ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
FIBRE-OPTIC PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при конструировании и в процессе сборки волоконно-оптических датчиков давления на основе оптического туннельного эффекта в различных отраслях народного хозяйства. Предлагаемый датчик может быть использован для измерения больших давлений в условиях изменения температуры окружающей среды в диапазоне ±100°С на изделиях ракетно-космической техники (и предположительно от минус 100 до +500°С в других отраслях).
Известны волоконно-оптические датчики давления (ВОДД), содержащие световодные жгуты, общие торцы которых установлены на фиксированном расстоянии от светоотражающей металлической мембраны, процесс измерения давления в которых осуществляется путем регистрации изменения интенсивности отраженного светового потока в зависимости от прогиба мембраны под действием давления [1. Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - с.11-12; 2. Авдошин Е.С. Волоконная оптика в военной технике США // Зарубежная электроника, 1989. - №11. - с.98-99; 3. А.с. 1631329 G01L 11/00. Датчик давления; 4. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - с.40-41].
Недостатком таких датчиков является высокая температурная погрешность, обусловленная изменением геометрических параметров датчика. В частности, изменение начального расстояния между мембраной и торцом оптических волокон, обусловленное изменением температуры окружающей среды, ведет к возникновению температурной погрешности. Существенную долю в данную погрешность в датчиках давления вносит мембрана, что объясняется изменением ее геометрических размеров и модуля упругости материала мембраны. Кроме того, ВОДД отражательного типа имеют низкую чувствительность преобразования и малую глубину модуляции оптического сигнала в связи с потерями в зоне измерения из-за расхождения светового потока в пределах апертурного угла оптического волокна.
Известен волоконно-оптический датчик давления на основе оптического туннельного эффекта, в котором перечисленные недостатки вышеуказанных датчиков практически исключены [Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - с.188]. Датчик содержит подводящий и отводящий оптические волокна, оптическую призму, на которую нанесена кольцевая прокладка толщиной, приблизительно равной длине волны источника излучения, мембрану, воспринимающую измеряемое давление и перемещающуюся под действием давления относительно гипотенузной грани призмы.
2
-7
Особо привлекательна в этом датчике возможность использования в качестве мембраны кварцевой пластины малых габаритов (радиус мембраны при измерении давления в диапазоне 0…300 кгс/см составит приблизительно 4…5 мм). Такое конструктивное решение позволяет снизить погрешность, обусловленную изменением конструктивных параметров датчика при изменении температуры окружающей среды. Использование кварцевого стекла позволяет свести данную составляющую погрешности до минимума. Так, например, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кварцевого стекла марки С5-1 составляет 5-10 1/°С, и при изменении температуры в диапазоне от минус 100 до +500°С относительное расширение материала составит приблизительно 0,0025%, изменение модуля Юнга приведет к дополнительной погрешности, не превышающей в данном диапазоне температур 1%.
Однако известный ВОДД на основе туннельного эффекта имеет ряд недостатков: конструкция датчика не приспособлена к работе в жестких условиях ракетно-космической техники и не технологична:
во-первых, конструкция негерметична (технологически трудно обеспечить герметичность узла "призма-мембрана");
во-вторых, узел стыковки ОВ с призмой достаточно сложный: в качестве основного оптического элемента (световода) используется прямоугольная призма, в основании которой лежит прямоугольный треугольник, поэтому для обеспечения угла падения света на отражающую поверхность, роль которой выполняет гипотенузная грань призмы, отличного от 45 градусов, необходимо призму дорабатывать (чтобы обеспечить необходимую чувствительность преобразования, необходимо достаточно точно до долей градуса выдерживать требуемый угол - чаще всего это угол 47 градусов). При доработке должны использоваться сложная дорогостоящая технологическая оснастка и специальное измерительное оборудование, что значительно удорожает процесс изготовления датчика;
в-третьих, необходимо точно установить торцы подводящих и отводящих оптических волокон относительно призмы;
в-четвертых, если датчик будет эксплуатироваться при воздействии вибраций, ударов и т.п., необходимо обеспечить надежный контакт между торцами оптических волокон и гранями призмы. Известная конструкция этого не обеспечивает.
6
Данные недостатки устранены в наиболее близком по технической сущности к предлагаемому изобретению ВОДД, содержащем подводящие и отводящие оптические волокна, мембрану, кольцевую прокладку, деталь треугольной формы [Пат. 2253850 РФ, МПК G01L 11/02, 19/04. ВОДД/ Е.А.Бадеева, А.В.Гориш, Т.И.Мурашкина, А.Г.Пивкин; опубл. 10.06.2005. Бюл. №16].
Однако датчик-прототип на основе туннельного эффекта имеет ряд недостатков:
- чтобы получить зазор между мембраной и торцом подводящих и оптических волокон, равный длине волны оптического излучения (для обеспечения туннельного эффекта), необходим сложный процесс напыления металлической прокладки на кварцевую мембрану, трудно поддающийся контролю;
- при соединении отдельных элементов датчика между собой, например, с помощью сварки возможен процесс сдавливания этой прокладки и, соответственно, требуемый зазор не будет обеспечен, соответственно, не будет достигнут требуемый уровень оптического сигнала для функционирования датчика;
- при сборке может возникнуть непараллельность двух поверхностей: поверхности мембраны и торцевой поверхности оптических волокон, обращенной к мембране, что резко снижает чувствительность преобразования оптического сигнала;
- требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.
В конечном счете, требуемые метрологические характеристики датчика также не будут достигнуты.
Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в технологичности конструкции и высокой точности датчика. Предлагается новая конструкция ВОДД на туннельном эффекте, лишенная перечисленных выше недостатков, и процесс изготовления предложенного датчика.
Указанный технический результат достигается тем, что в ВОДД, содержащем мембранный блок, в который входят мембрана и несущая ее деталь, щтуцер, блок оптических волокон, в котором одни, срезанные под некоторым углом концы подводящих и отводящих оптических волокон расположены во втулке на детали треугольной формы и прижаты крышкой, а другие концы оптических волокон подстыковываются к источнику излучения и приемнику излучения, новым является то, что несущая деталь имеет минимум две полости, соединенные отверстием меньшим диаметром, чем диаметры полостей, причем высота Н полости, в которой жестко закреплена мембрана, определяется выражением:
М
где h - толщина мембраны;
λ - длина волны светового потока,
штуцер имеет три полости, причем в полость меньшего размера на кольцевой выступ установлен мембранный блок, на который устанавливается во вторую полость блок оптических волокон, закрепленный во вновь введенный корпус, внутренний размер которого равен внешним размерам блока оптических волокон, причем штуцер и корпус между собой жестко соединены.
Таким образом, предполагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся модернизированным (новым), промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.
На фигуре 1 приведена конструкция предлагаемого датчика, на фигурах 2, 3, 4 - этапы изготовления измерительного преобразователя волоконно-оптического датчика давления на основе туннельного эффекта, на фигуре 2а - формирование скошенных торцов оптических волокон, на фигуре 2б - крепление оптических волокон в металлической втулке, на фигуре 3а - размещение оптических волокон на "подушке", на фигуре 3б - крепление оптических волокон на "подушке" с помощью крышки и сварки, на фигуре 3в - полировка оптических волокон, на фигуре 4 - мембранный блок.
Датчик содержит мембранный блок 1, в который входит мембрана 2 и несущая ее деталь 3, блок оптических волокон 4, где расположены подводящие оптические волокна (ПОВ) 5 и отводящие оптические волокна (ООВ) 6, деталь треугольной формы 7 («подушка»), крышка 8, втулка 9, штуцер 10 и корпус 11, соединенные сваркой 12 (фиг.1).
Одни концы ПОВ 5 и ООВ 6, расположенные в зоне измерения, срезаны под некоторым углом Θ, определяемым выражением
1
2
3
где n, n, n - коэффициенты преломления сердцевины оптического волокна, среды между мембраной и оптическими волокнами, мембраны соответственно,
OB
пропущены через втулку, уложены на детали треугольной формы 7 и прижаты крышкой 8. Другие концы ПОВ 5 и ООВ 6 подстыковываются к источнику излучения (ИИ) 13 и приемнику излучения (ПИ) 14 соответственно. "Подушка" 7 представляет собой деталь треугольной формы с углом при вершине, равным 2θ, с углублением, повторяющим форму оптического волокна, соответственно глубина и ширина углубления соответствуют внешним размерам оптического волокна. Длина основания треугольника в сечении А-А равна b-d. Для исключения поломов оптических волокон угол при вершине закруглен, причем расчетный радиус округления поверхности углубления, на которую укладывается оптическое волокно, определяется выражением (3)
Несущая деталь 3 имеет минимум две полости (в приведенном на фиг.4 примере - три полости), соединенные отверстием меньшим диаметром, чем диаметры полостей, причем высота Н полости, в которой жестко закреплена мембрана 2, определяется выражением (1).
Штуцер 10 имеет три полости. С помощью резьбовой части штуцера датчик закрепляется на объекте, и через нее подается среда, давление которой необходимо измерить. В полость меньшего размера на кольцевой выступ установлен мембранный блок 1 таким образом, чтобы мембрана 2 была обращена к блоку оптических волокон 4. Мембранный блок 1 прижимается блоком оптических волокон 4, закрепленным в корпусе 11. Внутренние размеры корпуса 11 равны внешним размерам блока оптических волокон 4. Для обеспечения жесткости и герметичности конструкции штуцер 10 и корпус 11 между собой жестко соединены сваркой 12, а внутренняя полость корпуса 11 залита герметиком 15.
Для обеспечения туннельного эффекта зазор между мембраной 2 и полированной поверхностью оптических волокон 5 и 6 должен быть примерно равным длине оптического излучения ИИ 13, то есть λ. Соответственно размеры мембраны выбираются таким образом, чтобы прогиб ее под действием давления был меньше длины волны. Например, если используется инфоракрасное излучение на длине волны 0,85 мкм, то зазор должен быть примерно равным 1 мкм, а прогиб мембраны не должен превышать этого значения.
М
Необходимый зазор h задается высотой Н полости, в которой закреплена мембрана 2, и высотой h мембраны 2 в несущей детали, причем высота углубления определяется выражением (1) и при необходимости доводится до требуемого значения с помощью полировки.
Датчик работает следующим образом (см. фиг.1).
0
От источника излучения ИИ 13 световой поток Ф по ПОВ 5 направляется в сторону мембраны 2 под углом Θ, значение которого задается формой и размерами "подушки" 7, и выбирается из условия обеспечения максимальной чувствительности преобразования и глубины модуляции оптического сигнала из выражения (2) [Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990].
0
Под действием контролируемого давления Р мембрана 2 прогибается, и в центральной части зазор между мембраной и рабочими торцами оптических волокон будет меньше первоначального значения Х. В результате этого изменяется отражательная способность для электромагнитных волн в области срезанных торцов оптических волокон, соответственно изменяется интенсивность отраженного под углом Θ от данной области светового потока Ф(Р), несущего информацию об измеряемом давлении Р и поступающего по ООВ 6 на ПИ 14. Приемник излучения ПИ 14 преобразует оптический сигнал в электрический.
Рассмотрим основные этапы процесса сборки данного датчика (см. фиг.2, 3, 4):
1. Сборка блока оптических волокон 4.
1.1. Оптические волокна 5 и 6 временно неподвижно закрепляются в металлические наконечники 16 (фиг.2).
1.2. Оптические волокна, закрепленные в наконечниках 16, срезаются под углом Θ и полируются по сечению А-А, после этого наконечники 16 удаляются (фиг.2а).
1.3. Концы двух оптических волокон 5 и 6, у которых рабочие торцы срезаны под углом Θ, вклеиваются в металлическую втулку 9 из стали 29НК на расстоянии b относительно друг друга таким образом, чтобы свободные концы волокон выступали над поверхностью пластины на высоту l, определяемую из выражения (4)
1.4. Оптические волокна 5 и 6 укладываются на "подушку" 7 под радиусом
Для обеспечения точной сборки целесообразно, чтобы допуск на размер R был положительным. Это позволит в случае необходимости довести его до требуемого значения (фиг.3а).
OB
1.5. Чтобы оптические волокна лежали на "подушке" 7, они к ней сверху прижимаются металлической крышкой 8, которая с помощью сварки 17 скрепляется со втулкой 9. Крышка 8 по центру имеет сквозное отверстие шириной, равной диаметру оптического волокна, и длиной а=2HtgΘ, где H≈d. Свободное пространство под крышкой заполняется клеящим составом, например ситаллоцементом 18 (фиг.3б).
1.6. Часть оптических волокон, которая оказалась выше крышки на величину Н, срезается вдоль поверхности Б-Б и полируется (фиг.3б).
2. Сборка мембранного блока 1 (фиг.4).
2.1. Мембрана жестко закрепляется в мембранном блоке с помощью ситаллоцемента 19.
М
2.2. Необходимый зазор h задается высотой Н полости, в которой закреплена мембрана 2, и высотой h мембраны 2 в несущей детали, причем высота углубления определяется выражением (1) и при необходимости доводится до требуемого значения с помощью полировки.
3. Сборка волоконно-оптического датчика давления.
3.1. Мембранный блок 1 вставляется в штуцер 10, а блок оптических волокон 4 устанавливается в корпусе 11.
3.2. Штуцер 10 и корпус 11 между собой жестко соединяются с помощью импульсной сварки 12 таким образом, чтобы совпали их оси симметрии.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий.
В предлагаемой конструкции исключены сложные технологические сборочные операции.
Предложенная новая конструкция волоконно-оптического датчика давления на туннельном эффекте работоспособна в жестких условиях ракетно-космической техники и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.
Такая конструкция датчика обеспечивает более высокую точность измерения давления в условиях изменения температуры окружающей среды. Одновременно данное техническое решение не требует существенного усложнения конструктивного и схемного решения датчика, соответственно, не ведет к лишним материальным затратам.