ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к волоконно-оптическим датчикам давления, и может найти применение в автотранспортной сфере как в качестве средства взвешивания автотранспортных средств с грузом или без груза и в составе динамических систем непрерывного динамического контроля давления на колеса автотранспортного средства - в составе технологий WIM (взвешивания в движении).
Известен тензодатчик давления и механической силы, основанный на преобразовании силы или давления в электрический сигнал на основе пьезорезистивного эффекта, содержащий пластину и детектор с кремниевой диафрагмой (см. кн. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. - М., Техносфера, 2005. - с. 347-349). Его недостатки: снижение надежности и долговечности из-за наличия нескольких промежуточных этапов в процессе преобразования. Кроме того, кремниевые резисторы имеют довольно высокую температурную чувствительность, что в целом снижает их точность измерения, требует включения в состав датчика цепи температурной компенсации, дополнительно усложняя конструкцию датчика.
Наиболее близким по технической сути является волоконно-оптический датчик давления (ВОДД), выполненный на основе оптического волокна, содержащий ввода излучения и участок вывода излучения, между которыми находится участок, размещенный в пропускном канале корпуса, а пропускной канал имеет участок для размещения оптического кабеля в качестве чувствительного элемента, причем оптическое волокно прижато пластиной. Принцип работы датчика основан на изменении мощности оптического излучения, прошедшего через чувствительный элемент, при воздействии давления в плоскости изогнутого оптического волокна (см. патент РФ, №2420719, 2011 г.). Основной недостаток известного устройства: невысокая точность из-за использования прорезиненного материала и появления нелинейных искажений в оптическом волокне при его поперечном сжатии.
Техническая задача - разработка усовершенствованной конструкции датчика давления, позволяющей уменьшить погрешность измерений.
Технический результат - повышение точности измерения за счет усовершенствования конструкции.
Он достигается тем, что известное устройство, содержащее участки ввода и вывода излучения, между которыми находится участок, размещенный в пропускном канале корпуса, а пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля в качестве чувствительного элемента, причем оптическое волокно прижато пластиной, дополнительно содержит демпфирующий элемент, установленный на участке вывода излучения и соединенный с нижним торцом оболочки чувствительного элемента, корпус чувствительного элемента устройства выполнен в виде металлического цилиндра и шарнирно соединен с участком ввода излучения, у которого нижнее основание неподвижно соединено с оболочкой чувствительного элемента, а верхняя часть жестко фиксирована на участке ввода излучения, под цилиндром на сердцевине чувствительного элемента установлен фотоприемник на основе лавинного фотодиода и трансимпедансный усилитель сигнала, а пластина опирается на корпус чувствительного элемента.
Участок ввода излучения включает пластину в качестве силопередающего устройства, имеющей чащеобразное углубление на нижней стороне, соприкасающемся с цилиндрическим корпусом чувствительного элемента, источник света, установленный на входе чувствительного элемента и соединенный с источником питания (см. Клишин В.И. «Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения». - Новосибирск, Наука, 2002. - 200 с.).
Устройство вывода излучения включает устройство измерения на основе лавинного фотодиода, и трансимпедансный усилитель (см. Гауэр Дж. Оптические системы связи. Пер. с англ. под ред. А.И. Ларкина. - М.: Радио и связь, 1989. - 504 с).
Чувствительный элемент выполнен из одномодового оптического волокна с толстой и прочной оболочкой, на одном из концов которого жестко фиксировано нижнее основание цилиндрического корпуса.
Демпфирующий элемент, размещенный на выходе чувствительного элемента, выполнен в виде пружины (см. Клишин В.И. Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения. - Новосибирск, Наука, 2002. - 200 с).
На чертеже (вид в разрезе) изображено предлагаемое устройство. Устройство имеет участок ввода излучения, включающий пластину 1, которая шарнирно опирается на корпус 2 чувствительного элемента 3, имеющего оболочку 4 и сердцевину 5, а также источник света 6, световой сигнал от которого поступает на вход сердцевины 5 чувствительного элемента 3, и ограничительные устройства 7, контролирующие боковые смещения пластины 1, участок вывода излучения, включающий расположенный непосредственно под корпусом 2 на сердцевине 5 чувствительного элемента 3 фотоприемник 8 на основе лавинного фотодиода, куда попадает световой сигнал из сердцевины 5 чувствительного элемента 3, и трансимпедансный усилитель 9, вход которого соединен с фотоприемником 8, а выход - с выходом датчика 10, пропускной канал с чувствительным элементом 3, заключен в металлический корпус цилиндрической формы 2, верхний торец чувствительного элемента 3 жестко соединен с перегородочной планкой 11, нижнее основание корпус 2 чувствительного элемента 3 с помощью загибов 12 жестко соединен с оболочкой 4 чувствительного элемента 3, устройство дополнительно содержит демпфирующий элемент 13, который соединен с нижним торцом оболочки 4 чувствительного элемента 3 посредством промежуточной планки 14, и корпус датчика 15, в котором размещены все элементы устройства за исключением пластины 1.
Устройство работает следующим образом: пластина 1 под воздействием внешнего давления вызывает смещение корпуса 2 чувствительного элемента 3, который своими загибами 12, жестко соединенными с оболочкой 4 чувствительного элемента 3, вызывает ее растяжение, а вместе с ней и растяжение сердцевины 5 чувствительного элемента 3 благодаря жесткой фиксации входного торца чувствительного элемента 3 на перегородочной планке 11. В результате происходит изменение коэффициента преломления сердцевины 5 чувствительного элемента 3, на входной торец которого подается световой сигнал от источника света 6, и это изменение коэффициента преломления приводит к изменению мощности направляющих мод светового луча на выходе чувствительного элемента 3, что фиксируется фотоприемником 8 и усиливается трансимпедансным усилителем 9. Нижний торец чувствительного элемента 3 упирается в демпфирующий элемент 13, который жестко фиксирован на корпусе датчика 15 и предназначен для защиты чувствительного элемента 3 от больших динамических всплесков внешней силы, а также создания наиболее благоприятного диапазона изменения нагрузки на чувствительный элемент 3. Для предотвращения боковых смещений пластины 1 ее положение в корпусе 15 контролируется с помощью ограничительных устройств 7.
Повышение точности измерения по сравнению с прототипом достигается благодаря использованию пластины в качестве силопередающего устройства вместо прорезиненного материала, позволяющей с минимальными искажениями перенести внешнее давление на оболочку чувствительного элемента, использованию цилиндрического корпуса чувствительного элемента, выполненного из металла, обеспечивающего поперечное растяжение сердцевины чувствительного элемента в отличие о ее поперечного сжатия как в прототипе, при котором появляются нелинейные искажении, введению демпфирующего элемента, позволяющего обеспечить наиболее благоприятный диапазон воздействия на сердцевину чувствительного элемента в зависимости от назначения устройства, а также лавинных фотодиодов, обеспечивающих высокую точность измерения светового сигнала на выходном конце чувствительного элемента.
Положительный эффект заключается в том, что предлагаемый датчик за счет непосредственной передачи внешней нагрузки на чувствительный элемент, позволяет уменьшить погрешности передачи внешнего давления, а лавинные фотодиоды нового поколения, обладая очень высокой чувствительностью, позволяют фиксировать самые малые изменения мощности сигнала н выходном конце чувствительного элемента, что позволяет повысить чувствительность и точность показаний датчика.