Волоконно-оптический датчик давления

Полезная модель используется для измерения давления с помощью упругого чувствительного элемента, волоконно-оптического преобразователя и предназначена для измерения мгновенных быстроизменяющихся давлений в расходомерах массы горючих жидкостей и газов.

Технический результат: повышение точности измерений волоконно-оптического датчика давления путем увеличения максимального хода мембраны и точности определения положения зеркального отражателя благодаря предложенной конструкции «мембрана - волоконно-оптический преобразователь».

Сущность полезной модели: новая конструкция волоконно-оптического преобразователя, объединенные торцы которого сформированы в виде правильного шестиугольника с чередованием одного слоя подводящих пучков световодов с двумя слоями отводящих поток света пучками световодов. При этом этот объединенный торец расположен строго перпендикулярно к рабочей плоскости зеркального отражателя мембраны на расстоянии, определяемом геометрическими и оптическими параметрами пучков световодов. Для линеаризации статической характеристики волоконно-оптического датчика давления концы всех световодов в объединенном торце спечены в гексагональной укладке, проклеены и зажаты в цанги правильного шестиугольника.

Полезная модель используется для измерения давления с помощью упругого чувствительного элемента, волоконно-оптического преобразователя и предназначена для измерения мгновенных быстроизменяющихся давлений в расходомерах массы горючих жидкостей и газов.

Известен волоконно-оптический датчик давления (патент США, 3580082, кл.: G01L 7/08, 1971 г.), состоящий из корпуса, мембраны с зеркалом в центре, расположенных напротив зеркала осветительных и приемных световодов. При этом осветительные световоды подсоединены к источнику света, а приемные световоды подсоединены к фотоприемнику. Изменение давления перемещает зеркало мембраны относительно объединенных торцов световодов, в результате пропорционально этому перемещению изменяется мощность светового потока, пришедшего на фотоприемник.

Существенным недостатком данного волоконно-оптического датчика давления является невысокая точность измерения мгновенных быстроизменяющихся давлений.

Известен также волоконно-оптический датчик давления (Авт.свид. СССР 1504522, кл.: G01L 7/08, бюл. 32, 30.08.89 г.), состоящий из корпуса, мембраны с зеркальным отражателем, чередующихся подводящих и отводящих поток света концентрических пучков волоконных световодов, расположенных коаксиально напротив центральной отражательной части мембраны на расстоянии r, определяемом геометрическими и оптическими параметрами волоконных световодов. При этом подводящие поток света волоконные световоды подсоединены к источнику света, а отводящие поток света волоконные световоды подсоединены к входу фотоприемника.

К недостаткам этого волоконно-оптического датчика давления следует отнести сравнительно низкую точность измерений быстроизменяющихся давлений, обусловленную малой разрешающей способностью конструкции «мембрана - волоконно-оптический преобразователь» для заданных геометрических и оптических параметров используемых световодов.

Задача предлагаемой полезной модели - повышение точности измерений волоконно-оптического датчика давления путем увеличения максимального хода мембраны и точности определения положения зеркального отражателя благодаря предложенной конструкции «мембрана - волоконно-оптический преобразователь».

Поставленная задача достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике давления, содержащем установленную в корпусе мембрану с зеркальным отражателем, напротив центральной отражающей части которой размещен объединенный торец подводящих и отводящих поток света волоконных световодов, причем подводящие поток света волоконные световоды подсоединены к источнику света, а отводящие поток света волоконные световоды подсоединены к входу фотоприемника, в отличие от прототипа в объединенном торце каждый слой подводящих световодов чередуется с двумя слоями отводящих световодов, при этом объединенный торец расположен строго перпендикулярно к рабочей плоскости зеркального отражателя мембраны на расстоянии r, определяемом из соотношения

где d_c - диаметр сердцевины волоконного световода;

h_об - толщина оболочки волоконного световода;

n_с - показатель преломления сердцевины волоконного световода;

n_об - показатель преломления оболочки волоконного световода.

Кроме того, в отличие от прототипа в объединенном торце концы подводящих и отводящих волоконных световодов спечены в гексагональной укладке, проклеены и зажаты в цанги правильного шестиугольника. Это сделано для линеаризации статической характеристики волоконно-оптического датчика давления.

Существо заявляемой полезной модели поясняется следующими чертежами: на фиг.1 изображена конструктивная схема волоконно-оптического датчика давления; на фиг.2 - схема расположения пучков световодов; на фиг.3 - меридиональное сечение объединенного торца пучков световодов; на фиг.4 - статическая характеристика волоконно-оптического датчика давления.

Волоконно-оптический датчик давления (фиг.1) состоит из корпуса 1, мембраны 2 с центральной и периферической частями, зеркального отражателя 3, установленного в центре мембраны, жгута световодов 4 с объединенным торцом 5 (фиг.2), сформированый в виде правильного шестиугольника, с чередованием одного слоя подводящих 6 пучков световодов с двумя слоями отводящих 7 поток света пучками световодов, расположенных перпендикулярно напротив зеркального отражателя 3 на расстоянии r, определяемом геометрическими и оптическими параметрами пучков световодов, а разделенные концы 8 и 9 жгута световодов подведены соответственно к источнику света 10 и фотоприемнику 11 с приемным усилителем.

Волоконно-оптический датчик давления работает следующим образом. Под действием давления мембрана 2 с зеркальным отражателем 3 совершает колебания по закону изменения амплитуды колебаний давления. В результате зазор между объединенным торцом 5 и зеркальным отражателем 3 будет изменяться также по закону изменения давления, действующего на мембрану 2. Поток оптического излучения источника света 10, пройдя подводящие 6 пучки световодов, освещает рабочую поверхность зеркального отражателя 3, а модулированный изменением давления поток оптического излучения по отводящим 7 поток света пучкам световодов возвращается к фотоприемнику 11, где преобразуется в электрические колебания, по частоте и амплитуде соответствующие колебаниям давления. Диапазон перемещения зеркального отражателя 3 определяется конструктивными параметрами используемых световодов (d_с и h_об - соответственно диаметр сердцевины и толщина оболочки световодов), оптическими параметрами (n_с и n_об - соответственно показатели преломления сердцевины и оболочки световодов) и их взаимосвязью, определяемой формулой (фиг.3)

где d_c - диаметр сердцевины волоконного световода;

h_об - толщина оболочки волоконного световода;

n_c - показатель преломления сердцевины волоконного световода;

n_об - показатель преломления оболочки волоконного световода.

Начало и конец линейного участка в статической характеристике волоконно-оптического датчика давления (соответственно расстояние и на фиг.3 и 4) определяется из уравнений состояния

Тогда середина линейного участка определяет уравнение состояния

В диапазоне перемещений отражатель оказывает линейное модулирующее воздействие на световой поток, поэтому для заданного типа мембраны максимальный ход ее центра не должен превышать величину и выбирается из соотношения

Каждый подводящий 8 пучок волоконных световодов с двух сторон окружен двумя слоями отводящих 9 пучков волоконных световодов, благодаря этому в два раза увеличивается максимальный ход центра мембраны.

Для линеаризации статической характеристики волоконно-оптического датчика давления концы всех волоконных световодов в объединенном торце 5 спечены в гексагональной укладке, проклеены и зажаты в цанги правильного шестиугольника (фиг.2). Спекание и приклеивание концов световодов в торцах применяется для лучшей механической обработки торцов, при этом средняя часть жгута световодов остается по-прежнему свободной и гибкой. Для придания средней части жгута гибкости жгут свивается подобно кабелю.

Таким образом, заявляемая полезная модель повышает точность измерения волоконно-оптического датчика давления путем увеличения максимального хода мембраны и точности определения положения зеркального отражателя мембраны благодаря предложенной конструкции «мембрана - волоконно-оптический преобразователь» и расположения мембраны относительно волоконно-оптического преобразователя.

1. Волоконно-оптический датчик давления, содержащий установленную в корпусе мембрану с зеркальным отражателем, напротив центральной отражающей части которой размещен объединенный торец подводящих и отводящих поток света волоконных световодов, причем подводящие поток света волоконные световоды подсоединены к источнику света, а отводящие поток света волоконные световоды подсоединены к входу фотоприемника, отличающийся тем, что в объединенном торце каждый слой подводящих световодов чередуется с двумя слоями отводящих световодов, при этом объединенный торец расположен строго перпендикулярно к рабочей плоскости зеркального отражателя мембраны на расстоянии r, определяемом из соотношения

,

где d_с - диаметр сердцевины световода;

h_об - толщина оболочки световода;

n_с - показатель преломления сердцевины световода;

n_об - показатель преломления оболочки световода.

2. Волоконно-оптический датчик давления по п.1, отличающийся тем, что в объединенном торце концы подводящих и отводящих волоконных световодов спечены в гексагональной укладке, проклеены и зажаты в цанги правильного шестиугольника.