Комбинированный волоконно-оптический датчик
COMBINED FIBER OPTIC SENSOR

Изобретение относится к области измерения гидростатического и быстро меняющегося давления с помощью оптических средств. Промышленно применимо при аэродинамических исследованиях в летательных и малогабаритных космических аппаратах, в робототехнике, при дистанционном мониторинге давления (скважины, емкости, баллоны), в медико-биологических исследованиях, в гидроакустике, системах охраны.
Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является  волоконно-оптический датчик давления по патенту РФ №2152601, содержащий интерферометр Фабри-Перо (далее - ИФП), одна из отражающих поверхностей которого образована торцом одномодового волоконного световода, который установлен по оси первого капилляра  и закреплен в нем. Датчик содержит дополнительно второй капилляр и упругую диафрагму, закрепленную на одном торце второго капилляра и образующую вторую поверхность ИФП. Первый капилляр установлен и закреплен по оси второго капилляра  со стороны его второго торца. По другому варианту отражающие поверхности ИФП образованы торцами волоконных световодов. Один из световодов выполнен одномодовым. Концы световодов установлены по оси первого капилляра. Отрезок второго световода закреплен на эластичной мембране, установленной со стороны одного торца второго капилляра.
Недостатком такого датчика является то, что в обоих случаях капилляр, создающий опору для мембраны или диафрагмы, при температурных эффектах будет менять свою длину, влияя тем самым на зазор ИФП, искажая показания датчика.
Решаемая техническая проблема - создание волоконно-оптического комбинированного датчика (далее - комбинированный датчик), содержащего чувствительные элементы (далее - ЧЭ) для измерения давления и температуры с одной общей отражающей поверхностью.
Достигаемый технический результат - повышение точности измерения температуры и давления за счет обеспечения возможности компенсации помехи путем реализации в механический части датчика чувствительного элемента давления и ЧЭ температуры  в рамках одной конструкции с высоким соотношением чувствительности к целевому сигналу относительно чувствительности к  помехе.
С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача изготовления комбинированного датчика, содержащего ЧЭ для измерения давления и температуры, c возможностью последующей реализации алгоритма подавления помехи и повышения качества целевого сигнала.
Поставленная задача решается тем, что внутри единой конструкции расположены ЧЭ давления и ЧЭ температуры, каждый из которых реализован с помощью ИФП. При этом вторая отражающая поверхность первого ИФП является первой отражающей поверхностью второго ИФП. ЧЭ располагаются в едином корпусе, сигналы мультиплексируются на одном подводящем световоде.
На фиг. 1 представлена функциональная схема комбинированного датчика, содержащего ЧЭ температуры и давления на основе ИФП.
На фиг.2 - вариант конструкции комбинированного датчика температуры и давления с общей отражающей поверхность на основе кремния.
На фиг. 3 - конструкции комбинированного датчика температуры и давления с общей отражающей поверхность на основе капилляра
Обозначения на фиг.1, 2, 3:
1 – подводящий световод,
2 – твердотельный столбик,
3 – первая отражающая поверхность ИФП ЧЭ температуры, находящаяся между подводящим световодом 1 и твердотельным столбиком 2,
4 – воздушная полость,
5 – вторая отражающая поверхность ИФП ЧЭ температуры и первая отражающая поверхность ИФП ЧЭ давления, находящаяся между твердотельным столбиком 2 и воздушной (вакуумной) полостью 4,
6 – упругая мембрана,
7 – вторая отражающая поверхность ИФП ЧЭ давления - поверхность упругой мембраны 6, закрывающая воздушную (вакуумную) полость 4,
8 – твердотельный оптически прозрачный цилиндрический столбик кремниевой конструкции,
9 – подводящий световод для варианта конструкции комбинированного датчика температуры и давления с общей отражающей поверхностью на основе кремния,
10 – углубление кремниевого столбика 8, формирующее зазор ИФП ЧЭ давления,
11 - упругая мембрана (вторая отражающая поверхность ИФП ЧЭ давления) кремниевой конструкции,
12 – первая отражающая поверхность ИФП ЧЭ температуры кремниевой конструкции,
13 – вторая отражающая поверхность ИФП ЧЭ температуры и первая отражающая поверхность ИФП ЧЭ давления кремниевой конструкции,
14 - вторая отражающая поверхность ИФП ЧЭ давления (поверхности мембраны со стороны углубления) кремниевой конструкции,
15 - оптически прозрачный столбик капиллярной конструкции,
16  – подводящий световод конструкции комбинированного датчика температуры и давления с общей отражающей поверхностью на основе капилляра,
17 – капилляр,
18 - упругая мембрана (вторая отражающая поверхность ИФП ЧЭ давления) капиллярной конструкции,
19 – первая отражающая поверхность ИФП ЧЭ температуры капиллярной конструкции,
20 – вторая отражающая поверхность ИФП ЧЭ температуры и первая отражающая поверхность ИФП ЧЭ давления капиллярной конструкции,
21 - вторая отражающая поверхность ИФП ЧЭ давления (поверхности упругой мембраны 18 со стороны полости) капиллярной конструкции.
Опишем функционирование предлагаемого изобретения:
Для комбинированного датчика, в соответствии с фиг.1, свет от когерентного источника распространяется по подводящему световоду 1 отражается от первой отражающей поверхности 3 торца твердотельного столбика, являющейся первой отражающей поверхностью ИФП ЧЭ температуры. Второй отражающей поверхностью ИФП ЧЭ температуры и одновременно первой отражающей поверхностью   ИФП ЧЭ давления (ЧЭ давления) будет являться поверхность раздела сред между твердотельным столбиком и воздушной (вакуумной) полостью 5. Второй отражающей поверхностью  ИПФ ЧЭ давления будет являться поверхность мембраны, закрывающая воздушную (вакуумную) полость 7.
1
1
2
2
При этом спектральная передаточная функция (далее - СПФ) комбинированного датчика представляет собой сумму квазигармонических колебаний с различными частотами, кратными оптическому пути первого Ln и второго LnИФП, а также равными их линейным комбинациям, где
1
2
n и n – показатели преломления сред ИФП ЧЭ давления и температуры;
1
L – длина ИФП ЧЭ температуры;
2
L- длина ИФП ЧЭ давления;
Соответственно, частотный и амплитудный состав СФП комбинированного датчика зависит от его габаритных размеров. Наличие перекрёстных гармоник сигнала, с одной стороны, является негативным фактором; с другой стороны, это гипотетически позволяет получить больше информации о сигнале и улучшить результат демодуляции.
1
1
2
2
2
2
2
2
2
Среди перекрёстных компонент СПФ наибольшую амплитуду имеет колебание на частоте Ln+Ln, причём амплитуда данной гармоники превосходит амплитуду колебаний на сигнальной частоте Ln. Т.е. амплитуда перекрёстного колебания больше амплитуды полезной составляющей, поэтому есть смысл использовать данную компоненту для поиска длины L вместо компоненты Ln или совместно с ней.
Корректная работа комбинированного датчика возможна при выполнении следующих условий
Условие означает, что полезные гармоники СПФ не должны совпадать по частоте друг с другом и перекрёстными компонентами. Величина несоответствия должна быть такой, чтобы гармоники в спектре зарегистрированной СПФ можно было разделить.
tt
pp
Чувствительность  к температуре ЧЭ температуры γ и чувствительность к давлению ЧЭ давления γ  комбинированного датчика должны быть выше на несколько порядков относительно чувствительности к помехе:
pt
где γ– чувствительность к температуре ЧЭ давления,
tp
γ– чувствительность к давлению ЧЭ температуры,
pp
γ– чувствительность к давлению ЧЭ давления,
tt
γ– чувствительность к температуре ЧЭ температуры.
Чувствительность к температуре и давлению определяется изменением величины зазоров соответствующих ИФП, располагающихся между отражающими поверхностями 3, 5 и 5, 7 соответственно.
Величина изменения зазора ИФП ЧЭ температуры при воздействии температуры [Магунов, А.Н. Лазерная термометрия твердых тел // М.: Физматлит. 2001. 224 c.]:
о
где   - коэффициент температурного расширения среды ИФП ЧЭ температуры (1/С),
о
- температурный коэффициент преломления среды ИФП ЧЭ температуры (1/С),
- исходная величина зазора ИФП ЧЭ температуры (м),
∆Т – изменение температуры, °С;
В комбинированном датчике (фиг.1) вторая отражающая поверхность  температурного ИФП является одновременно первой отражающей поверхностью температурного ИФП. Соответственно, величина изменения зазора ИФП ЧЭ температуры при воздействии давления только на боковые поверхности ЧЭ температуры  [Дарков А.В.,  Шпиро Г.С. Сопротивление материалов // М.: Высшая школа, 1975, издание 4-е, переработанное, стр. 657]:
где – исходная величина зазора ИФП ЧЭ температуры (м),
– коэффициент Пуассона для материала среды заполнения зазора ИФП ЧЭ температуры,
– Модуль Юнга для материала среды заполнения зазора ИФП ЧЭ температуры, Па,
ΔP – изменение давления, Па
Отношение температурной чувствительности  к чувствительности по давлению для ЧЭ температуры комбинированного датчика определяется соотношением:
При воздействии изменения температуры боковая часть датчика, в частности, расположенная между отражающими поверхностями ИФП ЧЭ давления, и формирующая воздушную полость (зазор ИФП ЧЭ давления),  будет изменять свой продольный размер.
Величина изменения зазора ИФП ЧЭ давления при воздействии температуры:
o
- коэффициент температурного расширения материала стенок, окружающих зазор ИФП ЧЭ давления (1/С);
- исходная величина зазора ИФП ЧЭ давления (м).
При воздействии внешнего давления на ЧЭ давления  зазор  соответствующего ИФП от отражающей поверхности полости до поверхности упругой мембраны со стороны полости  будет изменяться за счет деформации изгиба мембраны:
где a – радиус мембраны (м),
P –  величина внешнего давления (Па),
D – цилиндрическая жесткость мембраны:
где h  - толщина мембраны (м),
– модуль упругости материала мембраны (Па),
- коэффициент Пуассона материала мембраны
Отношение чувствительности к давлению к  температурной чувствительности  для ЧЭ давления комбинированного датчика определяется соотношением:
Основными материалами, используемыми при разработке датчиков на основе ИФП, являются кремний и кварц, которые имеют схожие параметры (хорошая отражающая способность поверхностей, оптическая прозрачность и стойкость к температурному воздействию).
7
В соответствии с выражением (5) для кремниевого ЧЭ температуры соотношение уровня целевого сигнала к помехе составит порядка 10, что удовлетворяет условию (2) [В.В. Прокопович, А.С.Смирнов, В.Н. Тимофеев/ О реализации алгоритма компенсации структурной составляющей помехи в гидрофонах приемной гидроакустической антенны // Материалы 15 конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", cтр.262].
5
В соответствии с выражением (9) для кремниевого ЧЭ давления с кремниевой мембраной диметром 300 мкм, толщиной 5 мкм, и величиной зазора ИФП 100 мкм соотношение уровня целевого сигнала к помехе составит порядка 10, что также удовлетворяет условию (2).
Таким образом, предлагаемая конструкция миниатюрного комбинированного датчика с ЧЭ температуры и давления позволяет проводить измерения температуры и давления одновременно, а также с высокой помехоустойчивостью, что позволяет повысить  точность проводимых измерений.
Примеры реализации изобретения продемонстрированы на фиг. 2 и 3.
Комбинированный датчик на фиг. 2 представляет собой цилиндрический твердотельный оптически прозрачный столбик 8, один из торцов которого соединен соосно с подводящим световодом 9 таким образом, что составляет единый оптический путь. На втором торце столбика выполнено углубление 10, формирующее зазор ИФП датчика давления. Углубление  закрыто тонкой упругой  мембраной 11.
Отражающими поверхностями ИФП ЧЭ температуры служат торцевая поверхность 12 столбика 8, соединенная с подводящим световодом 9 и параллельная ей отражающая поверхность 13.
Отражающими поверхностями ИФП ЧЭ давления служат вторая отражающая поверхность углубления 13, используемая в ИФП ЧЭ температуры  и параллельная ей  поверхность 14 мембраны   со стороны углубления 10.
Сигналы с обоих ЧЭ мультиплексируются на одном подводящем световоде.
Оба ЧЭ расположены в едином герметизированном корпусе датчика.
В частности, в качестве ЧЭ температуры может использоваться отрезок на конце подводящего световода,  где отражающей поверхностью 9 ИФП ЧЭ температуры будет брэгговсксая решетка. Столбик 5 может быть выполнен из различных материалов, например, из кремния или из легированного оптоволокна.
Полость может быть выполнена различным способом, в том числе травлением.
Комбинированный датчик на фиг. 3 представляет твердотельный оптически прозрачный столбик 15 капиллярной конструкции, один из торцов которого соединен с подводящим световодом 16 таким образом, что составляет единый оптический путь. Часть подводящего световода с твердотельным столбиком соосно размещена и жестко зафиксирована в капилляре 17. С обратной стороны капилляра торец закрыт тонкой упругой мембраной 18.
Отражающими поверхностями ИФП ЧЭ температуры служат торцевые отражающие поверхности 19 и 20 твердотельного столбика.
Отражающими поверхностями ИФП ЧЭ давления служат поверхность 20 твердотельного столбика ИФП ЧЭ температуры и параллельная ей поверхность мембраны 21 со стороны полости в капилляре.
Сигналы с обоих ЧЭ мультиплексируются на одном подводящем световоде.
При использовании в качестве ЧЭ температуры отрезка на конце подводящего световода отражающей поверхностью 19 температурного ИФП может являться брэгговская решетка.
Рассматриваемые конструкции комбинированных волоконно-оптических датчиков разработаны в формате экспериментальных образцов.