ОПТОВОЛОКОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
FIBRE OPTIC INTERFEROMETRIC TRANSDUCER OF STATIC AND DYNAMIC PRESSURE

Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Известные технические решения таких измерителей основаны на использовании классических интерферометров, плечи которых выполнены из оптических одномодовых волокон, одно из которых является чувствительным к изменению давления (измерительное волокно), а второе волокно (опорное) к изменению давления нечувствительно. При воздействии давления на чувствительное волокно в результате его деформации изменяется длина оптического пути и набег фазы по измерительному волокну, что приводит к фазовой модуляции интерференционного сигнала, который может быть продетектирован и преобразован в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине давления. Подобные датчики описаны в Патенте США №4751690, 05/15/1984 «Fiber optic interferometric hydrophone». Патенте США №4449210, 06/14/1988 «Fiber optic hydrophone transducers», Патенте США 535944510/25/1994 «Fiber optic sensor». Патенте РФ RU 229511, «Лазерный гидрофон». Патенте RU 2106072 «Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон» и др.
Общим конструктивным недостатком указанных датчиков является то, что их чувствительность непосредственно зависит от длины измерительного и опорного волокна и для измерения малых величин давлений длины волокон могут достигать сотни метров, что существенно увеличивает габариты датчиков и их массу. Кроме этого намотка измерительного волокна должна производиться с определенным и постоянным натяжением, чтобы избежать деформации самого волокна (микрорастяжения).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала, при этом приемная мембрана нагружена на несколько волоконных катушек различной длины, которые составляют предметные интерферометрические плечи, включающие когерентные источники света и фотоприемники, («Волоконно-оптический гидрофон». Патент РФ № 2112229 от 29.01.1996, МПК G01M 11/02).
Недостатком прототипа является невозможность плавного изменения чувствительности и динамического диапазона, и изменение этих величин возможно только дискретно путем электронного переключения плеч локальных интерферометров с различными длинами измерительных и опорных волокон. Фактически такой датчик состоит из нескольких однотипных интерферометрических датчиков с измерительными волокнами различной длины, нагруженными на одну чувствительную к акустическому давлению мембрану.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах, используя интерферометр только с одними и фиксированной длинами измерительного и опорного плеч.
Технический результат достигается за счет того, что оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала, снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом, при этом нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное интерферометрическое плечо образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное интерферометрическое плечо образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой, а мембрана датчика и зеркала выполнены из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например из ситала.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена схематично конструкция предлагаемого датчика, а на Фиг. 2. поясняется принцип его работы.
Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света 1, входное оптическое волокно 2, микрообъектив 3, световой делитель 4, нижнее неподвижное зеркало 5 опорного интерферометрического плеча, акустическую мембрану 6 с нижним зеркальным покрытием, неподвижное двустороннее зеркало 7, микрообъектив 8, выходное оптоволокно 9, фотоприемник 10, электронное устройство обработки фотоэлектрического сигнала 11 и корпус 12, в котором расположены все элементы датчика.
Устройство работает следующим образом. Световой поток от лазерного источника света 1, пройдя по входному оптоволокну 2, дополнительно коллимируется с помощью микрообъектива 3. Далее, с помощью светового делителя 4 световой поток вводится под определенными и одинаковыми углами в измерительное интерферометрическое плечо датчика, образованное нижней зеркальной поверхностью акустической мембраны 6 и верхней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала 7, и в опорное интерферометрическое плечо датчика, образованное нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала 7 и нижним неподвижным зеркалом 5. При этом при отсутствии акустического давления световые лучи будут распространяться в измерительном и опорном плечах, испытывая одинаковые многократные переотражения от поверхностей зеркал. Длины оптических путей в измерительном и опорном плечах зависят от угла ввода, длины зеркал и зазоров между ними. Оценки показывают, что возможные длины оптических путей могут доходить до сотни метров при различных вариациях геометрических размеров и угла ввода. При фиксированных длинах зеркал эффективная длина оптического пути существенно зависит только от угла ввода, и, изменяя этот угол, можно в широких пределах изменять чувствительность датчика, поскольку его чувствительность к акустическому давлению прямо пропорциональна длине оптического пути. При воздействии акустического давления на мембрану 6 длина оптического пути в измерительном плече будет изменяться, что приводит к изменению интерферометрического оптического сигнала (его модуляции).
Поясним принцип работы устройства. Пусть два зеркала расположены на расстоянии d, их длина равна L (Фиг. 2) Под углом φ вводится оптический луч. Тогда путь луча до первого отражения равен
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>d</mi><mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mfrac><mtext>                                               </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
А катет напротив угла φ равен
<mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>ϕ</mi><mtext>                                                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Если на длине L укладывается целое число отрезков s, то число отражений луча равно
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mi>s</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mfrac><mtext>                                                       </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Тогда полный оптический путь луча, многократно отраженного от зеркал, равен
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>N</mi><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>L</mi><mi>D</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>ϕ</mi><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mfrac><mtext>                                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
При воздействии акустического давления верхнее зеркало относительно нижнего начнет смещаться и величины d и s тоже будут уменьшаться. Найдем такое смещение, при котором число отражений N увеличится на единицу.
0
0
<mrow><mo><</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Если L=Ns+s/2=s(N+1/2)=dtgφ(N+1/2) или d=L/tgφ(N+1/2), то при смещении зеркала на величину
число отражений N меняться не будет.
При этом
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>N</mi><mi>D</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>/</mo><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mo>.</mo><mtext>                                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>8</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
Если расстояние между зеркалами меняется по закону изменения акустического давления d=d+ξcosωt, то
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>/</mo><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>/</mo><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>ξ</mi><mi>cos</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>ξ</mi><mo><</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo><mtext>                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>9</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Если данное устройство поместить в одно плечо двухлучевого интерферометрического датчика, то, как следует из (9), чувствительность измерения перемещений (смещений) увеличится в N/cosφ раз по сравнению с обычным интерферометром. Таким образом, чувствительность по давлению возрастает с увеличением длины зеркал и увеличением угла ввода φ.
Данное устройство обладает несколькими основными преимуществами по сравнению с известными оптоволоконными интерферометрическими датчиками давления. Во-первых, в нем оптические волокна используются только для ввода и вывода оптического излучения, т.е. устраняются известные проблемы намотки оптических волокон большой длины. Во-вторых, такая схема позволяет плавно изменять чувствительность приемника давления в очень широких пределах путем изменения угла ввода оптического излучения. В-третьих, известно, что любые интерферометрические волоконно-оптические датчики, предназначенные для измерения давлений, крайне чувствительны к изменениям окружающей температуры, и в них приходится вводить специальные и дополнительные узлы для компенсации температурных флуктуаций Предлагаемое устройство может быть практически не чувствительно к изменениям окружающей температуры, если, например, его зеркальные элементы выполнить из ситала, обладающего рекордно низким коэффициентом температурного расширения.