Оптический датчик механических возмущений
Использование: измерение постоянных и переменных во времени акустических возмущений . Сущность изобретения: датчик содержит последовательно оптически соединенные входную поворотную призму 1, сердцевину 2, выходную призму 3, подложку 4, контактирующую с сердцевиной 2 по ее длине, инерционное тело 5. На боковых гранях призм 1 и 3 нанесен отражающий слой, через который с указанными призмами контактируют клиновидные вкладыши 7 и 8. Все элементы установлены в жестком корпусе 9, в котором в местах ввода и вывода оптического излучения выполнены прорези 10 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 (1/24
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
»
rV» ф
6 701 2
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4891482/10 (22) 17,12.90 (46) 07.10.92. Бюл. ¹ 37 (72) Ю,В.Есипов, С.В.Разумовский и
С, В. Макаров (56) Физическая акустика./Под ред. У,Мэзона„пер. с англ.; т.7, М.: Мир, 1974, с,242.
Авторское свидетельство СССР
¹ 4478856, кл, G 02 В 6/00, 1989, Бусурин В.И, и др. Оптоэлектронные преобразователи на основе управления световодных структур, М.: Радио и связь, 1984, c,10 — 11, 51, (54) ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ Ы,, 1767370 А1 (57) Использование; измерение постоянных и переменных во времени акустических возмущений. Сущность изобретения: датчик содержит последовательно оптически соединенные входную поворотную призму 1, сердцевину 2, выходную призму 3, подложку 4, контактирующую с сердцевиной 2 по ее длине, инерционное тело 5, На боковых гранях призм 1 и 3 нанесен отражающий слой, через который с указанными призмами контактируют клиновидные вкладыши 7 и 8. Все элементы установлены в жестком корпусе 9, в котором в местах ввода и вывода оптического излучения выполнены прорези 10. 2 ил.
1767370
15
55
Изобретение относится к средствам измерения механических возмущений, в частности, к оптическим датчикам механических давлений, деформаций, а также акустических возмущений постоянных и переменных во времени.
Известно оптическое устройство Брэгга, содержащее оптически связанные источник когерентного излучения, пьезокристалл и фотоприемник, региСтрирующее акустические возмущения, поступающие на пьезокристалл (1).
Недостатками данного устройства являются малый диапазон измерения, необходимость использования когерентного излучения.
Известен волоконно-оптический датчик для измерения акустических возмущений, содержащий оптически соединенные лазер, блок перестройки состояния поляризации, многомодовое волокно, намотанное на чувствительный элемент, воспринимающий акустическое давление (2), Ф
Недостатками данного устройства являются малый диапазон для измерения механических возмущений и деформаций и необходимость создания дополнительной высокочастотной фазовой модуляции.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является оптоэлектронный датчик механических возмущений, содержащий последовательно оптически соединенные устройство ввода излучения под углом, равным критическому углу полного внутреннего отражения (ПВО), волновод, устройство вывода и преобразования излучения и контактирующую по длине волновода подложку, чувствительную к поперечной деформации (3), Недостатками данного устройства являются большая площадь упругооптического . детектирования, малая длина упругооптического контакта чувствительной структуры и, как следствие, малый диапазон измерения амплитуды механических возмущений и низкая чувствительность к деформации, Цель изобретения — расширение диапазона измерения и повышение чувствительности.
Поставленная цель достигается тем, что в оптический датчик механических возмущений, содержащий последовательно оптически соединенные устройство ввода излучения под углом, равным критическому углу полного внутреннего отражения (RBO), волновод, устройство вывода и преобразования излучения и контактирующую по длине волновода подложку, дополнительно введены жесткий корпус и инерционное тело, устройства ввода и вывода излучения выполнены из двух трехгранных поворотных призм, изготовленных из изотропного оптического материала, входная призма своей внешней гранью контактирует через вкладыш с дном корпуса датчика, выходная призма контактирует через вкладыш с инерционным телом, установленным в корпусе с возможностью перемещения вдоль продольной оси датчика, подложка и сердцевина выполнены из разнополярных к продольному напряжению материалов.
Введенные дополнительные признаки позволяют прикладывать механическое возмущение к торцу сердцевины и подложки и реализовать продольное противофазное упругооптическое детектирование механических возмущений, что, в свою очередь, способствует снижению площади приложения усилия с одной стороны, и, С другой стороны, позволяет использовать всю длину оптического контакта сердцевины и подложки, чем способствует повышению числа отражений оптического излучения в напряженной по всей длине оптической структуре
"сердцевина-подложка". Кроме того, противофазное изменение показателей преломления сердцевины и подложки расширяет функциональные возможности, например, температурную устойчивость устройства и увеличивает верхний предел измерения, На фиг.1 схематично изображен предлагаемый датчик; на фиг.2 — выходная амплитудная характеристика датчика, причем на фиг.2б — ее начальный участок.
Датчик содержит последовательно оптически соединенные входную поворотную призму 1, сердцевину 2, выходную призму
3, подложку 4, контактирующую с сердцевиной 2 по ее длине, инерционное тело 5. На боковых гранях призм 1 и 3 нанесен отражающий слой 6, через который с призмами 1.и
3 контактируют клиновидные вкладыши 7 и
8, причем элементы в последовательности 7, 1, 2, 4, 3, 8, 5 установлены в жесткий корпус
9, в котором в местах ввода и вывода оптического излучения выполнены прорези 10, Оптический датчик работает следующим образом, Через входную прорезь 10 оптическое излучение подается на призму 1, отражается от ее боковой грани и вводится в сердцевину 2 под углом, равным критическому углу
ПВО. При этом в отсутствие механического возмущения на границе раздела сердцевина 2 — подложка 4 преломление отсутствует, При возникновении возмущения, например вследствие ускорения вдоль оси датчика, инерционное тело создает продольное усилие в структуре сердцевина 2 — подложка 4, Как следствие, возникает искусственная
1767370 анизотропия материалов сердцевины 2 и подложки 4. Вследствие разнополярности искусственного двулечепреломления кристаллов сердцевины 2 и подложки 4 их показатели преломления изменяются противофазно п1 = л 1 т; пг =лг т (1) где л1,л - пьезооптические постоянные материала сердцевины 2 и подложки 4; механическое напряжение, приложенное к структуре сердцевина 2 — подложка 4, При этом происходит нарушение ПВО излучения в сердцевине, появляются в подложке 4 преломленные волны, вследствие чего уменьшается интенсивность излучения на выходе, амплитуда которой зависит от угла преломления r и количества k отражений по длине напряженной сердцевины.
1вых = lex(tg(® — v) /tg(Йэ +г)К (2) где lax — интенсивность излучения на входе сердцевины;
6»» — угол ввода оптического излучения; г=агс sin (п1. sin бь /пг): (3)
k=entier(l/(d tg 6ь )), (4)
I, d — длина и толщина сердцевины.
Изменением интенсивности механического возмущения можно варьировать ослабление оптического излучения.
С помощью выходной призмы 3 оптическое излучение выводится из датчика для дальнейшей обработки.
Определим у = is» Выходная амплитудная характеристика датчика представлена на фиг,2, Кривые 1, 2, 3 соответствуют числу отражений k = 4, 10, 16. Как видно из фиг.2, при k = 10 в диапазоне напряжений 0,1...1000 МПа показатель ослабления амплитуды излучения изменяется более чем на три порядка в диапазоне от 0,9 до 0,004. При этом чувствительность датчика составляет 1,1, 10 Па/дБ. С ростом числа отражений в датчике интенсивность света значительно ослабевает, Если выбрать площадь поперечного сечения сердцевины и подложки S = 10 м, что реально достижимо, то чувствительность датчика составит 1,1, 10 Н/дБ. Поскольку показатели преломления сердцевины и подложки до частот, не превышающих частоту оптического излучения, не зависят от частоты механического напряжения (П,З), предлагаемый датчик может быть использован и как однополупериодный измеритель колебаний напряжения, В предлагаемом датчике возможна температурная и/или радиационная стабилиза5 ция. Для этого необходимо и достаточно выбрать материал сердцевины и подложки таким, чтобы отношение их показателей преломления удовлетворяло условию 10 пп т nn (P ) Т "» Р л Т r о! где Т вЂ” температура оптической структуры устройства; P y — мощность дозы ионизирующего излучения; ПД вЂ” заданное поле допуска, Выполнение условий (5) обеспечивает независимость 6 от Т и Р у и, следовательно, выходного параметра у. Анализ результатов расчета показывает, что в сравнении с устройства одноразовой брегговской дифракции сильных акустических возмущений на больших углах (П.2, П.3) предлагаемый датчик имеет большие чувствительность и диапазон измерений. Формула изобретения Оптический датчик механических возмущений, содержащий последовательно оптически соединенные устройство ввода излучения под углом, равным критическому углу полного внутреннего отражения, серд35 цевину, устройство вывода излучения и контактирующую по длине сердцевины подложку, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и повышения чувствительности, в него введе40 ны жесткий корпус. инерционное тело и вкладыши, устройство ввода и вывода излучения выполнены в виде трехгранных поворотных призм из изотропного оптического материала, входная трехгранная поворот45 ная призма установлена в контакте боковой гранью через один вкладыш с дном корпуса, а выходная — через другой вкладыш с инерционным телом, установленным в корпусе с возможностью перемещения вдоль про50 дальной оси датчика, а сердцевина и подложка выполнены из разнополярных к продольному напряжению оптических материалов. 1767370 05 4ь8. 2 Составитель Ю.Есипов Техред М.Моргентал Корректор M,Керецман Редактор А,Бер Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 3542 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
