Оптоэлектронный датчик давления на основе периодической интерференционной структуры

Полезная модель относится к технической физике, а именно к измерению физических параметров газов и жидкостей, таких как давление, амплитуда и частота акустических колебания. Задачей настоящей полезной модели является снижение массо-габаритных параметров, повышение технологичности и расширение областей применения оптоэлектронного датчика давления. Поставленная задача достигается тем, что в оптоэлектронном датчике давления, содержащем подвижную мембрану с отражающим покрытием, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, синхронный детектор, схему обработки, первый и второй фотоприемники, телескопическую оптическую систему, делитель пучка, по ходу луча установлена периодическая структура образованная элементарными треугольными равнобедренными призмами, диагональные грани которых расположены в одной плоскости и отделены от подвижной мембраны зазором, толщина которого d₂ выбрана из условия:

где: ₀ - длина волны излучения (м); n₁ - показатель преломления периодической структуры; n₂ - показатель преломления среды, заполняющей зазор между мембраной и периодической структурой; _p - угол падения излучения на периодическую структуру (рад). Телескопическая система формирует оптический пучок с малой угловой расходимостью, форма периодической структуры обеспечивает заданный угол падения излучения на зазор и возвращение его на делитель пучка, а подвижная мембрана совместно с периодической структурой образуют высокодобротную резонансную интерференционную структуру.

Полезная модель относится к технической физике, а именно к измерению физических параметров газов и жидкостей, таких как давление, амплитуда и частота акустических колебания.

Известен оптоэлектронный датчик давления (патент РФ 2006016 от 15.01.94 G01L 11/00), содержащий подвижную мембрану, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, и два фотоприемника, связанные между собой с помощью оптического канала, включающего в себя конденсор, растр, объектив и два зеркала, при этом фотоприемники включены навстречу друг другу и подключены к синхронному детектору.

Недостатком известного устройства является то что, его работа основана на расфокусировке излучения и перераспределении части излучения, поступающего на фотоприемник и поглощающегося на растре. Эффект модуляции интенсивности пучка на фотоприемнике полностью определяется относительным смещением x/f, где x - смещение зеркальной мембраны, f - фокусное расстояние линзы, отражающей мембраны из фокальной плоскости линзы. Следствием этого является необходимость использования линз с малым фокусным расстоянием (и, соответственно, - малым диаметром), что существенно снижает часть оптической мощности, используемой для получения измерительной информации, уменьшает отношение сигнал-шум на входе фотоприемника и чувствительность датчика давления. Кроме того, становится практически невозможным проведение дистанционных (при значительном удалении от источника излучения и фотоприемника) измерений.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является известный оптоэлектронный датчик давления (патент РФ 2231762 от 27.06.2004 G01L 11/00), содержащий подвижную мембрану, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, синхронный детектор, первый и второй фотоприемники, установленные по ходу луча телескопическую оптическую систему, делитель пучка, трапецеидальную призму, грань которой отделена от подвижной мембраны зазором, при этом делитель пучка направляет световой поток от источника излучения на первый фотоприемник и трапецеидальную призму, а от призмы - на второй фотоприемник, а выходы фотоприемников подключены к синхронному детектору.

Телескопическая система формирует оптический пучок с малой угловой расходимостью, форма трапецеидальной призмы обеспечивает определенный угол падения излучения на зазор и возвращение его на делитель пучка, а подвижная мембрана совместно с призмой образуют высокодобротную резонансную многослойную оптическую структуру. Такое сочетание элементов обеспечивает получение высокой чувствительности и обеспечивает дистанционность измерений. Амплитуда разностного сигнала фотоприемников пропорциональна давлению или его изменению.

Недостатком устройства является то что, в качестве первичного преобразователя физический параметр - оптический сигнал выступает мембрана и трапецеидальная призма, диагональная грань которой с мембраной образуют резонансный угловой фильтр с единственным резонансом, характеризующийся сильной зависимостью коэффициента отражения от угла падения излучения на фильтр. Обеспечение заданного хода оптических лучей возможно только при значительных габаритах и массе трапецеидальной призмы. Так, например, при апертуре пучка 4 мм габариты первичного преобразователя должны быть не менее 8,5×6×4,3 мм, а при апертуре 10 мм - 17×12×8,6 мм. Это накладывает ограничения на области использования оптоэлектронного датчика давления.

Задачей настоящей полезной модели является снижение массогабаритных параметров, повышение технологичности и расширение областей применения оптоэлектронного датчика давления.

Поставленная задача достигается тем, что в оптоэлектронном датчике давления, содержащем подвижную мембрану с отражающим покрытием, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, синхронный детектор, схему обработки, первый и второй фотоприемники, телескопическую оптическую систему, делитель пучка, по ходу луча установлена периодическая структура образованная элементарными треугольными равнобедренными призмами, диагональные грани которых расположены в одной плоскости и отделены от подвижной мембраны зазором, толщина которого d₂ выбрана из условия:

где: ₀ - длина волны излучения (м);

n₁ - показатель преломления периодической структуры;

n₂ - показатель преломления среды, заполняющей зазор между мембраной и периодической структурой;

_p - угол падения излучения на периодическую структуру (рад).

Форма и покрытие граней элементов периодической структуры обеспечивает требуемый угол падения излучения на зазор и возвращение его на делитель пучка, а подвижная мембрана совместно с периодической структурой образуют высокодобротную резонансную интерференционную оптическую структуру. Такая конструкция обеспечивает снижение массогабаритных параметров, повышение технологичности и расширение областей применения оптоэлектронного датчика давления при сохранении высокой чувствительности и возможности дистанционных измерений.

На фиг. 1 дана схема предлагаемого оптоэлектронного датчика давлений: 1 - источник когерентного излучения, 2 - телескопическая система, 3 - делитель пучка, 4 - приемник излучения, 5 - периодическая структура, 6 - подвижная мембрана с отражающим покрытием, 7 - подвес мембраны; 8 - приемник излучения, 9 - синхронный детектор, 10 - схема обработки, 11 - генератор переменного тока.

Схема оптоэлектронного датчика состоит из источника когерентного излучения 1 расположенного перед телескопической оптической системой 2. За ними расположен делитель пучка 3, направляющий световой поток от источника излучения на фотоприемник 4 и периодическую структуру 5 образованную элементарными треугольными равнобедренными призмами, диагональные грани которых расположены в одной плоскости, которая разделена с подвижной мембраной 6 через подвес 7 зазором, а от периодической структуры - на фотоприемник 8. Выходы фотоприемников подключены к синхронному детектору 9, выход которого объединен с входом схемы обработки 10. Генератор переменного тока 11 подключен к источнику излучения и обеспечивает модуляцию оптического излучения.

Устройство работает следующим образом. Световой поток от источника излучения 1 через телескопическую систему 2, делитель пучка 3, направляется на периодическую структуру образованную элементарными треугольными равнобедренными призмами, диагональные грани которых расположены в одной плоскости 5, на которой с зазором установлена мембрана с отражающим покрытием 6 на подвесе 7. Мембрана и периодическая структура образуют интерференционную структуру, являющуюся резонансным угловым фильтром с единственным резонансом, характеризующийся сильной зависимостью коэффициента отражения от угла падения излучения на фильтр. Резонансный угол падения определяется выражением:

где: n₁ - показатель преломления периодической структуры призмы;

n₂ - показатель преломления среды, заполняющей зазор между мембраной и периодической структурой;

d₂ - величина зазора между мембраной и периодической структурой (м).

При воздействии давления на мембрану она прогибается, как следствие изменяется зазор d₂ и коэффициент отражения от системы, определяемый выражением:

где:

K_x - продольное волновое число в зазоре (1/м);

L₀ - постоянная длины резонансной системы (м);

_p - изменение резонансного угла падения (рад).

Величина изменения резонансного угла падения _p зависит от величины изменения зазора d₂ при прогибе мембраны и определяется выражением:

В результате появления угловой расстройки возникает амплитудная модуляция пучка.

Пройдя через призму, пучок возвращается на делитель пучка 3, и направляется им на фотоприемник 8. Изменение светового потока и, соответственно, развиваемого фотоприемником сигнала пропорционально изменению действующего на мембрану давления.

Для повышения стабильности и помехозащищенности схема снабжена вторым фотоприемником светового потока 4, а источник излучения модулируется переменным током от генератора 11. На фотоприемник 4 пучок направляется делителем пучка 3.

Развиваемый фотоприемником 4 электрический сигнал является опорным и служит для стабилизации работы всего устройства.

Электрические сигналы с обоих фотоприемников поступают на синхронный детектор 9, где сигнал от фотоприемника 8 детектируется, и поступает на схему обработки 10.

На фиг. 2 дана схема предлагаемой периодической структуры оптоэлектронного датчика давления: 1 - треугольная равнобедренная призма, 2 - покрытие с высоким коэффициентом отражения, 3 - подвижная мембрана, 4 - отражающее покрытие мембраны; 5 - резонансный зазор, 6 - световой поток (ход лучей), 7 - световой поток в резонансном слое (ход лучей).

Периодическая структура включает в свой состав треугольные равнобедренные призмы 1, диагональные грани которых лежат в одной плоскости. Неперпендикулярная падающему оптическому излучению боковая грань каждой треугольной призмы имеет покрытие 2 с высоким коэффициентом отражения. Форма треугольных призм выбирается такой, чтобы боковые и диагональная грани образовывали углы, равные резонансному углу падения _p, определяемому по выражению (2). Периодическая структура и подвижная мембрана 3 с отражательным покрытием 4, разделенные зазором 5, образуют интерференционную структуру, являющуюся однорезонансным высокодобротным фильтром. Резонансный угол падения светового потока на диагональную грань призмы _p определяется выражением (2). При резонансном угле падения форма призмы обеспечивает прохождение падающего и отраженного световых потоков 6 через фронтальную грань призмы с минимальными отражениями и падение светового потока на зеркальное покрытие 2 под прямым углом, что обеспечивает возврат отраженного светового потока параллельно падающему. Материалы призмы 1, мембраны 3 и среды находящейся в зазоре 5 выбираются такими, чтобы обеспечить длину зигзага l₀ волны 7 в зазоре превышающую длину диагональной грани призмы и резонансный угол падения максимально близкий к 45°. Размер боковых граней призм a и количество призм N выбирается таким, чтобы обеспечивалось условие:

где: A_вх - апертура входного светового потока;

N - количество призм в периодической структуре.

Оценка конструктивных параметров первичного преобразователя и материалов, используемых в микроэлектронной промышленности, показала, что предложенная периодическая структура может быть выполнена по технологиям изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС или MEMS - microelectromechanical systems). Это обеспечит возможность создания миниатюрных оптоэлектронных датчиков давления и их производство на существующих производственных линиях, что повышает технологичность производства. Меньшие, по сравнению с известными датчиками, размеры первичного преобразователя позволяют использовать его для измерения давления в системах небольшого объема или системах, где невозможно использование известных датчиков в связи с массогабаритными ограничениями и тем самым расширить области применения оптоэлектронного датчика давления.

Пример. Для оптоэлектронного датчика давления с длинной волны оптического излучения ₀=0,63 мкм, показателем преломления периодической структуры n₁=1.51, размером боковой грани призм периодической структуры а=0.1 мм, зазором между мембраной и периодической структурой призмы d₂=10 мкм и воздушным заполнением зазора (n₂=1) резонансный угол падения, определяемый выражением (2), составляет _p=41,446°. Оптимальная апертура входного сигнала, определенная с учетом (6) составляет A_вх=1.4 см, а количество призм в периодической структуре N=139.

При смещении мембраны на величину d₂=0.1 мкм резонансный угол _p изменяется на величину определяемую выражением (5) и составляет _p=8.7709·10^-6 рад.

Для нашего случая K_x=10⁵1/см, L₀ =1 см, и обобщенная расстройка, вычисленная по (4), равна y=0.87709.

Коэффициент отражения от системы определяемый выражением (3) равен R(0.87709)=0.18945.

Для системы при отсутствии давления на мембрану y=0, R(0)=0. Отсюда видно, что незначительному смещению мембраны соответствует большое изменение коэффициента отражения от системы и, как следствие, выходного сигнала.

При этом размер первичного преобразователя на основе предлагаемой периодической структуры будет составлять примерно 22×16×0,2 мм, а размер известного преобразователя на основе трапецеидальной призмы - 22×16×12 мм. Таким образом, высота первичного преобразователя на основе периодической структуры меньше в 60 раз.

Оптоэлектронный датчик давления, содержащий подвижную мембрану с отражающим покрытием, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, синхронный детектор, схему обработки, первый и второй фотоприёмники, телескопическую оптическую систему, делитель пучка, отличающийся тем, что по ходу луча установлена периодическая структура, образованная элементарными треугольными равнобедренными призмами, диагональные грани которых расположены в одной плоскости и отделены от подвижной мембраны зазором, толщина которого d ₂ выбрана из условия:

где ₀ - длина волны излучения, м;

n₁ - показатель преломления периодической структуры;

n ₂- показатель преломления среды, заполняющей зазор между мембраной и периодической структурой;

_p - угол падения излучения на периодическую структуру, рад.