ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
FIBER OPTIC PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения давления, и может быть использовано для диагностики напряженного состояния и дефектоскопии композитов, в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.
Известен волоконно-оптический торцевой датчик давления (патент RU №2522791, опубл. 20.07.2014), состоящий из записанной на оптическом световоде волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), мембраны, корпуса, при этом мембрана жестко прикреплена к световоду и имеет возможность движения по осевой линии относительно корпуса, оптический световод жестко прикреплен к торцу корпуса по его осевой линии.
Недостатком известного устройства является его возможность измерения давления лишь вблизи мембраны.
Известен волоконно-оптический датчик давления (патент RU №2270428, опубл. 20.02.2006 г.), состоящий из чувствительного элемента, источника света, световодов, регистрирующей аппаратуры; датчик снабжен направляющей линзой, анализатором, приемной линзой, чувствительный элемент снабжен пластиной из оптически активного материала с отверстием, в качестве источника света используют источник поляризованного света.
Недостатком известного устройства является его возможность измерения давления лишь вблизи торцевого сечения оптоволокна.
Известен волоконно-оптический датчик давления (патент РФ №92004980, опубл. 09.07.1995), в корпусе которого закреплена мембрана с жестким центром и утолщенной периферийной частью и два волоконно-оптических преобразователя, выполненных в виде световодов с источником света и фотоприемниками. Торцы световодов установлены соответственно напротив центральной и периферийной части мембраны. Между отражающими поверхностями мембраны и торцами световодов выполнена светозащитная перегородка, имеющая конфигурацию, аналогичную конфигурации периферийной части мембраны.
Недостатком известного устройства является его возможность измерения давления лишь вблизи мембраны.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является волоконно-оптический датчик давления (патент RU №2003118756/28, опубл. 23.06.2003), состоящий из корпуса, подводящих и отводящих оптических волокон, относительно общего торца которых с зазором установлена жестко закрепленная кварцевая мембрана, приемник излучения. Процесс измерения давления осуществляется путем регистрации приемником изменения интенсивности светового потока на выходе световода в зависимости от прогиба мембраны под действием давления. Данная конструкция принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - наличие оптического волокна, приемник излучения.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее возможность измерения давления лишь вблизи мембраны.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы волоконно-оптического датчика давления для протяженных участков контроля.
Технический результат изобретения заключается в увеличении рабочей поверхности волокна, определении функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления, локации зон повышенного давления.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный волоконно-оптический датчик давления, содержащий оптическое волокно, приемник излучения, согласно изобретению вокруг оптического волокна нанесены последовательно электролюминесцентный и с радиальной поляризацией пьезоэлектрический концентрические цилиндрические слои, введены внутренний и внешний электроды с варьируемым управляющим напряжением, при этом внутренний электрод выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном и электролюминесцентным слоем, а внешний электрод установлен вокруг пьезоэлектрического слоя.
В качестве оптического волокна может быть использовано оптоволокно с отражающей торцевой поверхностью на удаленном от приемника конце.
В качестве оптического волокна может быть использовано сдвоенное непрерывное оптоволокно с совмещенными концами у приемника.
На оптическом волокне могут быть размещены одна или несколько решеток Брэгга.
Внутренний электрод может быть выполнен в виде цилиндрический перфорированной оболочки или линейного проводника со спиральной намоткой на оптическое волокно.
Пьезоэлектрический слой может быть выполнен из полимерной пьезоэлектрической поляризованной по толщине ленты, спирально намотанной в один или несколько слоев на электролюминесцентный цилиндрический слой.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - вокруг оптического волокна нанесены последовательно электролюминесцентный и с радиальной поляризацией пьезоэлектрический концентрические цилиндрические слои; введены внутренний и внешний электроды с варьируемым управляющим напряжением; внутренний электрод выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном и электролюминесцентным слоем; внешний электрод установлен вокруг пьезоэлектрического слоя; в качестве оптического волокна использовано оптоволокно с отражающей торцевой поверхностью на удаленном от приемника конце; в качестве оптического волокна использовано сдвоенное непрерывное оптоволокно с совмещенными концами у приемника; на оптическом волокне размещены одна или несколько решеток Брэгга; внутренний электрод выполнен в виде цилиндрический перфорированной оболочки или линейного проводника со спиральной намоткой на оптическое волокно; пьезоэлектрический слой выполнен из полимерной пьезоэлектрической поляризованной по толщине ленты, спирально намотанной в один или несколько слоев на электролюминесцентный цилиндрический слой.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют увеличить рабочую поверхность волокна, определить функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления и зоны повышенного давления. Благодаря этому повышается эффективность работы волоконно-оптического датчика давления для протяженных участков контроля.
Волоконно-оптический датчик давления иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-11.
На фиг. 1 показан фрагмент предлагаемого датчика давления  с интенсивностью света I на выходе оптоволокна.
упр
На фиг. 2 показана расчетная схема из составного трехслойного волокна с управляющим напряжением U под действием давления .
На фиг. 3 показана принципиальная схема исполнения датчика давления  в виде одинарного волокна с отражающей торцевой поверхностью.
На фиг. 4 показана принципиальная схема исполнения датчика давления  в виде сдвоенного непрерывного волокна с совмещенными концами у приемника.
На фиг. 5 показана принципиальная схема создания многослойной структуры датчика путем спиральных намоток лент и внутреннего электрода в виде спирального линейного электрода.
На фиг. 6 показана принципиальная схема создания многослойной структуры датчика путем спиральных намоток лент и внутреннего электрода в виде перфорированного металлического ленточного электрода.
На фиг. 7 показана принципиальная схема создания многослойной структуры датчика путем спиральных намоток лент и внутреннего электрода в виде фотопрозрачного полимерного ленточного электрода.
На фиг. 8 представлены заданные зависимости интенсивности свечения электролюминофора  и ее производной  от действующего на электролюминофор напряжения .
1
a
o
На фиг. 9 представлены рассчитанные функции свечения I из оптоволокна и ее производной I’ для случая импульсного управляющего напряжения (U=5 В, U=0) на участке .
o
1
a
На фиг. 10 представлены рассчитанные функции свечения I из оптоволокна и ее производной I’ для случая однородного по длине  датчика управляющего напряжения (U≠0, U=0).
На фиг. 11 представлены результаты расчетов искомых функций плотностей вероятностей  и  распределений давления  по длине локального участка  и по всей длине  волоконного датчика соответственно.
Волоконно-оптический датчик давления (фиг. 1) содержит оптическое волокно 1. Вокруг оптического волокна 1 нанесены последовательно электролюминесцентный 2 и с радиальной поляризацией пьезоэлектрический 3 концентрические цилиндрические слои. Между оптическим волокном 1 и электролюминесцентным слоем 2 установлен внутренний фотопрозрачный (например, перфорированный) электрод 4 с варьируемым управляющим напряжением. Вокруг пьезоэлектрического 3 слоя установлен внешний электрод 5 с варьируемым управляющим напряжением (в частности, в виде однородного по длине, бегущего сканирующего прямоугольного видеоимпульса, бегущей или стоячей электромагнитных волн).
Характеристики светового потока (например, интенсивность) на выходе из оптоволокна 1 анализируются приемником излучения 6. В качестве приемника излучения 6 может быть использован фотодиод или фотодиод с интерферометром. В датчике может быть использовано одинарное оптическое волокно с отсутствием или с наличием отражающей торцевой поверхности на удаленном от приемника конце и/или сдвоенное непрерывное оптическое волокно с совмещенными концами у приемника излучения (фиг. 3, 4). На оптическом волокне могут быть размещены одна или несколько решеток Брэгга.
Внутренний электрод 4 выполнен, в частности, в виде цилиндрической перфорированной оболочки или линейного проводника со спиральной намоткой на оптическое волокно 1. Внешний электрод 5 выполнен, в частности, в виде цилиндрической неперфорированной оболочки.
Поверх внешнего электрода 5 может быть использовано защитное изолирующее (от внешней среды) покрытие.
Для улучшения сцепления и электропроводности межфазных границ цилиндрических слоев составного волокна могут быть использованы специальные адгезионные материалы (клеи).
Устройство работает следующим образом.
упр
Механолюминесцентный эффект в датчике давления возникает в результате взаимодействия между собой электролюминесцентного 2 и пьезоэлектрического 3 слоев (покрытий) поверх оптоволокна 1 (фиг. 1). Наличие дополнительных межслойных управляющих электродов 4, 5 расширяет возможности анализа распределения и локации неоднородностей давления по длине датчика (фиг. 1, 2). Действие напряжений (давления)  на внешней боковой поверхности трехслойного волокна 1 приводит к деформациям пьезоэлектрического слоя 3 и появлению в нем и в смежном электролюминесцентном слое 2 электрического поля, приводящего к свечению электролюминофора через фотопрозрачный электрод 4 в оптоволокно 1 (фиг. 2). Напряжение U на управляющих электродах 4, 5 изменяет напряжение на электролюминесцентном слое 2 и величину интенсивности света I на выходе оптоволокна 1.
Управляющее напряжение по длине электродов может быть, например, как постоянной (по длине электрода) величиной, так и в виде бегущего по электроду локационного электрического видеоимпульса прямоугольной формы, отличного от нуля лишь на локальном участке  и с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения по электроду.
а
а
1
1
упр
упр1
0
Расчет функции плотности вероятностей  распределения давления  на локальном участке  внешней боковой поверхности оптоволоконного датчика по результатам замеряемой на торцевом сечении датчика интенсивности света I из оптоволоконной фазы для случая нелинейной зависимости  интенсивности света  от действующего на электролюминофор напряжения  (фиг. 8) сводится к решению интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с разностным ядром , зависящим от рассчитываемых эффективных параметров ,  датчика, относительной дины  исследуемого локального участка  и производной  (фиг. 8) заданной функции свечения электролюминофора. В датчике давления электрическое напряжение на каждом локальном участке слоя электролюминофора  выражается через значения управляющего напряжения U и действующего давления  на этом локальном участке (фиг. 2). Примеры зависимостей интенсивности свечения I на выходе оптоволокна датчика и ее производной I’ от управляющего напряжения U на локальном участке  даны на фиг. 9 (сплошная линия), зависимости I, I’ от управляющего однородного по всей длине  датчика напряжения U даны на фиг. 10 (сплошная линия). Решения (в различных приближениях) для функции плотностей вероятностей  распределения давления  на локальном участке  и для функции  распределения давления  по всей длине  волоконного датчика даны на фиг. 11.
упр1
0
Для частного случая, когда зависимость  - ступенчатая функция (пунктирная линия на фиг. 8), можно получить аналитические решения для функций плотностей вероятностей  распределения давлений по локальному участку  и по всей длине  волоконного датчика; в этом случае ядро K(x-s) выражается через дельта-функцию и интегральное уравнение Фредгольма сводится к алгебраическому. Для этого случая примеры зависимостей I, I’ от управляющего напряжения U на локальном участке  даны на фиг. 9 (пунктирная линия) и от однородного по всей длине  датчика управляющего напряжения U даны на фиг. 10 (пунктирная линия).
1
min
max
Подтверждение заявленных технических результатов: увеличение рабочей поверхности  волоконного датчика давления, определение функций распределения:  для неоднородного по всей длине  волоконного датчика давления  и  для локации зон повышенного давления  на локальном участке  получено в результате проведенных численных экспериментов (фиг. 8, 9, 10, 11) на основе разработанных алгоритма и математической модели локации неоднородностей давления по длине оптоволоконного пьезоэлектролюминесцентного датчика с использованием локационного сканирующего электрического видеоимпульса с пошаговым изменением величины импульса U на каждом цикле прохождения исследуемого локального участка . Свойства электролюминофора заданы «S-образной» кривой зависимости интенсивности свечения  от приложенного напряжения  с характерными точками заданных пороговых напряжений: U для начала свечения и U для начала насыщенного свечения электролюминофора (фиг. 8). Алгоритм позволяет свести расчет функции плотности вероятностей  распределения давления  на локальном участке  внешней боковой поверхности оптоволоконного датчика по результатам замеряемой (на торцевом сечении датчика) интенсивности I света, выходящего из оптоволоконной фазы, к решению интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода
или в канонической форме записи
где разностное ядро
a
a
1
пp1
2
1
с учетом новых переменных х=Uу, s=-ς, известная
и искомая
min
max
1
1
упр
1
1
а
а
а
а
функции, границы интегрирования ,  или s→-∞, s=х, , относительная дина  исследуемого локального участка  и производная  заданной функции свечения электролюминофора (фиг. 8). Эффективные параметры ,  датчика устанавливают связь величины радиального электрического напряжения  на каждом локальном участке слоя электролюминофора со значениями управляющего напряжения U и действующего давления  на этом локальном участке; параметры ,  были рассчитаны с использованием математической модели электроупругости для слоистого оптопьезоэлектролюминесцентного цилиндра. Для частного случая, когда зависимость  - ступенчатая функция (пунктирная линия на фиг. 8), получены аналитические решения для функций плотностей вероятностей распределения давлений  по локальному участку  и  по всей длине  волоконного датчика, когда ядро выражается через дельта-функцию и интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода сводится к алгебраическому. Определены области допустимых значений параметров управляющего напряжения волоконно-оптического датчика для различных режимов диагностики распределения давления.
упр1
o
упр1
o
упр1
o
i
j
j
упр1
o
Получены решения прямой и обратной задач на основе численного решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода. В прямой задаче для «заданных» функций плотностей вероятностей  равномерных законов распределения соответствующих давлений  найдены производные dI/dU, dI/dU интенсивности I света на выходе оптоволокна для случаев импульсного U на локальном участке  и однородного U по длине  управляющих напряжений (фиг. 9, где сплошные и пунктирные линии для различных случаев: S-образной и ступенчатой функций свечения электролюминофора (фиг. 8)). В обратной задаче, по найденным в прямой задаче функциям dI/dU, dI/dU находили искомые функции плотностей вероятностей  распределений давлений на участке  и по всей длине  датчика; численное решение задачи осуществлено в различных приближениях, распределение узловых точек x, s внутри соответствующих интервалов и искомые узловые значения y находили из условия минимизации суммарных невязок по заданным и рассчитываемым значениям функций dI/dU, dI/dU (фиг. 10).
Численные экспериментальные испытания показали, что по сравнению с известным устройством достигается увеличение рабочей поверхности волокна, определение функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления, локация зон повышенного давления (фиг. 9, 10, 11). Благодаря этому повышается эффективность работы волоконно-оптического датчика давления для протяженных участков контроля.