Модернизация волоконно-оптического датчика давления на основе туннельного эффекта

Бростилов С.А. , Мурашкина Т.И. , Пивкин А.Г., Граевский О.С. МОДЕРНИЗАЦИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА

Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологии и ростом инвестиций в неё. И это вполне понятно, нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение, качество жизни населения. Поэтому перед разработчиками средств измерений встает задача создания нового класса измерительных устройств, где ведутся работы с веществом на уровне отдельных атомов. Необходимо разрабатывать средства измерений, использующие материалы, полученные методами нанотехнологий, а также использовать физические эффекты в нанометровом диапазоне. К такому эффекту относится так называемый эффект туннелирования, который в оптике называют «туннельный эффект». Суть его заключается в проникновении оптического излучения в материал на глубину, равную длине волны излучения. Изменение состояния материала в пределах данной длины ведет к изменению параметров оптического излучения. Авторы данной статьи предлагают данный эффект использовать при разработке волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД), при чем без координального изменения базовых конструктивов, то есть максимально используя ранее разработанные конструкции датчиков давления, в частности ВОДД отражательного типа [1, 2].

Известные ВОДД отражательного типа, содержащие оптические волокна, 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, имеют один существенный недостаток: высокую температурную погрешность, обусловленную

изменением геометрических размеров датчиков.

В разработанном ранее ВОДД на основе оптического туннельного эффекта данный недостаток устранен (рисунок 1а) [3]. Датчик содержит подводящий (ПОВ) и отводящий оптические волокна (ООВ), мембрану,

на которую нанесена кольцевая прокладка толщиной, приблизительно равной длине волны источника излучения (для инфракрасного излучения приблизительно 1 мкм), мембрану, воспринимающую измеряемое давление и перемещающуюся под действием давления относительно скошенных торцов ПОВ и ООВ.

конструкция - прототип

Рисунок 1 - ВОДД на основе туннельного эффекта: а - базовая конструкция, б - модернизированная

конструкция

Особо привлекательной в этом датчике является возможность использования в качестве мембраны кварцевой пластины малых габаритов (радиус мембраны при измерении давления в диапазоне 0...300 кгс/см2 составит приблизительно 4...5 мм). Такое конструктивное решение позволяет снизить погрешность, обусловленную изменением конструктивных параметров датчика при изменении температуры окружающей среды. Использование кварцевого стекла позволяет свести данную составляющую погрешности до минимума. Так, например, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кварцевого стекла марки С5-1 составляет 5-10-7 1/оС, и при изменении температуры в диапазоне от минус 100 до +500оС относительное расширение материала составит приблизительно 0,0 025 %, изменение модуля Юнга приведет к дополнительной погрешности, не превышающей в данном диапазоне температур 1 %.

Однако у ранее разработанного датчика большие габаритные размеры, сложный процесс сборки и отсутствие возможности контролировать требуемый зазор между мембраной и скошенными торцами волокон.

Авторами предлагается модернизировать конструкцию и упростить процесс сборки измерительного преобразователя (ИП) ВОДД на основе туннельного эффекта (рисунок 1б).

Основные этапы процесса сборки ИП данного датчика (рисунки 2, 3) .

1 Рабочие торцы оптических волокон 1 временно неподвижно закрепляются в металлической втулке 2.

2 Затем на расстоянии 1 от поверхности втулки 2 таким же образом крепятся на каждое волокно в отдельности наконечники 3, после чего совместно с волокнами они срезаются под углом © и полируются по сечению А-А, после этого наконечники и втулка удаляются (рисунок 2,а).

3 Концы двух оптических волокон 1 (подводящего и отводящего световые потоки), у которых рабочие торцы срезаны под углом ©, вклеиваются в металлическую втулку 4 из стали 29НК на расстоянии Ь относительно друг друга таким образом, чтобы свободные концы волокон выступали над поверхностью пластины на высоту 1, определяемую из выражения:

I = 1 я + £ов .

2 tg©

4 Оптические волокна 1 укладываются на "подушку" 5 под радиусом:

К > 5...10 с^ов.

"Подушка" 5 представляет собой деталь треугольной формы с углом при вершине равным 2©, с углублением, повторяющим форму оптического волокна, соответственно глубина и ширина углубления соответствуют внешним размерам оптического волокна. Длина основания треугольника в сечении А-А равна Ь-^эв. Для исключения поломов оптических волокон угол при вершине закруглен, причем расчетный радиус скругления поверхности углубления, на которую укладывается оптическое волокно, определяется выражением:

я = 2\ I-

^ОВ

tg©

а)

/ ЧД

П

А- А - плоскость срез а и полировки оптическое о волокна

Рисунок 2 - Процесс изготовления ВОДД на основе туннельного эффекта: а - формирование скошенных

торцов ОВ; б - крепление ОВ в металлической втулке

Для обеспечения точной сборки, целесообразно, чтобы допуск на размер К был положительным. Это позволит в случае необходимости довести его до требуемого значения (рисунок 3,а).

5 Чтобы оптические волокна лежали на "подушке" 5, они к ней сверху прижимаются металлической крышкой 6, которая с помощью сварки скрепляется со втулкой 4. Крышка 6 по центру имеет сквозное отверстие, шириной, равной диаметру оптического волокна, и длиной:

а = 2Жд©,

где Н^ов. Свободное пространство под крышкой заполняется клеящим составом, например ситаллоцемен-том (рисунок 3, б).

6 Часть оптических волокон, которая оказалась выше крышки на величину Н, срезается вдоль поверхности Б-Б и полируется (рисунок 3,б).

7 Внутренний диаметр отверстия ^ должен быть меньше внешнего диаметра мембраны (рисунок 3,в).

г

А I

Б в)

Б- Б - плоскость среза и полировки

Рисунок 3 - Процесс изготовления измерительного преобразователя ВОДД на основе туннельного эффек-

Для задания зазора между мембраной и скошенными торцами ОВ предложено в конструкцию ввести мембранный блок, представляющий собой конструктивный элемент в виде крышки 1, соединенные между собой с помощью ситаллоцемента (рисунок 4).

1 - крышка, 2 - мембрана

Рисунок 4 - Мембранный блок

В этом случае требуемый зазор между мембраной и скошенными торцами ОВ обеспечивается путем до-

водки поверхности крышки до требуемого размера.

Чтобы модуляция оптического сигнала в зоне измерения осуществлялась за счет туннельного эффекта

необходимо, чтобы размер зазора был приблизительно равен длине волны излучения (например, для инфра-

красного излучения Л«1 мкм).

8 Полученные сборки соединяются между собой с помощью импульсной сварки таким образом, чтобы совпали их оси симметрии.

Датчик работает следующим образом.

От источника излучения световой поток по подводящим оптическим волокнам направляется в сторону мембраны под углом ©, значение которого задается формой и размерами "подушки", и выбирается из условия обеспечения максимальной чувствительности преобразования и глубины модуляции оптического сигнала [2].

Под действием контролируемого давления мембрана прогибается, и в центральной части зазор между мембраной и скошенными торцами оптических волокон будет меньше первоначального значения Хо. В результате этого изменяется отражательная способность для электромагнитных волн в области скошенными торцов оптических волокон, соответственно изменяется интенсивность отраженного под углом © от данной области светового потока, несущего информацию об измеряемом давлении Р и поступающего по отводящим оптическим волокнам на приемник излучения.

На рисунке 5 приведена конструкция модернизированного ВОДД на основе туннельного эффекта. При этом все достоинства ранее разработанного датчика сохранены.

а)

а

1 - блок волоконно-оптический, 2 - блок мембранный, 3 - ВОК, 4 - корпус, 5 втулка

Рисунок 5 - Модернизированная конструкция ВОДД

Заключение.

1 Модернизированная конструкция ВОДД по своим габаритным размерам приблизительно в 2 раза меньше конструкции датчика-прототипа.

2 Упростился процесс сборки данного датчика за счет использования унифицированной конструкции блока мембранного, а необходимое для туннелирования оптического сигнала расстояние в 1 мкм между мембраной и оптическими волокнами обеспечивается за счет доведения до требуемого размера поверхности вновь введенного в конструкцию элемента.

Предлагаемый датчик может быть использован для измерения больших давлений в условиях изменения температуры окружающей среды в диапазоне ± 100 оС на изделиях ракетно-космической техники, не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

Литература

1. Пат. 2253850 РФ, МПК6 001 Ь 11/02, 19/04. Волоконно-оптический датчик давления/ Е.А.Бадеева,

А.В. Гориш, Т.И. Мурашкина, А.Г. Пивкин; опубл. 10.06.2005. Бюл. № 16.

2. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Крупкина Т.Ю., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Волоконно-оптический датчик давления на туннельном эффекте// Датчики и системы. - 2005 - №8. с.10-12.