Волоконно-оптический датчик давления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения давления, и может быть использовано в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления. Датчик давления состоит из корпуса, упругой мембраны, рассеивающей линзы, рамки со световой щелью, подвижной светонепроницаемой перегородки. Световод и фотоприемник связаны между собой с помощью оптического канала. В оптическом канале размещены рассеивающая линза, рамка со световой щелью, светонепроницаемая перегородка. Перегородка соединена через коромысло с упругой мембраной. Перегородка установлена с возможностью перемещения. Перемещение обеспечивает линейную зависимость площади световой цели от перемещения упругой мембраны. Технический результат - расширение диапазона линейной характеристики датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения давления, и может быть использовано в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.

Известен оптоэлектронный датчик давления (патент РФ №2006016, МПК G 01 L 11/00, опубл. 1994.01.15), содержащий мембрану, источник излучения и фотоприемник, связанные между собой с помощью оптического канала. Оптический канал включает конденсор, растр, объектив, два зеркала и второй фотоприемник. Фотоприемники включены навстречу друг другу и подключены к введенному синхронному детектору, а источник излучения подключен к введенному генератору переменного тока.

Недостатком указанного устройства является нелинейность его характеристики, приводящая к неодинаковой погрешности измерения давления во всем диапазоне измерений. Нелинейность обусловлена размещением двух фотоприемников и одного источника излучения в ограниченной области - фокусе конденсора, при этом рабочее поле одного фотоприемника излучения фиксирует не весь световой поток, а лишь его часть. Большое оптическое усиление сигнала лишь усиливает нелинейность датчика.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является волоконно-оптический датчик давления (патент РФ №92004980, МПК G 01 L 11/00, опубл. 1995.07.09), в корпусе которого закреплена мембрана с жестким центром и утолщенной периферийной частью и два волоконно-оптических преобразователя, выполненных в виде световодов с источником света и фотоприемниками. Торцы световодов установлены соответственно напротив центральной и периферийной части мембраны. Между отражающими поверхностями мембраны и торцами световодов выполнена светозащитная перегородка, имеющая конфигурацию, аналогичную конфигурации периферийной части мембраны.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - корпус с закрепленной в нем мембраной, световодом и фотоприемником, связанными между собой с помощью оптического канала.

Недостатком указанного датчика является нелинейность его характеристики, приводящая к неодинаковой погрешности измерения давления во всем диапазоне измерений. Нелинейность характеристики обусловлена выполнением светозащитной перегородки с конфигурацией, аналогичной конфигурации периферийной части мембраны. В результате световой поток оказывается не прямо пропорциональным измеряемому давлению во всем диапазоне измерений.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - стабилизация погрешности во всем диапазоне измерений. Технический результат заключается в расширении диапазона линейной характеристики датчика.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном устройстве для измерения давления, содержащем корпус с закрепленной в нем упругой мембраной, световодом и фотоприемником, связанными между собой с помощью оптического канала, в оптическом канале дополнительно размещены по ходу движения луча рассеивающая линза, рамка со световой щелью и подвижная светонепроницаемая перегородка, соединенная через коромысло с упругой мембраной. Световая щель рамки выполнена в виде прямоугольника, вписанного в рабочее поле фотоприемника.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от признаков решения по прототипу, - дополнительное размещение в оптическом канале по ходу движения луча рассеивающей линзы, рамки со световой щелью и подвижной светонепроницаемой перегородки, соединенной через коромысло с упругой мембраной, выполнение световой щели рамки в виде прямоугольника, вписанного в рабочее поле фотоприемника.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - вид на рамку со стороны световода.

Датчик давления состоит из корпуса 1, упругой мембраны 2, в центре которой имеется упор 3, соединенный с коромыслом 4 и светонепроницаемой перегородкой 5, перемещаемой в оптическом канале по направляющим 6. Оптический канал содержит световод 7, рассеивающую линзу 8, рамку 9 со световой щелью и фотоприемник 10. Измеряемая среда под давлением p₁ подается в объем корпуса 1 через отверстие 11. Часть корпуса по другую сторону от мембраны 2 сообщается с окружающей атмосферой, имеющей давление p₀, через отверстие 12. В рамке 9 имеется световая щель 13 в виде прямоугольника, которая частично перекрывается светонепроницаемой перегородкой 5. Световая щель 13 находится в рабочем поле фотоприемника 10.

Волоконно-оптический датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление через отверстие 11 в корпусе 1 подается на упругую мембрану 2. При перемещении мембрана 2 упором 3 изгибает упругое коромысло 4 и вызывает вертикальное перемещение светонепроницаемой перегородки 5 в направляющих 6, изменяя площадь световой щели 13. Излучение, подаваемое световодом 7, рассеивается линзой 8 на всю площадь фотоприемника 10, освещенность которого пропорциональна площади световой щели 13. Фототок регистрируется измерительным прибором 13.

Расширение диапазона линейной характеристики датчика обеспечивается, во-первых, равномерной освещенностью фотоприемника рассеивающей линзой, во-вторых, линейной зависимостью площади световой щели от перемещения упругой мембраны, а следовательно, и от давления.

Технико-экономическая эффективность от использования волоконно-оптического датчика давления выражается, во-первых, в расширении диапазона линейной характеристики датчика за счет использования рассеивающей линзы и формы световой щели, во-вторых, в уменьшении габаритов датчика за счет вынесения источника излучения и измерительного прибора за его пределы. Последнее расширяет возможности дистанционного мониторинга давления в труднодоступных местах.

1. Волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, в котором закреплены световод и фотоприемник, связанные между собой с помощью оптического канала, а также мембрана, отличающийся тем, что в оптическом канале дополнительно размещены по ходу движения луча рассеивающая линза, рамка со световой щелью и соединенная через коромысло с упругой мембраной подвижная светонепроницаемая перегородка, установленная с возможностью перемещения, обеспечивающего линейную зависимость площади световой щели от перемещения упругой мембраны.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что световая щель рамки выполнена в виде прямоугольника, вписанного в рабочее поле фотоприемника.