ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в датчиках давления в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения давления в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники.
Известны волоконно-оптические датчики давления (ВОДД), содержащие световодные жгуты, установленные 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 (Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - с. 11-12; Авдошин Е.С. Волоконная оптика в военной технике США // Зарубежная электроника, 1989. - №11. - с. 98-99; а. с. 1631329 G01L 11/00. Датчик давления; Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - с. 40-41).
Недостатками данных датчиков являются:
- низкая чувствительность преобразования, обусловленная существенными потерями светового потока при отражении от зеркальной поверхности мембраны в пределах апертурного угла оптических волокон,
- высокая температурная погрешность, обусловленная изменением геометрических параметров датчика,
- погрешность от неинформативных изгибов оптических волокон в процессе сборки, испытаний и эксплуатации датчиков.
Известно устройство, в котором под воздействием переменного акустического поля свет модулируется тонкой шторкой из титановой фольги, прикрепленной к гибкой мембране. Свет от светодиода поступает через разветвитель по волоконному световоду в полость, где расположена шторка, модулированный свет по-другому световоду направляется на фотодиод [Световодные датчики / Б.А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 15].
Недостатками этого устройства являются низкая чувствительность преобразования, из-за существенных потерь оптической мощности в разветвителях, из-за потерь светового потока в процессе передачи его от подводящих оптических волокон к отводящим оптическим волокнам в пределах апертурного угла оптических волокон, а также высокая погрешность, обусловленная неинформативными изгибами оптических волокон при воздействии внешних механических факторов, например при сборке датчиков, при испытаниях, при эксплуатации, которые ведут к существенным неинформативным потерям оптического сигнала при его прохождении по оптическим волокнам.
Перечисленные недостатки устранены в волоконно-оптическом преобразователе перемещений, наиболее близком по конструктивному исполнению оптической системы, содержащем соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки [патент на изобретение РФ 2290605 Волоконно-оптический преобразователь перемещения].
Недостатком данного преобразователя являются:
- технологическая сложность точного расположения оптических волокон относительно друг друга и относительно отверстия в шторке;
- технологическая сложность точного изготовления отверстия относительно оптических волокон из-за технологических особенностей крепления шторки на мембране, а мембраны в корпусе датчика, если данный преобразователь будет применен в датчике давления;
- низкая надежность конструкции из-за возможного нарушения целостности оптического волокна в процессе сборки датчика;
- дополнительные погрешности датчика при повышенных температуре и влажности из-за негерметичного исполнения конструкции преобразователя, приводящего к изменению прозрачности среды между оптическими элементами преобразователя.
Технический результат полезной модели заключается в повышении технологичности изготовления, герметичности и надежности конструкции датчика.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический датчик давления содержит корпус, мембрану, соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, подводящее и отводящие оптические волокна, в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки, и отличается тем, что корпус выполнен из двух герметично соединенных частей: основания и верхней части, на основание установлен блок измерительного преобразователя, в верхней части которого герметично закреплена мембрана со шторкой, в нижней части выполнено углубление для установки котировочных винтов, а в средней части - выполнены углубление для укладки волокон и сквозное отверстие для установки втулок с торцами подводящего и отводящих волокон ось, которого совпадает с осью отверстия в шторке, все оптические волокна на выходе из корпуса объединяются в единый волоконно-оптический кабель и с помощью втулки кабеля неподвижно закрепляются на корпусе датчика.
1. Волоконно-оптический датчик давления содержит корпус, мембрану, соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, подводящее и отводящие оптические волокна, в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки, и отличается тем, что корпус выполнен из двух герметично соединенных частей: основания и верхней части, на основание установлен блок измерительного преобразователя, в верхней части которого герметично закреплена мембрана со шторкой, в нижней части выполнено углубление для установки котировочных винтов, фиксирующих оптические волокна, в средней части - выполнены углубление для укладки волокон и сквозное отверстие для установки втулок с торцами подводящего и отводящих оптических волокон, ось которого совпадает с осью отверстия в шторке.
2. Волоконно-оптический датчик по п. 1, отличающийся тем, что все оптические волокна на выходе из корпуса объединяются в единый волоконно-оптический кабель и с помощью втулки кабеля неподвижно и герметично закрепляются на корпусе датчика.
3. Волоконно-оптический датчик по п. 2, отличающийся тем, что пространство под мембраной заполнено инертным газом.
4. Волоконно-оптический датчик по п. 1, отличающийся тем, что верхняя часть корпуса выполнена в виде штуцера с внешней резьбой.
Сущность полезной модели поясняется фигурами:
- на фиг. 1 приведен осевой разрез датчика с основными обозначениями.
- на фиг. 2 приведен поперечный разрез блока измерительного преобразователя в зоне расположения оптических волокон;
- фиг. 3 показано расположение оптических волокон относительно друг друга и относительно отверстия в шторке.
Волоконно-оптический датчик давления содержит корпус 1, состоящий из двух частей: основания 2 и верхней части 3 (фиг. 1). На основание 2 установлен блок измерительного преобразователя 4, в верхней части которого с помощью сварки 5 герметично закреплена мембрана 6 со шторкой 7. Шторка 7 выполнена с отверстием. В нижней части основания 2 выполнено углубление 8 для установки котировочных винтов 9, а в средней части - выполнены углубление 10 для укладки подводящего оптического волокна (ПОВ) 11 и отводящих оптических волокон (ООВ) 12 и 13 и сквозное отверстие 14 для установки цилиндрических втулок 15 и 16. Во втулке 15 закреплен торец ПОВ 11, во втулке 16 закреплены торцы ООВ 12 и 13 и отрезок технологического волокна 17 (фиг. 1, 2, 3).
ПОВ 11 расположено соосно отверстию в шторке 7 и соосно технологическому волокну 17 в нейтральном положении: при начальном значении измеряемого давления (фиг. 3). Вокруг технологического волокна 17 расположены приемные торцы ООВ 12 и 13, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении Z перемещения шторки 7. Технологическое оптическое волокно 17 необходимо для симметризации ООВ 12 и 13. Количество ООВ в первом и втором измерительных каналов равно.
Юстировка ПОВ 11 и ООВ 12 и 13 относительно отверстия в шторке 7 осуществляется перемещением втулок 15 и 16 вдоль отверстия 14 с дальнейшей фиксацией с помощью котировочных винтов 9.
Все оптические волокна объединяются в единый волоконно-оптический кабель 18, закрепленный во втулке 19, которая с помощью сварки 20 соединена с корпусом 1.
Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем следующим образом.
Закрепление ПОВ 11 и ООВ 12 и 13 в цилиндрических втулках 15 и 16 позволяет избежать изгибов и нежелательных влияний вибраций на оптические волокна, а применение мембраны 6 с закрепленной на ней шторкой 7 с отверстием позволяет изменять интенсивность излучения на приемных торцах ООВ 12 и 13, а не воздействовать на само оптическое волокно, что ведет к повышению надежности датчика.
Соединения с помощью сварки 5 мембраны 6 с верхней частью блока измерительного преобразователя 4, с помощью сварки 20 втулки 19 волоконно-оптического кабеля 18 с корпусом 1, с помощью сварки 21 основания 2 и верхней части 3, обеспечивают герметичность конструкции датчика.
Заполнение свободного пространства ВОДД под мембраной 6 инертным газом (например, аргоном) обеспечивает точность функционирования датчика в условиях отрицательных температур за счет исключения выпадения конденсата (точка росы) на элементы оптической системы.
Расположение оптических волокон в углублении 10 определенного радиуса исключает излом оптических волокон в процессе сборки датчика, тем самым повышается надежность конструкции датчика.
Юстировка ПОВ 11 и ООВ 12 и 13 относительно отверстия в шторке 7 с помощью перемещения втулок 15 и 16 вдоль отверстия 14 необходима для достижения линейной функции преобразования и повышения чувствительности преобразования оптической системы датчика.
Исполнение верхней части 3 корпуса 1 в виде штуцера 22 с внешней резьбой позволяет надежно закрепить ВОДД в некоторой полости емкости (например, в трубопроводе) (фиг. 4).
Соосное расположение ПОВ 11, отверстия в шторке 7, технологического волокна 17 и симметричное расположение относительно него ООВ 12 и 13 обеспечивают реализацию дифференциальной схемы управления световым потоком, когда при Z=0 одинаково открыты верхняя половина отводящих оптических волокон 12 первого измерительного канала и нижняя половина отводящих оптических волокон 13 второго измерительного канала.
Совокупность признаков приводит к повышению точности позиционирования оптических элементов друг относительно друга, технологичности и герметичности датчика при высокой точности измерений, за счет реализации дифференциального преобразования оптических сигналов.
В блоке измерительного преобразователя 4 модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перекрытия части светового потока перемещающейся непрозрачной шторкой 7.
0
NA
1
2
ВОДД работает следующим образом: часть светового потока Ф источника излучения 23 с выхода подводящего оптического волокна 11 под апертурным углом Θ падает на шторку 7, проходит сквозь отверстие в ней и поступает на приемные торцы ООВ 12 и 13. Под действием измеряемого давления Р мембрана 6 прогибается, соответственно смещается в направлении Z шторка 7, жестко на ней закрепленная, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Ф(Р) и Ф(Р) первого и второго измерительных каналов.
1
2
Часть оптического излучения Ф(Р), прошедшего через отверстие в шторке 7, поступает в отводящее оптическое волокно 12 первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф(Р), прошедшего через отверстие в шторке 7, - в отводящее оптическое волокно 13 второго канала. По ООВ 12 и 13 световые потоки направляются на приемники излучения 24 и 25 соответственно.
1
2
1
2
1
2
1
2
Приемники излучения 24 и 25 преобразуют оптические сигналы Ф(Р) и Ф(Р) в электрические I(Р) и I(P), поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ). В БПИ осуществляется операция деления сигналов I(P) и I(P), что позволяет компенсировать изменения мощности излучения источника излучения 23 и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов. Для повышения чувствительности преобразования можно сформировать отношение разности сигналов I(Р) и I(P) к их сумме. При этом наблюдается удвоение чувствительности преобразования, линеаризация выходной зависимости. В этом случае на выходе датчика формируется сигнал, определяемый следующим выражением:
1
2
1
2
[I(P)-I(P)]/[I(P)+I(P)].
Таким образом, заявляемый технический результат в части повышения технологичности изготовления, герметичности и надежности конструкции датчика реализуется совокупностью указанных признаков полезной модели.