ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения вариаций давления газов, в частности атмосферного давления, и может быть использовано в геофизике.
Известно, что любой измеритель давления состоит из первичного преобразователя (ПП), воспринимающего начальное (входное) перемещение и устройства, преобразующего входное перемещение в выходной сигнал, как правило, электрический. Иногда упомянутое выше устройство не выделяется в самостоятельную часть и первичным преобразователем называют совокупность двух устройств: устройства, воспринимающего начальное смещение, и устройства, преобразующего начальное механическое смещение в электрический сигнал, т.е. любой ПП преобразует первичное механическое перемещение (линейное или угловое) в изменение электрического сигнала (Домрачев В.Г., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Системотехника цифровых преобразователей перемещений. Энергоиздат. 1987)
Для измерения давления в низкочастотной области известно применение в качестве чувствительного элемента отрезка оптического волокна (п. США №5386729, 1995), но подобные приборы обладают значительной зависимостью от температуры и нелинейной измерительной характеристикой, что усложняет конструкцию из-за необходимости устройства термокомпенсации измерений.
Известен оптический датчик давления (п. США №5319978, G 01 L 11/00), состоящий из корпуса, на котором крепятся входной и выходной световод; внутри корпуса установлена диафрагма, реагирующая на приложенное усилие, неподвижный отражатель и подвижный отражатель, который соединен с диафрагмой и движется с ней. Количество отраженного света зависит от прогиба диафрагмы. Таким образом, давление преобразуется в линейное перемещение подвижного отражателя (зеркала), что приводит к изменению положения светового пучка относительно площадки фотоприемника и, соответственно, ведет к изменению интенсивности выходного сигнала. Однако зависимость показаний датчика от температуры значительно снижает точность измеренного давления и требует наличия дополнительного устройства термостабилизации.
Известен оптический измеритель давления (п. РФ №2113697, опубл. 20.06.1998), содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, включающий шток, связанный с тремя мембранными узлами и оптическое устройство,
соединенное с волоконно-оптическим кабелем. Оптическое устройство выполнено в виде интерферометра Майкельсона, светоделитель которого представляет собой составной кубик, а подвижный и неподвижный отражатели - триппель призмы, причем подвижный отражатель жестко связан со штоком, а шток снабжен пружинами, закрепленными между мембранными узлами и торцевыми стенками корпуса. Однако известная конструкция обладает значительной инерционностью, которая обусловлена наличием массы штока, несущего подвижное зеркало и поддерживающих шток пружин, что приводит к ограничению интервала измерений давлений и точности измерений, а кроме того известный датчик требует сложной системы интерпретации информационного сигнала из-за необходимости анализа интерферограммы.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является оптико-механический измеритель давления (п. РФ №2159925, опубл. 27.11.2000), содержащий герметичный корпус, в котором размещена оптическая часть системы, выполненной по схеме Майкельсона. Оптическая часть прибора состоит из источника монохроматического излучения, коллиматора и интерферометра, содержащего светоделитель, световод, линзу, фотодетектор, подвижный отражатель, являющийся одновременно чувствительным элементом датчика, неподвижный отражатель в виде двух плоскопараллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу, и связанных с системой регистрации, которая выполнена с возможностью изменения длины оптического пути, проходимого опорным лучом, за счет цепи обратной связи. Подвижный отражатель оптической системы выполнен в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, которая одновременно является одним из торцов корпуса.
Однако известная конструкция не обеспечивает требуемой точности измерений низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления, поскольку не учитывает большую температурную погрешность, возникающую из-за того, что внутренняя полость конструкции содержит внутри себя воздух при давлении, существовавшем в момент ее сборки.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение ассортимента оптических измерителей давления, обладающих высокой точностью измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления.
Поставленная задача решается тем, что в оптическом измерителе давления, содержащем оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона, включающего подвижный отражатель, являющийся одновременно чувствительным элементом, неподвижный отражатель, в виде двух плоскопараллельных зеркал,
установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу и связанных с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, в качестве чувствительного элемента используют анероидную коробку, незакрепленный конец которой снабжен светоотражающим покрытием.
Заявляемое устройство позволяет регистрировать давления, начиная со значений 20-50 кПа и выше, и измерять вариации давления с точностью порядка 0.5 мПа в достаточно широком диапазоне, намного превосходящем перепады давления, имеющие место, например, в природе за счет естественных причин.
Заявляемое устройство состоит из оптической системы, включающей источник монохроматического излучения (1), коллиматор (2), и интерферометр, выполненный по схеме Майкельсона, который содержит светоделитель (3), чувствительный элемент (4), светоотражающее покрытие (5), фотодетектор (6), фокусирующую линзу (7), неподвижный отражатель (8) температурный зонд (9), соединенный с системой регистрации (10).
Вся оптическая часть заявляемого устройства жестко закрепляется на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением.
В качестве источника монохроматического излучения используют, например, частотно-стабилизированный ОКГ типа ЛГН 303 или другие частотно-стабилизированные лазеры, например, «Драгун», «Стандарт У», «Стандарт 5».
В качестве чувствительного элемента используется анероидная коробка, например, типа БАММ-1, или М-67, или М-98, или, с целью повышения чувствительности, блок анероидных коробок, представляющих собой не менее 4-х последовательно соединенных между собой одинаковых анероидных коробок.
В качестве подвижного отражателя используется светоотражающее покрытие, например, зеркало, установленное на незакрепленный конец анероидной коробки.
Неподвижный отражатель опорного луча выполнен в виде двух плоскопараллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу
В качестве системы регистрации на базе микропроцессора типа ATMEGA16 применена система экстремального регулирования с системой учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами и автоматическим введением расчетных поправок температурной погрешности. Система регистрации выполнена с возможностью изменения оптической длины пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи, воздействующей на одно из зеркал оптической системы.
Систему обратной связи осуществляют посредством того, что на пьезокерамические основания, на которых установлен неподвижный отражатель опорного луча, подается электрический сигнал, который изменяет геометрические размеры пьезокерамического основания и соответственно меняет оптическую длину, проходимую опорным лучом интерферометра.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Луч от источника излучения (1) попадает на коллиматор (2), где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее луч направляется на плоскопараллельный светоделитель (3), где расщепляется на два пучка. Один из них, проходя через фокусирующую линзу (7), отражается от светоотражающего покрытия (5), размещенного на незакрепленном конце анероидной коробки (4), попадает на светоделитель (3), а затем на фотодетектор (6) в место прихода луча от неподвижного отражателя (8) опорного луча. В данном месте измерительный и опорный лучи совмещаются с помощью котировочных болтов зеркал неподвижного отражателя (8) (болты на фиг. не показаны). Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фотодетектор (6)
Под воздействием вариаций внешнего давления возникают перемещения незакрепленного конца анероидной коробки (4), вследствие чего изменяется оптическая длина, проходимая измерительным лучом, что приводит к изменению интенсивности света в месте нахождения фотодетектора (6). Соответственно система регистрации (10) вырабатывает сигнал обратной связи, подаваемый к пьезокерамическим основаниям на которых укреплены отражающие зеркала неподвижного отражателя (8) опорного луча, и этим изменяется оптическая длина, проходимая опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фото детектора (6) поддерживается за счет обратной связи постоянной. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамическое основание зеркал неподвижного отражателя (8), пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча и, соответственно, является мерой смещения незакрепленного конца анероидной коробки (4).
Для проведения особо точных измерений вариаций давления устройство снабжено температурным зондом для компенсации погрешностей, связанных с воздействием температурных колебаний окружающей среды - наличием остаточных газов внутри анероидной коробки и модулем упругости материала коробки. Температурный зонд осуществляет непрерывное измерение температуры окружающей
среды и передает эти данные в систему регистрации, устроенную таким образом, что осуществляется вычисление необходимых поправок и введение их в выходной сигнал системы регистрации для компенсации температурной погрешности измерении.
Компенсационные поправки рассчитывают по известным формулам (Расчет и конструкция авиационных приборов. М., 1954):
E
ост
Здесь: λ - температурный коэффициент модуля упругости материала анероидной коробки, p - перепад давления на коробке, p - давление остаточных газов внутри коробки, Δt - изменение температуры. Формула 1 определяет поправку к измеренному давлению для компенсации температурной зависимости модуля упругости материала анероидной коробки. Формула 2 определяет поправку к измеренному давлению для компенсации влияния остаточных газов внутри коробки на ее характеристику
Наличие температурного зонда, предназначенного для измерения температуры в области анероидной коробки с целью вычисления компенсирующих поправок к измеренному атмосферному давлению, получаемых расчетным путем непосредственно в системе регистрации, выполненной для этой цели на базе микропроцессора, а также использование блока анероидных коробок дополнительно способствуют повышению точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления
При необходимости, для защиты устройства от неблагоприятных условий окружающей среды, его помещают в корпус.
Таким образом, выявленная совокупность существенных признаков предложенного устройства обеспечивает получение вышеприведенного технического результата, а именно: расширение ассортимента оптических измерителей давления, обладающих высокой точностью измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления за счет использования в качестве чувствительного элемента анероидной коробки, незакрепленный конец которой снабжен светоотражающим покрытием.