Оптический измеритель давления

МПК G01L23/06
Оптический измеритель давления
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения вариаций давления газов, в частности атмосферного давления, и может быть использована в геофизике.
Известен оптико-механический измеритель давления, содержащий герметичный корпус, в котором размещена оптическая часть системы, содержит источник монохроматического излучения, коллиматор и интерферометр, содержащий 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 и подвижный отражатель выполненный в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, которая одновременно является одним из торцов корпуса (см. RU №2159925, 2000).
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.
Известен также оптический измеритель давления, содержащий оптическую систему содержащую источник лазерного излучения, коллиматор, чувствительный элемент, снабженный светоотражающим покрытием, светоделитель, фотодетектор, неподвижный отражатель, выполненный с возможностью взаимодействия с пьезокерамическим узлом, сообщенным с выходами системы регистрации (см. RU № 45528, 2005).
В оптической схеме данного измерителя применена делительная пластина, предназначенная для разделения лучей, проходящих впоследствии по измерительному и опорному пути. Она требует громоздкого и дорогого механизма настройки. Уменьшение размеров пластины невозможно, поскольку ее толщина должна быть значительно больше, чем диаметр луча (7-10 мм после коллиматора), т.е. толщина пластины должна быть 20-25 мм, для исключения возникновения паразитной интерференции, возникающей при отражении от ее передней и задней граней. Таким образом, время бесперебойной работы установки ограничено и требуется частое повторение настройки.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение продолжительности бесперебойной работы прибора.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в исключении необходимости проведения дополнительных настроек светоделителя за счет его компактирования и повышения надежности фиксации в корпусе прибора.
Для решения поставленной задачи, оптический измеритель давления, включающий оптическую систему содержащую источник лазерного излучения, коллиматор, чувствительный элемент, снабженный светоотражающим покрытием, светоделитель, фотодетектор, неподвижный отражатель, выполненный с возможностью взаимодействия с пьезокерамическим узлом, сообщенным с выходами системы регистрации, отличается тем, что светоделитель выполнен в виде делительного куба, в объеме которого выполнена грань для разделения лучей, ориентированная под углом к оптической оси коллиматора. Кроме того, неподвижный отражатель выполнен в виде зеркала установленного параллельно, обращенной к нему внешней плоскостью делительного куба, при этом пьезокерамический узел содержит пьезокерамические элементы соосные друг другу и оптической оси зеркала.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи, а именно повышение продолжительности бесперебойной работы прибора.
Полезная модель поясняется чертежами, при этом, на фиг.1 показана схема прибора.
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.
На чертеже показаны: лазер 1, коллиматор 2, светоделитель 3 (делительный куб), блок анероидных коробок 4 (чувствительный элемент прибора), с закрепленным на его поверхности подвижным отражателем, выполненным в виде светоотражающего покрытия 5, зеркало 6 (неподвижный отражатель), пьезокерамические элементы 7 и 8, фотодетектор 9, система регистрации 10.
Заявляемое устройство содержит оптическую систему, включающую источник монохроматического излучения (лазер 1), коллиматор 2 и интерферометр, выполненный по схеме Майкельсона, содержащий светоделитель 3, светоотражающее покрытие 5, зеркало 6, фотодетектор 9.
Вся оптическая часть заявляемого устройства жестко закрепляется на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением.
В качестве источника монохроматического излучения используют, частотно-стабилизированный лазер известной конструкции, например, частотно-стабилизированный ОКГ типа ЛГН 303 или «Драгун» или «Стандарт У» или «Стандарт 5».
Светоделитель 3 выполнен в виде делительного куба, в объеме которого выполнена грань для разделения лучей, ориентированная под углом к оптической оси коллиматора. Это известное фабричное изделие (см. например, https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=BS016).
Размеры делительного куба могут быть близкими величине луча, поскольку отражений, вызывающих паразитную интерференцию лучей не возникает (т.к. делительная грань в кубе одна). Крепежный элемент куба представляет собой простой зажим с минимальными возможностями регулировки. Настройка такой оптической системы значительно проще благодаря тому, что прямые и обратные лучи в измерительном и опорном «плечах» прибора проходят по одним и тем же путям. Настройка в основном заключается в том, что нужно лучами от зеркал попасть в центры соответствующих граней куба.
В качестве чувствительного элемента используется анероидная коробка известной конструкции, например, типа БАММ-1, или М-67, или М-98, или, с целью повышения чувствительности, блок анероидных коробок, представляющих собой несколько последовательно соединенных между собой одинаковых анероидных коробок.
В качестве подвижного отражателя используется светоотражающее покрытие 5, например, зеркало, установленное на свободный торец анероидной коробки.
Неподвижный отражатель опорного луча выполнен в виде плоскопараллельного зеркала 6, установленного параллельно, обращенной к нему внешней плоскостью делительного куба (светоделителя) 3.
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 неподвижный отражатель оптической системы.
Систему обратной связи осуществляют посредством того, что на пьезокерамические элементы 7 и 8, на которых установлено зеркало 6 (неподвижный отражатель опорного луча), подается электрический сигнал, который изменяет геометрические размеры пьезокерамического основания и соответственно меняет оптическую длину, проходимую опорным лучом интерферометра. В заявленном устройстве пьезокерамические элементы 7 и 8 в эталонной «плече» интерферометра установлены на один держатель вместе с зеркалом 6.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Луч от лазера 1 попадает на коллиматор 2, где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее луч направляется на светоделитель 3, где расщепляется на два пучка. Один из них, отражается от светоотражающего покрытия 5, размещенного на свободном конце блока анероидных коробок 4, вновь попадает на светоделитель 3, а затем на фотодетектор 9 в место прихода луча от зеркала 6 (неподвижного отражателя опорного луча). В данном месте измерительный и опорный лучи совмещаются. Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фотодетектор 9.
Под воздействием вариаций внешнего давления возникают перемещения свободного конца блока анероидных коробок 4, вследствие чего изменяется оптическая длина, проходимая измерительным лучом, что приводит к изменению интенсивности света в месте нахождения фотодетектора 9. Соответственно система регистрации 10 вырабатывает сигнал обратной связи, подаваемый к пьезокерамическим основаниям на которых укреплено отражающее зеркало 6 неподвижный отражатель опорного луча, и этим изменяется оптическая длина, проходимая опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фото детектора 9 поддерживается за счет обратной связи постоянной. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамические элементы 7 и 8 зеркала 6 неподвижного отражателя, пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча и, соответственно, является мерой смещения свободного конца блока анероидных коробок 4.
При необходимости, для защиты устройства от неблагоприятных условий окружающей среды, его помещают в корпус (на чертежах не показан).