Оптико-волоконный датчик силы

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в автоматизированных системах контроля и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повыпение чувствительности и линейности преобразования силы в информационный сигнал. Датчик силы состоит из чувствительного элемента в виде упругого несущего стержня 1, на котором размещены буртики 2 и 3. На них диаметрально противоположно и попарно соосно закреплены втулки 4, 5, 6 и 7, внутри которых со стороны торцов, расположенных с зазоСП с д к 4 05 o

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИХ ((91@ (((> 1 224 20

А (51) 4 С 01 Ь 1/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬТИЙ (21) 3800023/24-10 (22) 11.10.84 (46) 15.04.86. Бюл. N - 14 (71) Грозненское научно-производственное объединение "Промавтоматика" (72) Г.M.Êóçíåöîâ, И.И.Рабин, Б.Г.Соколов и M.Ã.Кузнецов (53) 531.781(088.8) (56) Multimodefiber optic pressure

sensor bassed on the photoelastic

effect. Spillman M.Â. "0pt.Zelt", 1982, 7, М - 8, 388-390.

Патент Великобритании Ф 2057120, кл. G 01 N 21/41, 1981.

Патент Швеции У 420130, кл, G 01 L 1/24, 1981. (54)ОПТИКО-ВОЛОКОННЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в автоматизированных системах контроля и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повьппение чувствительности и линейности преобразования силы в информационный сигнал. Датчик силы состоит из чувствительного элемента в виде упругого несущего стержня 1, на котором размещены буртики 2 и 3.

На них диаметрально противоположно и попарно соосно закреплены втулки

4, 5, 6 и 7, внутри которых со стороны торцов, расположенных с заэо1224620 ром друг против друга, размещены пере-.— дающие 8, промежуточные 9 и приемные

10 волоконные световоды (ВС). В торцах втулок выполнены проточки 11, 12, 13 и 14, в которых размещены светонаправляющие патрубки 15 и 16, обеспечивающие центровку концов ВС 8, II

9 и 10. Под действием растягивающего усилия несущий стержень 1 удлиняется, увеличивая расстояние между торцами ВС 8, 9 и 10 и. соответственно толщину слоя светопоглощающей жидкости 21 и 22, что приводит к проИзобретение относится к .измер» тельной технике и может найти применение в автоматизированных системах контроля и управленияi технологическими процессами, например, в нефтедобывающей промышленности и, в частности, в бурении глубоких нефтяных и газовых скважин при контроле веса бурового инструмента.

Цель изобретения — повышение чувствительности и линейности преобразования силы в информационный сигнал.

На фиг.1 показан датчик, общий вид; на фиг.2 — разрез А-А на фиг.1; на фиг,3 — разрез Б-Б на фиг.1.

Оптико-волоконный датчик силы состоит иэ упругого несущего стержня 1, снабженного двумя буртиками

2 и 3. На буртиках 2 и 3 диаметрально противоположно и попарно соосно закреплены втулки 4 — 7, внутри которых со стороны их торцов, расположенных друг против друга, размещены волоконные световоды соответственно передающие 8, промежуточные 9 и при- 25 емные 10, одни концы которых герметично встроены на уровне торцов втулок, ориентированных друг против друга. В торцах втулок выполнены проточки 11-14, в которых размещены светонаправляющие патрубки 15 и

16, снабженные продоюй ными пазами

17 и 18. Патрубки охватывают концы волоконных световодов, а втулки снаружи герметично охвачены эластичными оболочками 19 и 20, причем вся

35 полость внутри оболочек заполнена порциональному изменению светового потока. По величине измененного светового потока в измерительном блоке

26 вырабатывается информационный сиг. нал, пропорциональный измеряемому усилию. Приток или отток светопоглощающей жидкости 21 и 22 при упругой деформации несущего стержня 1 обеспечивается пазами 17 и 18 в патрубках !5 и 16. Эластичные оболочки 19 и 20 обеспечивают герметичность конструкции. 3 ил. светопоглощающей жидкостью 21 и 22, .например тетраэтилсвинцом или раствором хлористого цинка. Эти жидкости имеют плотность, близкую к плотности оптического волокна.

Другие концы волоконных световодов подсоединены через оптический разъем 23 волоконной линией связи

24 и 25 к измерительному блоку 26.

Элементы, размещенные на упругом несущем стержне, закрыты кожухом 27.

Волоконно-оптический датчик силы работает следующим образом.

Из измерительного блока 26 световой поток ср, например, генерируемый фотодиодом по волоконной линии связи 25 через оптический разъем 23 поступает в передающий волоконный световод 8 и проходит через слой светопоглощающей жидкости 22, заполняющей пространство между торцами передающего S и промежуточного 9 волоконных световодов и таким образом попадает в промежуточный воло конный световод 9. Из световода 9 световой поток через второй слой поглощающей жидкости 21 попадает в приемный волоконный световод 10.

Далее световой поток ф через оптик ческий: разъем 23, линию связи 24 возвращается в измерительный блок 26.

Так как световой поток Я, проходит через светопоглощающую жидкость 21 и 22, то вследствие частичного поглощения, пропорционального расстоянию I между торцами указанных волоконных световодов и коэффициенту пог1224620 лощения к светопоглощающей жидкости

21 и 22, световой поток также пропорционально уменьшается до величины информационного светового потока 7 равного 7, Ф о» К

В измерительном блоке 26 информационный световой поток Р, преобразуется в электрический сигнал, соответствующий отсутствию растягивающих усилий на несущем упругом стержне 1, т.е. P = P = О.

1 2

Под действием растягивающего усиГ лия Р О, приложенного к упругому несущему стержню 1, происходит его удлинение, пропорциональное приложенному усилию.

При удлинении упругого несущего стержня 1 увеличивается расстояние между его буртиками 2 и 3 и, следовательно, торцами втулок 4-7, а так как с торцами втулок 4-7 связаны передающий 8, промежуточный 9 и приемный 10 волоконные световоды, то пропорциональцо приложенному усилию

P происходит пропорциональное увеличение расстояния У между торцами волоконных световодов, при этом увеЛичивается толщина слоя светопоглощающей жидкости 21, 22 на величину

6f что приводит к пропорциональному изменению в сторону уменьшения светового потока Я> -Ч>,/g(I + Л У). По величине измененного светового потока Р в измерительном блоке 26 выра2 батывается информационный сигнал, пропорциональный измеряемому усилию

Р„ . Патрубки 15 и 16 обеспечиваюг центровку концов волоконных световодов 8-10 и одновременно являются каналом для светового потока за счет отражения его от своих внутренних стенок. Наличие пазов 17 и 18 в патрубках 15 и 16 обеспечивает подток спи отток светопоглощающей жидкости

21 и 22 к торцам или от торцов волоконных световодов 8-10 при упругой деформации несущего стержня 1. Эластичные чехлы 19 и 20 обеспечивают герметизацию конструкции.

В оптико-волоконном датчике измерение силы происходит за счет изменения (увеличения) коэффициента поглощения светового потока при увеличении расстояния между торцами све30

40

45 ны волоконные световоды, чьи концы герметично встроены в соответствую50

55 лучающими и светоприемными торцами волоконных световодов заполнены светопоглощающей жидкостью.

1О

25 тоизлучающего и светопринимающего оптических волокон при втягивании в это расстояние светопоглощающей жидкости. При этом поглощение (затухание) светового потока пропорционально расстоянию между торцами, а следовательно, и приложенной к упРугому несущему стержню силе.

Введение в предлагаемое устройство светопоглощающей жидкости в зазор между торцами светоизлучающего и светоприемного оптических волокон обеспечивает поглощение света в зависимости от изменения зазора между торцами за счет их расхождения.

Наличие буртиков на силоизмерительном стержне позволяет закрепить торцы оптических волокон посредством втулок, в которых они расположены, а светонаправляющие патрубки обеспечивают направление светового потока на торец светоприемного оптического волокна и одновременно обеспечивают центровку втулок. Эластичный чехол предохраняет светопоглощающую жидкость от утечки.

Формула изобретения

Оптико-волоконный датчик силы,. содержащий измерительный блок, волоконные световоды, соединяющие измерительный блок с силочувствительпым элементом, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности и линейности преобразования силы в информационный сигнал, силочувствительный элемент, выполненный в виде несущего стержня, снабжен двумя буртиками, на них диаметрально противоположно и попарно соосно закреплены втулки, внутри которых со стороны торцов, расположенных с зазором друг против друга, размещещих торцах втулок, снабженных проточками, в которых размещены светонаправляющие.патрубки с пазами, охватывающие одновременно противолежащие концы волоконных световодов, причем втулки снаружи герметично охвачены эластичными оболочками, полость которых и зазор, между светоизСоставитель В.Маслов

Редактор М.Товтин Техред И.Попович, Корректор Е.Снрохман

Заказ 1941/39 Тираж /78 Подписное ВНИИПИ . Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4