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. 1995.07.09), 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 (заявка на изобретение №2003118756, 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, - каркас, волоконно-оптический световод, расположенный коллинеарно оси каркаса и приемник излучения.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является его 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 известном волоконно-оптическом датчике давления, содержащем каркас, волоконно-оптический световод, расположенный коллинеарно оси каркаса и приемник излучения, согласно изобретению каркас представляет собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью, слоя с n-проводимостью и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя, на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью и/или внешнюю сторону слоя с n-проводимостью каркаса нанесены пьезоэлектрические слои с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в каркасе под действием давления, на внешние стороны пьезоэлектрических слоев, или пьезоэлектрического слоя и слоя с p-проводимостью, или пьезоэлектрического слоя и слоя с n-проводимостью нанесены непрерывные вдоль оси датчика управляющие электроды, при этом волоконно-оптический световод расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя с возможностью передачи выходящего из указанного слоя светового потока приемнику излучения.
В предпочтительном варианте пьезоэлектрический слой имеет направление поляризации, ортогональное плоскостям слоев.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - каркас представляет собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью, слоя с n-проводимостью и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя; на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью и/или внешнюю сторону слоя с n-проводимостью каркаса нанесены пьезоэлектрические слои с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в каркасе под действием давления; на внешние стороны пьезоэлектрических слоев, или пьезоэлектрического слоя и слоя с p-проводимостью, или пьезоэлектрического слоя и слоя с n-проводимостью нанесены непрерывные вдоль оси датчика управляющие электроды; волоконно-оптический световод расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя с возможностью передачи выходящего из указанного слоя светового потока приемнику излучения;
пьезоэлектрический слой имеет направление поляризации, ортогональное плоскостям слоев.
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. 1-7.
•
На фиг. 1 изображено поперечное сечение волоконно-оптического датчика давления σ с двумя пьезоэлектрическими слоями.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение волоконно-оптического датчика давления, в котором для упрощения конструкции один пьезоэлектрический слой и световод размещен на периферии светоизлучающего p-n переходного слоя.
На фиг. 3 изображена заданная функция  и производная  интенсивности свечения светодиода от значений приложенного напряжения
•
На фиг. 4 изображен график диагностируемой функции σ(z) распределения давления по длине датчика.
1
1
На фиг. 5 изображен измеряемый импульс интенсивности свечения света I(t)=ΔI(t) на выходе из оптоволокна на 1-м шаге сканирования.
10
20
На фиг. 6 изображены измеряемые I(t), I (t) интенсивности свечения света на выходе из оптоволокна на 10-м и 20-м шагах сканирования.
10
20
На фиг. 7 изображены рассчитанные результирующие импульсы ΔI(t), ΔI(t) интенсивности свечения света на выходе из оптоволокна на 10-м и 20-м шагах сканирования.
•
Волоконно-оптический датчик давления (фиг. 1) содержит волоконно-оптический световод 1, каркас, представляющий собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью 2, слоя с n-проводимостью 3 и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя 4, один (фиг. 2) или два пьезоэлектрических слоя 5 с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в светодиоде, под действием давления σ, непрерывные по длине датчика управляющие электроды 6, 7.
Пьезоэлектрические слои 5 нанесены на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью 2 и/или внешнюю сторону слоя с n-проводимостью 3 каркаса. В предпочтительном варианте пьезоэлектрический слой 5 имеет направление поляризации, ортогональное плоскостям слоев.
Непрерывные по длине датчика управляющие электроды 6, 7 нанесены на внешние стороны или пьезоэлектрических слоев 5 (если их два) или пьезоэлектрического слоя 5 (если он один и контактирует со слоем с p-проводимостью 2) и слоя с n-проводимостью 3 (фиг. 2), или пьезоэлектрического слоя 5 (если он контактирует со слоем с n-проводимостью 3) и слоя с p-проводимостью 2.
Световод 1 расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя 4 с возможностью передачи выходящего из слоя 4 светового потока приемнику излучения (на чертеже не показан). В качестве приемника светового потока может быть использован фотодиод.
Датчик может быть выполнен составным, включающем от двух до шести датчиков заявляемой конструкции с различными пространственными поляризациями пьезоэлектрических слоев для различных датчиков. Указанные датчики для фиксации взаимного расположения скреплены между собой защитной полимерной цилиндрической оболочкой (на чертеже не показана). Выполнение датчика составным позволяет учесть анизотропию давления.
Устройство работает следующим образом.
•
упр
Действие давления σ (фиг. 1, 2) на датчик приводит к деформациям (сжатию) пьезоэлектрических слоев 5 и появлению в них электрического поля, которое действует на светодиод и вызывает (при достижении электрического напряжения на светодиоде некоторого порогового значения) его свечение. Варьированием значением управляющего напряжение U на электродах 6, 7 можно изменять электрическое напряжение и светоотдачу светодиода.
•
упр
•
В результате, величина интенсивности света I, исходящего из светодиода и проникающего в световод 1, зависит от величины давления σ и управляющего напряжение U. По световоду 1 световой поток приходит в приемник излучения, в котором по анализу интенсивности света I делается вывод о величине давления σ и его локации по длине датчика.
а
а
a
а
а
а
2
1
•
1
упр
2
•
•
упр
2
1
Информативные  и управляющие  коэффициенты датчика позволяют выразить электрическое напряжение на светодиоде U=U+σ через действующее на датчик искомое давление σ и заданное значение управляющего напряжения U на электродах датчика. Коэффициенты ,  находятся экспериментально или в результате численного 3D моделирования решения связанной краевой задачи электроупругости для представительного фрагмента датчика, в частности, в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS.
упр
Управляющее напряжение U на электродах датчика может быть, в частности, варьируемой однородной по длине датчика величиной, или в виде бегущей волны электронапряжения с варьируемой амплитудой, или 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 импульсом всей длины датчика.
•
•
1•
1•
1
1
1
min
max
Подтверждение заявленных технических результатов: увеличение рабочей поверхности волоконного датчика давления, определение функций распределения ƒ(ζ) для неоднородного по всей длине l волоконного датчика давления σ и ƒ(ζ) для локации зон повышенного давления σ на локальном участке I⊃l получено в результате проведенных численных экспериментов на основе разработанных алгоритмов и математической модели локации неоднородностей давления по длине оптоволоконного датчика с использованием локационного сканирующего электрического видеоимпульса с пошаговым изменением величины импульса U на каждом цикле прохождения исследуемого локального участка l. Свойства светодиода 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 светодиода (фиг. 3).
•
•
Разработаны два алгоритма сканирования неоднородностей давления σ по длине волоконно-оптического датчика давления. Первый алгоритм сканирования позволяет найти функции распределения действующего давления σ по выбранному локальному участку и/или по всей длине датчика по результатам замеряемой на торцевом сечении датчика интенсивности света из оптоволокна с учетом нелинейной зависимости  интенсивности света  от действующего на светодиод напряжения ; задача сведена к решению интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с разностным ядром, зависящим от рассчитываемых параметров датчика и от производной  заданной функции свечения светодиода (фиг. 3). Для частного случая, когда зависимость  - ступенчатая функция получено аналитическое решение для функции плотности вероятностей давления на произвольном локальном участке датчика; здесь ядро выражается через
дельта-функцию и интегральное уравнение Фредгольма сводится к алгебраическому.
•
упр
а
(0)
а
(i)
a
а
i
(i)
•(i)
i
a
(i)
•(i)
(i)
i
i
i'(i)
•(i')
(i')
•
i
i'(i)
i
Второй алгоритм сканирования позволяет непосредственно определить функцию неоднородного давления σ(z) по длине z датчика бегущей волной U(z, t) управляющего напряжения: сначала экспериментально определяют пороговое значение амплитуды U волны управляющего напряжения начала свечения на выходе из оптоволокна датчика и, далее, рассматривают последовательность шагов U по увеличению амплитуды на малую величину ΔU,  Малое приращение ΔU амплитуды волны при переходе от (i-1)-го к последующему i-му шагу сканирования инициирует появление «функции импульсов свечения» ΔI(t) - свечение (дополнительно к уже светящимся участкам по длине датчика) новых участков светодиода датчика на участках z действия узловых значений давления σ. По виду функции импульсов свечения» ΔI(t) и значению амплитуды U на i-м шаге сканирования рассчитываются искомые узловые значения давления σ и локации соответствующих участков z. Таким образом, результирующие функции импульсов свечения ΔI(t) носят экспериментально-расчетный характер, так как на каждом i-м шаге функции «полного свечения» I(t) определяется экспериментально, а вычеты I(t) рассчитываются по найденным на предыдущих шагах i' сканирования значениям давления σ и их локаций z. Получены результаты (фиг. 4) численного моделирования процесса нахождения давления σ(z) бегущей волной для различных шагов сканирования (фиг. 5, 6, 7). На фиг. 5, 6, 7 изображены графики результатов численного моделирования «измеряемых» I(t), рассчитанных вычетов I(t) и результирующих импульсов ΔI(t) интенсивностей свечения на выходе из оптоволокна на различных шагах сканирования.
Численные экспериментальные испытания показали, что по сравнению с известным устройством, достигается увеличение рабочей поверхности волокна, появляется возможность определения датчиком функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления, нахождения локаций зон повышенного давления. Анизотропия давления диагностируется с использованием составного датчика, включающим в себя от двух до шести датчиков заявляемой конструкции (фиг. 1, фиг. 2) с различными пространственными поляризациями пьезоэлектрических слоев для различных датчиков и скрепленных между собой защитной полимерной цилиндрической оболочкой, на которую с внешней стороны действует измеряемое давление. Благодаря этому повышается эффективность работы волоконно-оптического датчика давления для протяженных участков контроля.