорной полости образованной корпусом 1, кожухом 5 и крышкой 6. Величина давления в опорной полости варьируется от вакуума до значения давления, относительно которого необходимо регистрировать давление. Участок второй решетки Брэгга служит для температурной компенсации.
Таким образом, заявляемое техническое решение повышает точность измерения за счет повышения чувствительности датчика давления и технологичность изготовления.