Волоконно-оптический преобразователь перемещений

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения физических величин в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Волоконно-оптический преобразователь перемещений содержит соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон. Расстояние между подводящими оптическими волокнами и шторкой и расстояние между подводящими и отводящими оптическими волокнами определяются выражениями, приведенными в заявке. При этом в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки. Технический результат - повышение точности измерений, упрощение конструкции. 3 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в датчиках физических величин (давления, перемещения, ускорения, уровня жидкости, параметров вибрации и т.п.) в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения физических величин в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники.

Известны волоконно-оптические датчики давления (ВОДД), содержащие световодные жгуты, установленные на фиксированном расстоянии от светоотражающей металлической мембраны, процесс измерения давления в которых осуществляется путем регистрации изменения интенсивности отраженного светового потока в зависимости от прогиба мембраны под действием давления (Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.11-12; Авдошин Е.С. Волоконная оптика в военной технике США // Зарубежная электроника, 1989. - №11. - С.98-99; а.с. 1631329, G 01 L 11/00. Датчик давления; Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.40-41).

Недостатками данных датчиков являются:

- низкая чувствительность преобразования, обусловленная существенными потерями светового потока при отражении от зеркальной поверхности мембраны в пределах апертурного угла оптических волокон,

- высокая температурная погрешность, обусловленная изменением геометрических параметров датчика,

- погрешность от неинформативных изгибов оптических волокон в процессе сборки, испытаний и эксплуатации датчиков.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, в котором под воздействием переменного акустического поля свет модулируется тонкой шторкой из титановой фольги, прикрепленной к гибкой мембране. Свет от светодиода поступает через разветвитель по волоконному световоду в полость, где расположена шторка, модулированный свет по другому световоду направляется на фотодиод [Световодные датчики / Б.А.Красюк, О.Г.Семенов, А.Г.Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - С.15].

Недостатками этого устройства являются низкая чувствительность преобразования, из-за существенных потерь оптической мощности в разветвителях, из-за потерь светового потока в процессе передачи его от подводящих оптических волокон к отводящим оптическим волокнам в пределах апертурного угла оптических волокон, а также высокая погрешность, обусловленная неинформативными изгибами оптических волокон при воздействии внешних механических факторов, например при сборке датчиков, при испытаниях, при эксплуатации, которые ведут к существенным неинформативным потерям оптического сигнала при его прохождении по оптическим волокнам.

Кроме того, данное устройство требует очень точной юстировки оптических волокон относительно друг друга и шторки, что значительно усложняет технологию их изготовления и, соответственно повышает его стоимость.

Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в высокой точности измерения из-за низкой чувствительности преобразования, влияния на результат измерения изменения мощности источника излучения, изгибов волоконно-оптического кабеля.

Предлагается новая конструкция волоконно-оптического преобразователя перемещения, лишенная перечисленных выше недостатков.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом преобразователе перемещения, содержащем соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, расстояние между подводящими оптическими волокнами и шторкой определяется выражениями

l₁>d_c/2tgΘ_NA,

радиус отверстия в шторке R₀ выражением

R₀=(l₁+t_ШТ)tgΘ_NA,

расстояние между подводящими и отводящими оптическими волокнами определяется выражением

где d_c, d_OB, Θ_NA - диаметр сердцевины, внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно;

t_ШТ - толщина шторки;

в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки.

В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающим заявляемый технический результат.

Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.

На фигуре 1 приведена конструктивная схема предлагаемого преобразователя перемещения, на фигуре 2 - расчетно-конструктивная схема преобразователя перемещения, на фигуре 3 - упрощенная конструктивная схема одного из вариантов дифференциального волоконно-оптического датчика давления, включающего предлагаемый преобразователь перемещения.

Волоконно-оптический преобразователь перемещения содержит подводящее оптическое волокно ПОВ 1, соосно расположенную с ним (в нейтральном положении: при начальном значении входной физической величины) шторку 2 с отверстием толщиной t, отводящие оптические волокна ООВ 3 первого измерительного канала, отводящие оптические волокна ООВ 4 второго измерительного канала, отрезок технологического волокна или цилиндрическую деталь 5. Шторка 2 расположена на расстоянии l₁ относительно торца ПОВ 1 (фигура 1). Торцы ООВ 3 и 4 первого и второго измерительных каналов соответственно расположены на расстоянии L от ПОВ 1. Технологическое оптическое волокно 5 необходимо для симметризации оптических волокон 3 и 4. Вокруг технологического волокна 5 расположены приемные торцы отводящих оптических волокон 3 и 4, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении Z перемещения шторки 2. Количество отводящих оптических волокон в первом и втором измерительных каналов равно, причем в рекомендуемом варианте оно равно трем.

Волоконно-оптический преобразователь перемещения работает следующим образом.

Световой поток Ф₀ с выхода ПОВ 1 под апертурным углом Θ_NA падает на шторку 2, проходит сквозь нее, и поступает на приемные торцы OOB 3 и 4. Под действием давления шторка 2 перемещается на значение Z относительно ООВ 3 и 4, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Ф₁(Z) и Ф₂(Z), поступающих далее по отводящим волокнам на светочувствительные площадки приемников излучения (фотодиодов) первого и второго измерительных каналов соответственно.

Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические I₁ и I₂, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ). В БПИ осуществляется операция деления сигналов I₁ и I₂, что позволяет компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов. Для повышения чувствительности преобразования можно сформировать отношение разности сигналов I₁ и I₂ к их сумме.

Основная задача расчета оптической системы заключается в определении ряда конструктивных параметров, обеспечивающих эффективный ввод излучения из ПОВ 1 в OOB 3 и 4, максимальную глубину модуляции оптического сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения торцов OOB, минимальные габаритные размеры измерительного преобразователя. Исходными данными для расчета являются:

1) тип используемых оптических волокон, характеризующихся следующими справочными данными: апертурным углом θ_NA; радиусом сердцевины r_с (диаметром сердцевины d_c);

2) максимальное перемещение шторки вдоль оси Z;

3) дистанция формирования пучка L_Ф=d_C/2tgΘ_NA;

4. Местоположение плоскости А-А, в которой расположены приемные торцы OOB, где распределение освещенности равномерное.

В результате расчета должны быть определены следующие параметры: радиус отверстия в шторке R_O; расстояние от излучающего торца ПОВ до шторки l₁; расстояние от шторки до приемного торца OOB l₂; расстояние от излучающего торца ПОВ до приемного торца OOB L; толщина шторки t_шт.

Так как в конструкции датчика используется дифференциальная схема управления световым потоком, в которой при Z_i=0, когда центр изображения совпадает с осью приемных торцов OOB, открыты верхняя половина OOB первого измерительного канала и нижняя половина OOB второго измерительного канала. При этом для того, чтобы потоки Ф₁ и Ф₂, поступающие в OOB каждого канала, были равны, важно, чтобы поверхность шторки 2 и OOB 3 и 4 были освещены равномерно. Это достигается расположением шторки на расстоянии l₁>L_Ф и расположением OOB на расстоянии L>l₁+t_ШТ.

Из треугольника MNF (см. фиг.1)

Из треугольника ОВС:

Толщина шторки t_ШТ выбирается из следующих соображений: она должна быть как можно тоньше для уменьшения потерь светового потока, в то же время она должна быть надежной и не прогибаться при воздействии механических воздействий. Рекомендуемые значения толщины шторки 0,2...0,3 мм.

Из уравнения (2) расстояние от излучающего торца ПОВ до шторки l₁ определится следующим образом:

Наиболее оптимальное расположение OOB в плоскости А-А, когда изображение излучающего торца ПОВ будет представлять собой кольцо, площадью S_A-A. В нейтральном положении при Z_i=0 кольцо перекрывает сердцевины всех оптических волокон. Внутренний R_ВНУТ и внешний R_ВНЕШ радиусы кольца определяются следующими выражениями:

R_ВНУТ=d_OB-r_C,

R_ВНЕШ=d_OB+r_C,

Тогда

В качестве примера для расчета оптической системы датчика использованы параметры оптического волокна ТХО.735.123 ТУ: диаметр оптического волокна d_OB=500 мкм, d_c=200 мкм, апертурный угол θ_NA=12°. Толщина шторки выбрана t_ШТ=0,25 мм. В соответствии с графическим построением принято l₁=1,57 мм. В этом случае (сечение А-А) диаметр зоны 1 равен диаметру сердцевины d_c и освещенность зоны 2 равномерная.

Тогда R₀=(1,57+0,25)0,19=0,34 мм;

Существенной глубины модуляции оптического сигнала (до 30%) можно добиться, перемещая шторку вдоль оси Z вверх или вниз относительно OB приблизительно на 0,5d_c. Таким образом, при d_c=200 мкм перемещение по оси Z составит 100 мкм.

В предлагаемом ВОП перемещения модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перекрытия части светового потока перемещающимся непрозрачным экраном.

Функция преобразования Ф(Z) одного измерительного канала имеет вид:

где К_о - коэффициент, характеризующий распределение освещенности в зоне измерения;

K_шт(Z) - коэффициент передачи тракта "подводящее оптическое волокно ПОВ - шторка - отводящее оптическое волокно OOB";

Ф_о - начальный световой поток на выходе ПОВ.

Для целенаправленного управления поведением функции преобразования необходимо, чтобы коэффициент К_о был равен 1. Очевидно, что при К_о=1 поведение функции преобразования Ф(Z) будет оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта, то есть коэффициента К_шт(Z).

Расчетная схема измерительного преобразователя датчика при управлении световым потоком при помощи шторки с круглым отверстием, перемещающейся вдоль оси Z, представлена на фигуре 2.

При соосном расположении ПОВ и OOB

где n - количество OOB;

S_Zi - освещенная часть поперечного сечения сердцевины OOB;

S_c- площадь поперечного сечения сердцевины ОВ;

S_A-A - площадь поперечного сечения светового потока в плоскости А-А расположения приемных торцов OOB.

В соответствии с фиг.2:

S_A-A=(Ltgθ_NA+r_c)²,

где L - расстояние между излучающим торцом ПОВ и плоскостью, в которой расположены приемные торцы OOB, L=d_OB/tgθ_NA;

соответственно

то есть определяется параметрами выбранного оптического волокна.

Площадь сечения S_Z зависит от смещения шторки в направлении Z.

Найдем в качестве примера S_Z для ООВ3:

Площадь S_Z3 представляет собой сумму площадей двух круговых секторов S₁₃ и S₂₃, образованных взаимным пересечением двух окружностей: радиусом r_с, равным радиусу сердцевины ОВ и радиусом R_cn, равным радиусу светового потока, прошедшего через отверстие в шторке в плоскости расположения приемных торцов OOB. Причем

Расстояние L выбирается таким образом, чтобы световой поток в плоскости А-А полностью перекрывал торцы OOB в нейтральном положении шторки (при Z=0).

В соответствии с фиг. 2

Но

Соответственно

Тогда с учетом выражений (10)-(13) для S_Z3 получим:

По аналогии с S_Z3 находим S_Z1, имеем:

где i=1...n,

где n - количество отводящих оптических волокон.

Как видно из выражений (14), (15) они отличаются параметрами а_i.

Найдем параметры a_i. В качестве примера найдем а₃(I) третьего OOB первого измерительного канала ООВ3(I) (волокна расположены ваше оси Y).

Из треугольника А₃O₃(I)O_Z

где D₃=O₃(I)O_Z

Из треугольника O₂(I)O₃(I)O_Z

где Z_i - смещение шторки вдоль оси Z;

γ=360°/n

По аналогии с a₃ и D₃ находим а_i и D_i, где i=1...n, где n - количество отводящих оптических волокон, имеем:

В общем случае, когда имеется n OOB, расположенных на одинаковом расстоянии относительно оптической оси, расстояние D_i(I) первого измерительного канала для волокон, расположенных выше оси Y (см. фиг.2), рассчитывается по формуле (18), а для волокон второго измерительного канала, расположенных ниже оси Y - по формуле (19).

Для частного случая, когда имеем шесть OOB, расположенных на одинаковом расстоянии, относительно оптической оси (в центре расположено седьмое технологическое волокно, обеспечивающее симметричность конструкции кабеля), формулы (18) и (19) примут вид:

С учетом выражений (6)-(8), (19) выражение (5) для одного измерительного канала (например, первого) перепишется следующим образом:

где a_i, D_i определяются выражениями (17)-(19); R_cn - выражением (10).

Если сигналы с выхода OOB 3 и 4 поступают на приемники излучения, а затем на вычитающее устройство, то на его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный разности потоков излучения:

I˜(Ф₁-ΔФ)-(Ф₂+ΔФ)=2ΔФ.

Таким образом, (Ф₁-Ф₂)=f(Z). В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования и линеаризация выходной зависимости Ф=f(Z).

Если сигналы с выхода OOB поступают на делительное устройство, то на его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный отношению потоков излучения

I(Z)˜(Ф₁-ΔФ)/(Ф₂+ΔФ).

Таким образом, Ф_1i/Ф_2i=f(Z). В этом случае снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения.

При обработке сигналов ВОДД для улучшения метрологических характеристик целесообразно сформировать отношение (Ф₁-Ф₂)/(Ф₁+Ф₂). В этом случае наблюдается и удвоение чувствительности преобразования, и линеаризация выходной зависимости, и снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения и чувствительности приемника излучения. В этом случае на выходе датчика формируется сигнал, определяемый следующим выражением:

[I₁(P)-I₂(P)]/[I₁(P)+I₂(P)].

Пример конкретного применения волоконно-оптического преобразователя в волоконно-оптическом датчике давления приведен на фигуре 3.

Мембрана 1 жестко соединена со штуцером 2 (например, с помощью сварки) или является его частью. В центре мембраны жестко закреплена (например, с помощью сварки) шторка 3 с отверстием на расстояниях l₁ и l₂ относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 4 и приемных торцов отводящих оптических волокон OOB 5 первого и второго измерительных каналов соответственно. ПОВ 4 и OOB 5 жестко закреплены в корпусе 6. Юстировка волокон относительно отверстия в шторке 3 осуществляется с помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в процессе настройки датчика.

Датчик работает следующим образом (см. фиг.3). Часть светового потока Ф₀ источника излучения ИИ 8 по ПОВ 4 подается в зону измерения, проходит сквозь отверстие в шторке 3 на OOB 5. Под действием измеряемого давления Р мембрана 1 прогибается, соответственно смещается в направлении Z шторка 3. Часть оптического излучения Ф₁(Р) проходит через отверстие в шторке, поступает в OOB первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф₂(Р) - в OOB второго измерительного канала. По OOB 5 первого и второго измерительных каналов световые потоки направляются на ПИ 9 и ПИ 10 соответственно. Приемники излучения ПИ 9 и ПИ 10 преобразуют оптические сигналы Ф₁(Р) и Ф₂(Р) в электрические сигналы I₁(P) и I₂(P) соответственно, которые далее поступают на вход блока преобразования информации.

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.

Предложенная конструкция преобразователя обеспечивает дифференциальное управление световым потоком в зоне измерения, чем достигаются более линейная функция преобразования, более высокая точность измерения физических величин (давления, ускорения, силы, параметров вибрации и т.п.) в условиях воздействия внешних воздействующих факторов. Значительно снижается влияние на точность измерения неинформативных параметров внешней среды и изгибов волоконно-оптического кабеля, снижаются погрешности, обусловленные изменением мощности источников излучения, неточностью юстировки оптических волокон и шторки относительно друг друга, так как указанные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в обоих измерительных каналах, которые не влекут изменения их отношения.

Применение трех и более отводящих волокон и оптимальное расположение отдельных элементов оптического тракта относительно друг друга позволяет повысить чувствительность преобразования.

Волоконно-оптический преобразователь перемещений, содержащий соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, отличающийся тем, что расстояние между подводящими оптическими волокнами и шторкой определяется выражениями

l₁>d_c/2tgΘ_NA,

а расстояние между подводящими и отводящими оптическими волокнами определяется выражением

где d_c, d_0в, Θ_NA - диаметр сердцевины, внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно;

t_шт - толщина шторки;

R₀ - радиус отверстия в шторке,

в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки.