Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)



Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)
Способ измерения импульсного давления среды и устройство для его осуществления (варианты)

 


Владельцы патента RU 2497090:

Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)

Изобретение относится к области техники измерения импульсных давлений и может найти широкое применение при создании систем акустического мониторинга окружающей среды. В способе измерения импульсного давления для модуляции измерительного луча используют изменения оптической длины его пути в области измерений под действием возмущений давления при неизменности геометрических параметров - поперечного сечения и геометрической длины этого пути. Устройство состоит из источника света и фоторегистратора, которые соединены двухплечевым интерферометром. В измерительном плече интерферометра выполнен разрыв, ограничивающий зону измерений, открытый в среду, по которой распространяются измеряемые возмущения давления. Изобретение обеспечивает нечувствительность устройства к электромагнитным и механическим помехам и вибрациям. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к оптическим интерферометрическим способам измерения импульсных давлений, а также к устройствам для их осуществления и может найти применение при создании систем акустического мониторинга окружающей среды, акустических систем распознавания различных объектов, систем акустического контроля работы двигателей и различного технологического оборудования, в гидроакустике, аэродинамике.

Известны оптические интерферометрические способы измерения импульсных давлений, при которых регистрируются изменения картины интерференции измерительного и опорного лучей, обусловленные изменениями их разности хода, вызванными вариациями давления. Устройства, реализующие эти способы, содержат оптическую и инерционную механическую подсистемы. При этом оптическая подсистема строится на основе оптической схемы того или иного интерферометра. Механическую подсистему устанавливают в измерительное плечо интерферометра. Механическая инерционная подсистема под действием поступающих возмущений давления испытывает переменные упругие деформации. Это вызывает изменения геометрической и оптической длины пути измерительного луча, и сопровождается модуляцией разности фаз между измерительным и опорным лучами интерферометра и регистрируемыми сдвигами полос интерференции в поле фоторегистратора. В [1] оптическая подсистема построена по схеме интерферометра Майкельсона. В качестве инерционной подсистемы используется упругая, отражающая свет мембрана, которую устанавливают в измерительное плечо интерферометра. При поступлении сигнала мембрана деформируется, меняется форма ее отражающей поверхности, соответственно меняется геометрическая и оптическая длина пути луча в измерительном плече. Это приводит к регистрируемой модуляции разности фаз между измерительным и опорным лучами интерферометра. Устройство [1] нечувствительно к электромагнитным помехам, и хорошо работает в узкой области низких частот. Однако при приеме широкополосных сигналов неизбежны искажения в области высоких частот из-за резонаторных свойств мембраны. Ее инерционные свойства обусловливают чувствительность устройства к механическим помехам и вибрациям. В [2] в качестве основы оптической подсистемы используется двухзеркальный автоколлимационный интерферометр с газовым лазером в качестве источника света, а в качестве инерционной механической подсистемы используется акустический элемент в виде стержня. Этот стержень установлен в области измерительного луча интерферометра так, что его продольная ось отклонена от оптической оси лазера. Оба торца стержня плоскопараллельны и отполированы. Ближний к лазеру торец служит отражателем опорного луча. Дальний торец служит как отражателем измерительного луча, так и приемником возмущений давления. При поступлении импульса давления он вызывает смещение отражающего торца и продольную упругую деформацию стержня. При этом изменяется геометрическая и оптическая длина пути измерительного луча. За счет этого меняется фаза измерительного луча, отраженного от дальнего торца, который интерферирует с опорным лучом. Оба луча поворотным зеркалом направляются на фоторегистратор. Данное устройство нечувствительно к электромагнитным возмущениям. Оно также нечувствительно к вибрациям. Его недостаток в том, что длительность регистрируемого сигнала ограничена временем распространения упругого возмущения в стержне. Сигнал большей длительности забивается помехами, обусловленными его отражениями внутри стержня от торцов. Кроме того, стержень обладает резонаторными свойствами, что приводит к искажению спектра регистрируемого сигнала в низкочастотной области. Эти недостатки обусловлены резонаторными и инерционными свойствами принимающих измеряемые импульсные давления механических инерционных подсистем.

Задачей изобретения является обеспечение возможности измерения и регистрации импульсов давлений, а также акустических сигналов произвольной длительности и различного спектрального состава без искажений по амплитуде и спектру в оптически прозрачных средах при условии нечувствительности к вибрациям и электромагнитным помехам.

Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемом способе измерения импульсного давления среды, включающем модуляцию характеристик регистрирующего излучения под действием импульса давления, для модуляции оптической длины пути регистрирующего излучения используют изменения показателя преломления среды под действием возмущений давления в области измерительного луча. При этом, в противоположность известным оптическим интерферометрическим способам измерения давления, в процессе измерений геометрические параметры измерительного луча не изменяются.

Для осуществления этого способа предлагается устройство в двух вариантах. В первом из них устройство содержит источник света и фотоприемник, которые соединены двухплечевым волоконным интерферометром. Во втором варианте используют двухплечевой волоконный поляризационный интерферометр, выполненный так, что измерительный и опорный лучи характеризуются круговой поляризацией в противоположных направлениях. На вход интерферометра подают циркулярно поляризованный свет. На выходе интерферометра оба луча соединяются, и суммарное излучение характеризуется линейной поляризацией. Прежде, чем попасть в фотоприемник, суммарное излучение проходит через анализатор, определяющий поворот плоскости поляризации. В первом и во втором варианте измерительное плечо интерферометра выполнено с открытым в исследуемую оптически прозрачную среду разрывом, края которого скрепляют, как одно целое. Через этот разрыв беспрепятственно проходят поступающие возмущения давления, которые требуется измерить. Возмущения давления обусловливают изменения показателя преломления среды, благодаря чему, при их прохождении через указанный разрыв осуществляется безинерционная модуляция оптической длины пути измерительного луча. При этом в процессе измерений геометрические параметры измерительного луча не меняются. Это обеспечивается тем, что края разрыва закрепляют, как одно целое, чем также обеспечивается нечувствительность к вибрациям. Геометрическая длина пути измерительного луча может изменяться только в процессе настройки. В первом варианте изменения оптической длины пути измерительного луча под действием возмущений давления сопровождаются регистрируемой модуляцией разности фаз между измерительным и опорным лучами. Во втором - эти изменения сопровождаются поворотами плоскости поляризации суммарного излучения, которые в фотоприемнике регистрируются, как изменения интенсивности.

Вариант первый. Устройство для осуществления способа измерения импульсного давления содержит источник излучения и фотоприемник, соединенные двухплечевым волоконным интерферометром с краями открытого в среду с возмущениями давления разрыва измерительного плеча, закрепленными в жестком корпусе (в дальнейшем называется приемным) с пропускающим регистрируемые возмущения окном, в котором модулятором разности фаз между опорным и измерительным лучами служит среда между краями разрыва. Этот корпус ограничивает зону измерений. В нем закреплены, как одно целое, края разрыва волоконного канала измерительного плеча так, чтобы измерительный луч проходил поперек пропускного окна. Приемный корпус может быть выполнен однопроходным - в нем измерительное излучение проходит один раз, либо многопроходным - излучение в нем проходит более одного раза. В опорное плечо интерферометра может быть вставлен вспомогательный корпус, такой же, как приемный корпус в измерительном плече, но закрытый от воздействий возмущений давления. Возмущения давления изменяют показатель преломления среды и при прохождении сквозь пропускное окно вызывают изменения оптической длины пути измерительного луча. Это сопровождается регистрируемой модуляцией разности фаз между опорным и измерительным лучом интерферометра. При этом геометрическая длина пути измерительного луча не меняется.

Вариант второй. Устройство для осуществления способа измерения импульсного давления содержит источник излучения и фотоприемник, соединенные двухплечевым волоконным поляризационным интерферометром с краями открытого в среду с возмущениями давления разрыва измерительного плеча, закрепленными в приемном корпусе с пропускающим регистрируемые возмущения окном, в котором модулятором угла поворота плоскости поляризации суперпозиции опорного и измерительного лучей служит среда между краями разрыва. Интерферометр выполнен так, что по обоим его плечам распространяется циркулярно поляризованное излучение с противоположными направлениями циркуляции. Перед входом в фоторегистратор световые потоки двух плеч соединяются, и суммарное излучение оказывается плоскополяризованным. Угол поворота плоскости поляризации результирующего излучения зависит от разности фаз между измерительным и опорным лучами. Под воздействием поступающих импульсов давления, беспрепятственно проходящих через разрыв измерительного плеча интерферометра, меняется показатель преломления среды. Соответственно этому меняется оптическая длина пути измерительного луча в зоне измерений, меняется разность фаз между измерительным и опорным лучами и угол поворота плоскости поляризации суммарного излучения. При этом геометрическая длина пути измерительного луча не меняется. Таким образом осуществляется безинерционная модуляция угла поворота плоскости поляризации суммарного излучения. Эта модуляция регистрируется фотоприемником, как вариации интенсивности излучения.

В измерительное плечо может быть вставлен указанный выше приемный корпус, в котором зафиксирован, как одно целое, разрыв волоконного канала интерферометра. В опорное плечо интерферометра может быть вставлен вспомогательный корпус, такой же, как приемный корпус в измерительном плече, но закрытый от воздействий исследуемого возмущения давления.

Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении возможности измерения быстропеременных импульсов давления произвольной длительности с широкополосным спектром без искажений по амплитуде и спектру, в нечувствительности к вибрациям и электромагнитным помехам, в упрощении конструкции устройства для осуществления измерений импульсного давления, поскольку изымается из его состава механическая инерционная подсистема, в повышении его жесткости и устойчивости по отношению к внешним воздействиям.

Указанный результат достигается тем, что регистрируемая модуляция оптической длины пути измерительного излучения в устройстве осуществляется при прохождении возмущений давления через открытый разрыв измерительного плеча интерферометра за счет обусловленного ими изменения показателя преломления среды. Причем, края разрыва жестко закрепляют, как одно целое, так, что их движение под влиянием измеряемого возмущения давления или вибраций не оказывает влияния на геометрические параметры измерительного луча и на процесс измерения. Этим обеспечивается также нечувствительность предлагаемого устройства к механическим помехам и вибрациям.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 1 заявленное устройство с цельным однопроходным приемным корпусом, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с фазовой модуляцией;

на фиг.2 изображен во фронтальной плоскости приемный корпус с зеркальным блоком с четной кратностью отражений измерительного луча, используемый в заявленных устройствах вариантов 1, 2;

на фиг.3 изображен во фронтальной плоскости составной однопроходной приемный корпус, используемый в заявленных устройствах вариантов 1, 2;

на фиг.4 изображен во фронтальной плоскости составной трехпроходный приемный корпус с двумя уголковыми отражателями, используемый в заявленных устройствах вариантов 1, 2;

на фиг.5 изображено относящееся к варианту 1 заявленное устройство, в котором в обоих плечах интерферометра используются одинаковые зеркальные блоки с четным числом отражений или одинаковые составные корпуса с четным числом уголковых отражателей, или одинаковые цельные однопроходные корпуса;

на фиг.6 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 1 заявленное устройство с цельным двухпроходным приемным корпусом, содержащим зеркальный элемент, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с фазовой модуляцией;

на фиг.7 изображен во фронтальной плоскости приемный корпус с зеркальным блоком с нечетной кратностью отражений, используемый в заявленных устройствах вариантов 1, 2;

на фиг.8 изображен во фронтальной плоскости составной четырехпроходный приемный корпус с тремя уголковыми отражателями, используемый в составе заявленного устройства варианта 1;

на фиг.9 изображено относящееся к варианту 1 заявленное устройство, в котором в обоих плечах интерферометра используются одинаковые зеркальные блоки с нечетной кратностью отражений или одинаковые составные корпуса с нечетным числом уголковых отражателей, или цельные двухпроходные корпуса;

на фиг.10 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 2 заявленное устройство с цельным однопроходным приемным корпусом, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с поляризационной модуляцией;

на фиг.11 изображено относящееся к варианту 2 заявленное устройство, в котором в обоих плечах интерферометра используются одинаковые зеркальные блоки с четной кратностью отражений или одинаковые составные корпуса с четным числом уголковых отражателей, или одинаковые цельные однопроходные корпуса;

на фиг.12 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 2 заявленное устройство с цельным двухпроходным приемным корпусом, содержащим зеркальный элемент, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с поляризационной модуляцией;

на фиг.13 изображено во фронтальной плоскости относящееся к варианту 2 заявленное устройство с составным четырехпроходным приемный корпусом с тремя уголковыми отражателями, собранным в измерительном плече волоконного интерферометра с поляризационной модуляцией;

на фиг.14 изображено относящееся к варианту 2 заявленное устройство, в котором в обоих плечах интерферометра используются одинаковые зеркальные блоки с нечетной кратностью отражений или одинаковые составные корпуса с нечетным числом уголковых отражателей, или одинаковы цельные двухпроходные корпуса;

на фиг.15 изображена схема измерения импульсного давления с помощью предлагаемого устройства.

На чертежах не показаны вспомогательные устройства - коллиматоры для ввода излучения в волокно и компенсаторы для компенсации разности хода лучей в плечах интерферометров при отсутствии возмущений давления.

Вариант 1. Основу всех разновидностей устройства по данному варианту составляет двухплечевой волоконный интерферометр, собранный по схеме интерферометра Маха-Цендера, соединяющий источник света 1 и фотоприемник 2 (фиг.1, 5, 6, 9). Измерительное плечо интерферометра образовано волокнами 3 и 4. Их торцы закреплены в кольцеобразном приемном корпусе 5, пропускное окно 6 которого ограничивает зону измерений. Опорное плечо интерферометра образовано волокном 7. Разветвители 8 и 9 типа 1×2 соединяют оба плеча. В качестве светоделителя используется разветвитель 8, на который подается когерентное излучение от источника 1. На выходе интерферометра для соединения измерительного и опорного лучей используется разветвитель 9. Разновидности устройства различаются компоновкой - источник света 1 и фотоприемник 2 могут располагаться по разные стороны зоны измерений (фиг.1, 5) или по одну сторону (фиг.6, 9). Различаются они также конструкциями применяемых приемных корпусов, устанавливаемых в измерительное плечо и конструкциями корпусов, устанавливаемых в опорное плечо.

В измерительное плечо интерферометра вставлен приемный корпус, который выполнен однопроходным (фиг.1). В окно 6 кольцеобразного приемного корпуса может быть вставлен зеркальный блок 10 (фиг.2) цилиндрической формы с открытыми торцами для пропускания регистрируемого возмущения давления. Его внутренность используется как пропускное окно. Зеркальный блок 10 выполнен с двумя отражающими элементами - плоскопараллельными зеркальными пластинками 11 и 12, установленными так, что их отражающие поверхности параллельны его оси (фиг.2). Они могут быть установлены так, что их отражающие поверхности равноудалены от оси блока, как это показано на фиг.2, хотя и не обязательно. Зеркальные пластинки выполнены из материала, обладающего максимальным коэффициентом отражения для используемого излучения. Зеркальный блок, показанный на фиг.2, установлен так, что обеспечивает четное число отражений регистрирующего излучения в нем. Он служит для регулирования числа проходов и длины геометрического пути измерительного луча без изменения размера зоны измерений и может быть установлен с возможностью поворота вокруг продольной оси. В этом случае источник света 1 и фотоприемник 2 располагаются по разные стороны от приемного корпуса. С целью регулирования размера зоны измерений и геометрической длины пути измерительного луча в ней приемный корпус выполнен составным без отражателей (см. фиг.3), состоящим из неподвижной части 5 и подвижной 13, которая может смещаться по направлению луча так, что изменяется размер пропускного окна 6 прямоугольной формы. В рабочем положении обе части фиксируются, как одно целое. Подводящее волокно 3 закреплено в стенке части 5, а отводящее 4 в подвижной части 13 (или наоборот) таким образом, что излучение, выходящее из торца волокна 3, после прохождения через окно 6 попадает в торец волокна 4. Для увеличения геометрической длины пути луча в нем составной корпус выполняют многопроходным. Такой корпус показан на фиг.4. Трехкратное прохождение измерительного луча в нем обеспечивается двумя уголковыми отражателями 14, один из которых установлен в стенке неподвижной части 5, а другой - в стенке подвижной части 13 так, что луч, выходящий из торца подводящего волокна 3, после всех отражений попадает в торец отводящего волокна 4. Все проходы луча совершаются по направлениям, параллельным боковым стенкам части 5, вдоль которых возможно перемещение части 13. От такой замены конфигурация устройства, показанная на фиг.1, не изменяется.

В опорном плече интерферометра, образованном волокнами 15 и 16 (фиг.5) установлен вспомогательный корпус, идентичный по числу отражений и геометрической длине луча приемному в измерительном плече. Этот второй корпус содержит полость 17, такого же размера, что и пропускное окно 6 приемного корпуса. При этом полость 17 закрыта с торцов так, чтобы исключить влияние поступающих возмущений давления на часть среды, заключенную в ней. Полость 17 на фиг.5 показана пунктиром. В ней среда находится в тех же условиях что и внешняя среда - при той же температуре, влажности и том же значении равновесного давления. В окно 6 и полость 17 могут быть вставлены одинаковые зеркальные блоки, подобные показанному на фиг.2, так, что длины геометрических путей лучей в них одинаковы. В составе данного устройства применяют также составные корпуса с нечетным числом проходов лучей в них, подобные показанным на фиг.3, 4. Они устанавливаются так, что длины геометрических путей лучей в них одинаковы. Таким путем достигается лучшее исходное фазовое равновесие обоих плеч интерферометра. Оба корпуса устройства могут быть выполнены, как одно целое, как это показано на фиг.5. Но они могут быть пространственно разделены. При этом корпус опорного плеча может быть сориентирован ребром навстречу возмущениям для уменьшения влияния их на оптические свойства среды внутри его.

В измерительном плече интерферометра устройства установлен приемный кольцеобразный корпус 5 с пропускным окном 6 радиуса R и отражательным элементом 18 (фиг.6). Торцы подводящего волокна 3 и отводящего 4 в этом случае закрепляют с одной стороны корпуса 5 так, что луч, выходящий из торца волокна 3 после отражения от элемента 18 попадает в торец отводящего волокна 4. В этом случае источник излучения 1 и фоторегистратор располагаются по одну сторону от приемного корпуса. Такая конфигурация позволяет создать более компактное устройство.

В окно 6 корпуса 5 вместо одного отражательного элемента вставлен зеркальный блок 10, показанный на фиг.7. Он идентичен блоку, показанному на фиг.2, но установлен так, что обеспечивает нечетное число отражений измерительного луча в нем. При этом общая конфигурация устройства, показанная на фиг.5, не изменится. В корпусе 5 с одной стороны пропускного окна 6 закреплены торцы подводящего 3 и отводящего 4 волокон измерительного плеча. С целью регулирования в процессе эксплуатации кратности отражений и геометрической длины пути луча в блоке его устанавливают с возможностью поворота в корпусе 5 вокруг продольной оси. В составе устройства данной конфигурации с целью регулирования размера зоны измерений и геометрической длины пути измерительного луча используют составной корпус, выполненный многопроходным с четным числом проходов измерительного луча в нем. Такой четырехпроходной корпус с прямоугольным пропускным окном 6, состоящий из неподвижной части 5 и подвижной 13, показан на фиг.8. Четырехкратное прохождение измерительного луча обеспечивают три уголковых отражателя 14, один из которых установлен в стенке неподвижной части 5, а два других в стенке подвижной части 13 так, что измерительный луч, выходящий из торца подводящего волокна 3 после всех отражений попадает в торец отводящего волокна 4. Волокна 3 и 4 закреплены в стенке неподвижной части корпуса 5. Все проходы луча совершаются по направлениям, параллельным боковым стенкам части 5, вдоль которых возможно перемещение части 13. В рабочем положении части 13 и 5 фиксируются, как одно целое.

Наряду с приемным корпусом в измерительном плече в опорном плече интерферометра установлен идентичный ему по длине геометрического пути луча вспомогательный корпус (фиг.9). Этот второй корпус содержит полость 17, такого же размера, что и пропускное окно 6. При этом полость 17 закрыта с торцов так, чтобы исключить влияние поступающих возмущений давления на часть среды, заключенную в нем. Полость 17 на фиг.11 показана пунктиром. В ней среда находится в тех же условиях что и внешняя среда - при той же температуре, влажности и том же значении равновесного давления. В окно 6 и полость 17 могут быть вставлены одинаковые зеркальные элементы, как на фиг.6, а также зеркальные блоки с нечетным числом отражений, подобные показанному на фиг.7. В качестве корпусов могут быть применены составные корпуса с четным числом проходов лучей в них, подобные показанному на фиг.8. И зеркальные блоки, и составные корпуса должны быть установлены так, чтобы длины геометрических путей лучей в них в обоих плечах интерферометра были одинаковы. Применением вспомогательного корпуса достигается лучшее исходное фазовое равновесие обоих плеч интерферометра. Оба корпуса на фиг.9 изображены, как одно целое, хотя они могут быть разделены и пространственно разнесены. Корпус опорного плеча может быть сориентирован ребром навстречу возмущениям для уменьшения влияния их на оптические свойства среды внутри его. При таких заменах общая конфигурация устройства, показанная на фиг.9, остается без изменений.

Вариант 2. Устройство по данному варианту включает двухплечевой волоконный поляризационный интерферометр, собранный по схеме интерферометра Маха-Цендера, соединяющий источник излучения 1 и фотоприемник 2 (фиг.10-13). Для получения циркулярно поляризованного излучения на выходе источника излучения 1 установлены поляризатор 19 и четвертьволновая пластинка 20 (фиг.10-13). Для разделения потока излучения между измерительным и опорным плечами используют светоделитель, в качестве которого применяют либо разветвитель 8 типа 1×2 (фиг.12), либо полупрозрачное зеркало 21 (фиг.10, 11, 13, 14). При каждом отражении направления циркулярной поляризации сменяется на противоположное. Устройство выполнено так, чтобы разница числа отражений измерительного и опорного луче была нечетной, благодаря чему измерительный и опорный лучи на выходе из интерферометра поляризованы по кругу в противоположных направлениях. Плечи интерферометра соединены разветвителем 9 типа 1×2, в котором соединяются измерительный и опорный лучи. Поскольку эти лучи поляризованы по кругу в противоположных направлениях, суммарное излучение поляризовано линейно. На выходе интерферометра установлен анализатор 22, определяющий поворот плоскости поляризации суммарного луча. Разновидности устройства данного варианта различаются конструкцией приемных корпусов, устанавливаемых в разрыве измерительного плеча интерферометра и общей конфигурацией - источник света 1 и фотоприемник 2 могут располагаться по разные стороны от приемного корпуса (фиг.10), либо по одну сторону (фиг.12, 13).

Устройство, показанное на фиг.10 характеризуется тем, что в измерительное плечо интерферометра установлен однопроходной приемный корпус 5 с пропускным окном 6. Источник света 1 и фотоприемник 2 расположены по обе стороны от него. В этот корпус с целью увеличения геометрической длины пути измерительного луча в зоне измерений вставляют зеркальный блок с четным числом отражений (см. фиг.2) и, соответственно, нечетным числом проходов измерительного луча в нем. Для регулирования кратности отражений и геометрической длины пути луча в этом блоке в процессе эксплуатации его устанавливают с возможностью поворота вокруг продольной оси. Приемный корпус может также быть выполнен составным без отражателей (см. фиг.3) либо с четным числом уголковых отражателей 14 в нем и нечетным числом проходов измерительного луча в нем аналогично корпусу, показанному на фиг.4. От такой замены конфигурация устройства не изменяется.

На фиг.11 показано устройство, в опорном плече интерферометра которого установлен вспомогательный корпус, идентичный по кратности отражений и по геометрической длине луча в нем приемному корпусу, установленному в измерительном плече. Этот второй корпус содержит полость 17, такого же размера, что и пропускное окно 6 приемного корпуса. При этом полость 17 закрыта с торцов так, чтобы исключить влияние поступающих возмущений давления на часть среды, заключенную в нем. Полость 17 на фиг.11 показана пунктиром. В ней среда находится в тех же равновесных условиях, что и внешняя среда - при той же температуре, влажности и при том же значении равновесного давления. Применением этого корпуса достигается лучшее исходное фазовое равновесие обоих плеч интерферометра. Волокно 15 служит для подвода излучения к нему. Прошедшее через него излучение попадает в торец отводящего волокна 16. Корпус опорного плеча может быть сориентирован ребром навстречу возмущениям для уменьшения влияния их на оптические свойства среды внутри его. При данной конфигурации устройства в два плеча могут быть вставлены одинаковые однопроходные корпуса (см. фиг.1). В них могут быть вставлены одинаковые зеркальные блоки с четным числом отражений (см. фиг.2). Могут также быть применены одинаковые составные корпуса с нечетным числом проходов луча, подобные показанным на фиг.3, 4. При этом пропускное окно 6 и полость 17 имеют форму в виде прямоугольника. И зеркальные блоки, и составные корпуса устанавливаются так, что длины геометрических путей и кратности отражений лучей в них в обоих плечах интерферометра были одинаковы. Поэтому здесь в качестве светоделителя используют полупрозрачное зеркало 21. Этим обеспечивается различие на единицу кратностей отражений измерительного и опорного лучей, благодаря чему они на выходе из интерферометра циркулярно поляризованы в противоположных направлениях, и суммарное излучение линейно поляризовано.

В измерительное плечо для удвоения геометрической длины пути луча устанавливают цельный кольцеобразный приемный двухпроходной корпус 5 с пропускным окном 6 и отражательным элементом 18 (фиг.12). В корпусе закреплены торцы подводящего волокна 3 и отводящего 4 на одной стороне пропускного окна так, что измерительный луч, выходящий из торца волокна 3, отражается от элемента 18 и попадает в торец волокна 4. В корпус 5 с целью увеличения геометрической длины пути луча в зоне измерений без увеличения ее размера вставляют зеркальный блок так, что он обеспечивает нечетное число отражений измерительного луча в нем (см. фиг.7), если это требуется, то и с возможностью поворота вокруг продольной оси. Это позволяет регулировать в процессе эксплуатации геометрическую длину пути измерительного луча в измерительной зоне без изменения ее размеров, а также кратность его отражений в блоке. Волокно 7 является опорным плечом интерферометра. В качестве светоделителя используется разветвитель 8. Опорный луч не претерпевает отражений. Измерительный луч претерпевает либо одно отражение от элемента 18 (фиг.12), либо нечетное число отражений, если используется зеркальный блок, показанный на фиг.7. Благодаря этому измерительный и опорный лучи на выходе из интерферометра циркулярно-поляризованы в противоположных направлениях. Разветвитель 9 соединяет измерительный луч с опорным, и суммарное излучение поляризовано линейно.

В измерительное плечо интерферометра с целью регулирования размера зоны измерений и геометрической длины пути луча в ней устанавливают четнопроходной составной корпус. Пример такого устройства с четырехпроходным составным приемным корпусом 5 с подвижной частью 13 и пропускным окном 6 показан на фиг.13. Три уголковых отражателя 14, один из которых установлен в стенке корпуса 15, а два других в стенке части 13, обеспечивают четырехкратное прохождение и шестикратное отражение измерительного луча в нем. Поэтому в качестве светоделителя здесь используют полупрозрачное зеркало 21, в котором однократное отражение претерпевает опорный луч. В результате этот луч поляризован по кругу в направлении, противоположном направлению поляризации измерительного луча. Опорный луч подается через волокно 7 опорного плеча на разветвитель 9, где соединяется с измерительным лучом. Далее суммарное плоскополяризованное излучение подается на анализатор 22 и на фоторегистратор 2.

Разновидность устройства, показанная на фиг.14, отличается тем, что в опорном плече интерферометра установлен вспомогательный корпус, идентичный по числу отражений и геометрической длине луча в нем приемному корпусу в измерительном плече. Этот второй корпус содержит полость 17 (изображена штриховой линией), такого же размера, что и пропускное окно 6. При этом полость 17 закрыта с торцов так, чтобы исключить влияние поступающих возмущений давления на часть среды, заключенную в нем. Полость 17 на фиг.13 показана пунктиром. В ней среда находится в тех же условиях что и внешняя среда - при той же температуре, влажности и том же значении равновесного давления. Применением этого корпуса достигается лучшее исходное фазовое равновесие обоих плеч интерферометра. К нему излучение подводится посредством подводящего волокна 15. Прошедшее через него излучение попадает в торец отводящего волокна 16, соединенного с разветвителем 9. Корпус опорного плеча может быть сориентирован ребром навстречу возмущениям для уменьшения влияния их на оптические свойства среды внутри его. При данной конфигурации устройства в два плеча могут быть вставлены корпуса с одним отражательным элементом (см. фиг.12) или корпус с зеркальным блоком с нечетным числом отражений (см. фиг.7), или составные корпуса с четным числом проходов луча, подобные показанному на фиг.8. И зеркальные блоки, и составные корпуса устанавливаются так, что длины геометрических путей и кратности отражений лучей в них в двух плечах интерферометра были одинаковы. В качестве светоделителя здесь используется полупрозрачное зеркало 21. Этим обеспечивается различие на единицу кратностей отражений измерительного и опорного лучей, благодаря чему они на выходе из интерферометра циркулярно поляризованы в противоположных направлениях. А суммарное излучение характеризуется линейной поляризацией.

Измерение импульсного давления с помощью предлагаемого устройства поясняется фиг.15. Здесь 5 - приемный корпус в поперечном разрезе с пропускным окном 6 диаметром 2R. Размер зоны измерений l=2R. 3 - подводящее волокно, 4 - отводящее волокно. Тремя параллельными стрелками показано направления распространения измеряемых возмущений давления. Дуга 23 обозначает фронт поступающего возмущения давления от точечного источника, от которого приемный корпус расположен на расстоянии Rf. Соответственно, радиус фронта возмущения также равен Rf. Расходящиеся пунктирные линии обозначают расходящийся пучок света 24, выходящий из торца подводящего волновода 3. Угол Ψ характеризует расходимость пучка. Сплошные параллельные линии 25 и 26, расстояние между которьми равно d (диаметр сердцевины волокна 4) ограничивают часть пучка, поступающую в фотоприемник. Величина d характеризует разрешающую способность устройства во времени. Шаг по времени, с которым устройство прописывает временной профиль возмущения, ограничен соотношением:

Δ t d C ,

где С - скорость звука в среде.

Если, например, средой является воздух при нормальных условиях и С=360 м/с, а d=0,2 мм, то Δt≥5,5·10-7 с.

В рабочее положение приемный корпус 5 устройства устанавливают таким образом, чтобы точки фронта одновременно достигали периметра пропускного окна радиуса R. Если же фронт плоский или Rf>>R, то приемный корпус устанавливают так, что плоскость его пропускного окна параллельна плоскости фронта. Если же источник возмущения вытянут вдоль некоторой оси и форма фронта возмущений близка к цилиндрической и не применяется зеркальный блок, то форма пропускного окна может быть в виде прямоугольной щели с осью, совпадающей с осью проходящего через окно пучка света. В этом случае в рабочее положение приемный корпус устанавливают так, что оптическая ось окна параллельна оси источника возмущений. При наличии зеркального блока в рабочее положение приемный корпус устанавливают, как в предыдущих случаях. Если фронт поступающего возмущения плоский, то удаление r0 приемного корпуса от источника возмущения не влияет на точность измерений амплитуды, и его можно устанавливать на любом удалении, до которого доходят регистрируемые возмущения. Если же фронт возмущения характеризуется конечным радиусом кривизны, то погрешность устройства зависит от его удаления от источника возмущения. С увеличением удаления фронт возмущения приближается к плоскому, и погрешность измерений амплитуды возмущения уменьшается., По мере приближения к источнику возмущения эта погрешность растет. Граничный случай наступает, когда фронт одновременно достигает трех точек - краев линии 25 и середины линии 26, расстояние между которыми равно d. Этот случай показан на фиг.15. Граничное значение R0 удаления r0 определяется соотношением:

R 0 = R 2 d 2 d . ( 1 )

В случае составного приемного корпуса с прямоугольным пропускным окном (см. фиг.3, 4, 8) в качестве R можно использовать радиус окружности, вписанной в пропускное окно. При r0<R0 результаты измерения амплитуды возмущения сильно искажены, хотя результаты по спектральному составу могут быть правильными. Поэтому приемный корпус устройства следует устанавливать так, чтобы его расстояние от локального источника возмущения давления удовлетворяло условию r0≥R0. Если, например, размер пропускного окна или расстояние между торцом подводящего волновода 3 и торцом отводящего волновода 4 равно 2R=5 мм, а d=0,2 мм, то из (1) получается граничное значение удаления R0=124,8 мм. Применение одного отражательного элемента (фиг.6, 12) обеспечивает увеличение в два раза геометрического пути луча в нем. Это позволяет размер пропускного окна и соответственно поперечный размер приемного корпуса датчика уменьшить вдвое при тех же возможностях регистрации. Тогда при 2R=2,5 мм и d=0,2 мм граничное значение удаления согласно (1) R0=31,05 мм. Размер пропускного окна без зеркального блока выбирают из соотношения:

R 0,5 L e , ( 2 )

где Le - толщина слоя исследуемой среды, в котором интенсивность плоской волны рабочего излучения за счет изменения давления ослабляется в е=2,73 раза.

При наличии зеркального блока, если кратность отражений измерительного излучения в нем равна J, вместо (2) используют соотношение:

R 0.5 L e J + 1 . ( 3 )

Соотношение (3) показывает, что применение зеркального блока позволяет размер приемного корпуса устройства уменьшить в несколько раз и тем самым повысить его жесткость и помехоустойчивость.

Если приемный корпус устройства располагается на вибрирующем основании, то эти вибрации не приводят ни к изменению оптических свойств среды, ни к заметным изменениям геометрической и оптической длины пути рабочего излучения в его пропускном окне. Поэтому они не оказывают влияния на условия регистрации возмущений давления. Сами регистрируемые возмущения давления поступают в направлении продольной оси корпуса, и, проходя сквозь пропускное окно, могут вызвать смещения корпуса вдоль его оси. Но и эти смещения и колебания корпуса также не влияют на условия регистрации, обусловленной изменениями оптических свойств среды, вызванными вариациями давления в ней. Тем самым обеспечивается нечувствительность устройства к механическим помехам и вибрациям.

Если источник возмущений давления локальный, то четкость, с которой посредством предлагаемого устройства прописывается временной профиль сигнала, зависит от ориентации приемного корпуса устройства. Эта четкость максимальна, если продольная ось пропускного окна 6 точно ориентирована на источник возмущений. Т.е. предлагаемое устройство позволяет пеленговать локальный источник возмущений давления или звука.

Практически все известные оптически прозрачные среды характеризуются зависимостью показателя преломления от давления. Поэтому предлагаемый способ позволяет проводить регистрацию возмущений давления в средах различного агрегатного состояния - в газах, жидкостях и твердых телах. При этом источник света подбирают таким образом, чтобы исследуемая среда была прозрачной для его излучения. Для регистрации возмущений в газах или жидкостях приемный корпус закрепляют в погруженном состоянии. При исследовании твердого материала его оформляют в виде стержня с поперечным сечением, соответствующим форме пропускного окна, куда его вставляют в направлении продольной оси. Стержень должен быть достаточно длинным, чтобы время прихода отраженного сигнала в нем превышало длительность регистрируемого возмущения.

В изотропных средах оптическая длина пути определяется известным соотношением:

D = n L (4)

где n - показатель преломления, L - геометрическая длина пути луча в этой среде.

При пересечении волнами возмущения давления промежутка между торцами подводящего волокна 3 и отводящего 4 (фиг.15) между измерительным и опорным лучами интерферометра появляется разность фаз, которая описывается зависимостью:

± Δ ϑ ( P ) = ± 2 π λ 0 δ D ( P ) + ϑ 0 , ( 5 )

где λ0 - длина волны излучения в вакууме, δD(P)=δn(P)·L - вариация длины оптического пути луча в измерительном плече интерферометра, ϑ0 - исходная разность фаз между измерительным и опорным лучами, когда давления равно равновесному значению.

Соотношение (5) лежит в основе работы двух вариантов предлагаемого устройства.

В случае второго варианта устройства измерительный и опорный лучи интерферометра циркулярно-поляризованы в противоположных направлениях. В результате их сложения получается плоскополяризованный луч, поворот плоскости поляризации которого определяется разностью фаз (5) между суммируемыми лучами.

Устройство по варианту 1 работает следующим образом. Вариации давления в среде приводят к вариациям ее плотности и показателя преломления. Когда возмущение давления проходит сквозь зазор между торцами подводящего и отводящего волокон измерительного плеча интерферометра, это приводит к вариациям оптической длины пути измерительного луча в зазоре. Далее этот луч попадает в разветвитель 9, в котором интерферирует с опорным лучом, проходящим через волокно 7 опорного плеча интерферометра. Вызванные возмущениями давления вариации длины оптического пути измерительного луча приводят к вариациям сдвига интерференционных полос. Суммарное излучение попадает через отводящее волокно 4 в фоторегистратор 2, где регистрируются вызванные изменениями давления вариации сдвигов интерференционных полос.

Применение зеркального блока позволяет без изменения размера зоны измерений увеличить геометрическую длину пути измерительного луча, регулировать ее, а также глубину модуляции и чувствительность устройства. Зеркальный блок содержит открытый с торцов цилиндрический блок с круговым основанием радиуса R. Высота его боковой стенки m<<R. Внутри его установлены две плоскопараллельные зеркальные пластинки 11 и 12 (фиг.2, 7), в плане основания блока представляющие собой две параллельные хорды одинаковой длины, расстояние между которыми равно Н. Далее рассмотрение пути луча в зеркальном блоке проводится в декартовой системе координат, начало которой лежит на оси блока. Ось Х направлена вправо, а ось Y направлена по вертикали (фиг.2, 7). Пусть блок повернут на угол φ против часовой стрелки. Входящий луч входит в блок параллельно оси X, как показано на фиг.2, 7 и падает под углом φ на зеркало 12. Затем он отражается от зеркала 12, отражается от зеркала 11 и выходит из блока параллельно входящему лучу (фиг.2). Либо он последний раз отражается от зеркала 12 и выходит из блока в ту же сторону, откуда приходит входящий луч (фиг.7). Число таких отражений в случае блока на фиг.2 четно, на фиг.7 нечетно, и зависит от угла поворота φ. Путем простых аналитических вычислений получено приведенное ниже соотношение для геометрической длины пути измерительного луча в зеркальном блоке:

L = J H cos ( ϕ ) 2 Y p 1 t g ( ϕ ) + 2 R 2 Y p 1 2 . ( 6 )

Здесь Yp1 - прицельный параметр входного луча (расстояние от него до оси блока).

В процессе измерений пучок света от источника 1 в разветвителе 8 (см. фиг.1, 5, 6, 8, 9) разделяется между опорным и измерительным плечами интерферометра. Часть пучка, попавшая в опорное плечо, проходит через волоконный волновод 7 опорного плеча (см. фиг.1, 6), либо через подводящее волокно 15, через вспомогательный корпус опорного плеча, через отводящее волокно 16 (см. фиг.5, 9) на разветвитель 9. Часть пучка, попавшая в измерительное плечо, проходит через подводящее волокно 3, через пропускное окно 6, попадает в отводящее волокно 4 и на разветвитель 9, где соединяется с пучком опорного плеча. Если сквозь окно 6 проходит возмущение давления, то изменяется показатель преломления на величину ±δn(Р), обусловленную изменением давления относительно равновесного значения. Согласно (6) при этом изменяется оптическая длина пути измерительного луча в пропускном окне на величину δD(P)=±δn(P)·L. Тогда между измерительным и опорным лучами появляется разность фаз, которая определяется соотношением (7). При этом L=2R, если не применяется зеркальный блок, либо L=4R, если применяется блок с одним отражением (фиг.6), либо определяется равенством (8), если применяется зеркальный блок с многократными отражениями. Если применяется составной приемный корпус, то L=l, где l - ширина пропускного окна корпуса, если он - однопроходной (фиг.3), либо L=k·l, где k - число проходов луча в нем. В этом случае разность фаз между опорным и измерительным лучами равна:

± Δ ϑ ( P ) = ± 2 π λ 0 δ n ( P ) k l + ϑ 0 . ( 8 )

Эта разность фаз приводит к сдвигу интерференционных полос в поле зрения фоторегистратора 2. По ней находят изменения показателя преломления и восстанавливают вызвавшие их вариации давления.

Устройство по варианту 2 работает следующим образом. Пучок света от источника когерентного излучения 1 проходит через поляризатор 19 и становится плоскополяризованным. Затем плоскополяризованный пучок проходит через четвертьволновую пластинку 20 (см. фиг.10-14), и приобретает циркулярную поляризацию. Далее пучок проходит через светоделитель, в качестве которого используют либо разветвитель 8 типа 1×2 (см. фиг.12), либо полупрозрачное зеркало 21 (см. фиг.10, 11, 13, 14). Светоделителем входящий пучок разделяется на опорный луч, который направляется в опорное плечо интерферометра, и измерительный луч, который направляется в измерительное плечо. Если в качестве светоделителя используется разветвитель (8), то опорный луч без изменения направления поляризации проходит через волокно 7 опорного плеча на разветвитель 9 типа 1×2 (фиг.12). Если в качестве светоделителя используется полупрозрачное зеркало 21, то вследствие отражения от него опорный луч приобретает направление поляризации, противоположное направления поляризации входящего пучка. Далее он проходит через волокно 7 опорного плеча (фиг.10, 12, 13), либо через подводящее волокно 15, через вспомогательный корпус опорного плеча, через отводящее волокно 16 (см. фиг.11, 14) на разветвитель 9 типа 1×2. Измерительный луч проходит по подводящему волокну 3, затем проходит поперек окна 6 приемного корпуса 5 и отражается от отражательного элемента 18 (фиг.12). При этом направление его циркулярной поляризации сменяется на противоположное. (Поляризация опорного луча не меняется). Далее отраженный луч попадает в торец отводящего волокна 4 и через него подается на разветвитель 9, где соединяется с опорным лучом. Если используется зеркальный блок с четным числом отражений (фиг.2) или составной приемный корпус с уголковыми отражателями (фиг.13), то направление поляризации измерительного луча не изменяется. Однако вследствие отражения от зеркала 21 направления поляризации опорного луча сменяется на противоположное. В опорном плече устройств (фиг.11, 14) установлен вспомогательный корпус, идентичный по длине геометрического пути и по числу отражений луча в нем. В этом случае при прохождении этих корпусов направление поляризации измерительного и опорного лучей одинаковое число раз сменится на противоположное. Однако вследствие отражения от зеркала 21 направление поляризации опорного луча противоположно направлению поляризации измерительного луча.

Итак, во всех разновидностях данного варианта устройства на выходе интерферометра направление циркулярной поляризации измерительного луча противоположно направлению поляризации опорного луча. Такие лучи, складываясь в разветвителе 9, в выходном тракте интерферометра перед анализатором 22 (фиг.10-14) образуют луч плоско поляризованный. Поворот плоскости поляризации суммарного излучения определяется набегом разности фаз между лучами двух плеч, обусловленным регистрируемыми возмущениями давления, проходящими через пропускное окно приемного корпуса измерительного плеча. Изменения интенсивности суммарного излучения, прошедшего через анализатор 22, вызванные поворотами плоскости поляризации, определяются соотношением:

I = I m + I f + E m E f [ 1 cos ( δ ϑ ) ] . ( 9 )

Здесь угол поворота плоскости поляризации δϑ равен разности фаз между измерительным и опорным лучом и определяется (5) или (8) в соответствии с конструкцией приемного корпуса, Im - интенсивность света в измерительном плече, If - интенсивность света в опорном плече, Em - амплитуда электрического поля измерительного луча, Ef - амплитуда электрического поля опорного луча. Косинус - четная функция, поэтому, как видно из (9), вариации интенсивности излучения, попадающего на фоторегистратор, зависят от величины угла поворота плоскости поляризации δϑ, но не зависят от его знака. Однако при прохождении импульса давления через разрыв измерительного плеча интерферометра интенсивность измерительного луча меняется в соответствии с законом Ламберта-Бэра [3]. Если применяется зеркальный блок, то интенсивность луча, прошедшего через пропускное окно, на основе закона Ламберта-Бэра с учетом (4) и многократных отражений представляется в виде:

I m = I 0 η m J exp ( 4 π λ 0 D χ ) , ( 10 )

где I0 - исходная интенсивность, ηm - коэффициент отражения, χ - показатель поглощения, a L определяется соотношением (6).

Если же применяется составной приемный корпус, то интенсивность луча, прошедшего через его пропускное окно, определяется соотношением:

I m = I 0 η m 2 ( k 1 ) exp ( 4 π λ 0 D χ ) . ( 11 )

Здесь D=n·k·l. Если давление возрастает, возрастает показатель преломления n. Вместе с ним возрастает также оптическая длина D пути измерительного луча в зоне измерений. В соответствии с (10, 11) это вызывает уменьшение Im и Em. И наоборот, если давление уменьшается, то Im и Em возрастают. Этим обеспечивается однозначность связи изменений измеряемого давления и интенсивности излучения, поступающего на фоторегистратор. Пользуясь соотношениями (9), (10), (11) можно по зарегистрированным вариациям интенсивности суммарного излучения найти сдвиги фаз δϑ между измерительным и опорным лучами, а по ним из (5) или (8) (в зависимости от конструкции приемного корпуса) можно найти вариации показателя преломления среды под воздействием импульсов давления.

Из результатов измерений, полученных с помощью предлагаемых устройств, непосредственно извлекают временной профиль показателя преломления. По значениям показателя преломления восстанавливают временной профиль давления. В газовой среде и сухом воздухе для нахождения изменений плотности можно воспользоваться формулой Бера-Гладстона-Дэйла [4]:

K ρ = n 1, ( 12 )

где ρ - плотность среды, К - коэффициент, различный для разных газов. Для воздуха K=0,227 см3/г. Распространение звука есть процесс адиабатический, поэтому на основе адиабаты Пуассона и (12), получаем формулу для расчета значений давления по значениям показателя преломления:

P = P 0 ( n 1 K ρ 0 ) γ , ( 13 )

где P0 - равновесное значение давления, ρ0- равновесное значение плотности, γ - показатель адиабаты Пуассона для данной газовой среды.

В реальной воздушной среде практически всегда содержится водяной пар. В такой среде связь между показателем преломления воздуха n и давлением P определяется соотношением [5]:

n = 1 + ( n 0 1 ) P 720,775 [ 1 + P ( 0,817 0,0133 T 0 ) 10 6 1 + 0,003662 T 0 ] 5,6079 10 8 F , ( 14 )

где, P - давление в мм рт.ст., T0 - температура воздуха, при которой проводятся измерения, в °C, F - парциальное давление водяного пара в мм рт.ст. при этой же температуре. Если для работы устройства используется излучение гелий-неонового лазера λ0=0,63299138 мкм), то показатель преломления воздуха для данного излучения при нормальных условиях n0=1,0002765.

В случае малых отклонений давления от равновесного значения связь показателя преломления и давления достаточно точно описывается формулой Эдлена, которая для указанной длины волны имеет вид [6]:

( n 1 ) 10 8 = 38,39 P ( 0,00367 T ) 1 5,51 F . ( 15 )

Значения давления по значениям показателя преломления могут быть определены из (15), либо найдены путем численного решения нелинейного алгебраического уравнения (14) относительно P при фиксированных значениях T0 и F. Для оперативного представления значений давления предлагаемые устройства могут быть оснащены специальной счетно-решающей приставкой.

При необходимости проведения измерений в среде, для которой неизвестна зависимость n(Р), предлагаемые устройства требуется калибровать. Калибровка таких устройств может производиться путем сравнения их показаний с показаниями обычных калиброванных датчиков давления - оптических или пьезоэлектрических. Возможна также калибровка ударной волной, инициируемой микровзрывом взрывчатого вещества или лазерной искрой в воздухе [7, 8]. При этом из-за нелинейности зависимости n(Р) значение коэффициента калибровки будет зависеть от диапазона изменения измеряемого давления.

Таким образом, предложен оптический способ измерения импульсного давления и устройство для его осуществления в двух вариантах, которое позволяет измерять как статические, так и быстропременные импульсы давления произвольной длительности с широким частотным спектром в оптически прозрачных средах, на работу которого не влияют электромагнитные и механические помехи. Устройство может быть использовано для измерения давления в пожро- и взрывоопасной среде, в среде, как химически нейтральной, так и агрессивной. Однако подобные устройства обеспечивают регистрацию не только полезного сигнала, но и флуктуации интенсивности применяемых в них источников света и флуктуации темнового тока в ФЭУ. Эти шумовые искажения могут быть учтены и удалены в процессе численной обработки зарегистрированных данных.

Источники информации

1. RU 2159925 C1, (24) 24.08.1999.

2. Костюкевич Е.А. Оптические датчики импульсного давления. / Е.А. Костюкевич // ПТЭ. - 1983, №5. - С.209-212.

3. Ландсберг Г.С. Оптика. / Г.С. Ландсберг. - М.: Наука, 1976. - 928 с.

4. Бацанов С.С. Структурная рефрактометрия. / С.С. Бацанов. - М.: Высшая школа, 1976. - 304 с.

5. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. / Дж. Реди. - М.: Мир, 1981. - 638 с.

6. Привалов В.Е. Лазерные интерферометры для механических измерений. / В.Е. Привалов. СПб.: - 1992. - 56 с. - С.5.

7. Абашкин Б.И. Пьезоэлектрическое измерение коротких волн давления / Б.И. Абашкин [и др.] // Акуст. журн. - 1969. - Т.15, №2. - С.174-177.

8. Устройство для калибровки датчиков импульсного давления: пат. 6749 Республики Беларусь, МПК7 G01L 27/00 / Ю.А.Чивель; заявитель ИМАФ ПАН Беларуси. - № а20020620; заявл. 2002.07.16; опубл. 2004.09.09 // Афiцыйны бюл. / Вынаходствы, карысныя мадэлi, прамысловыя узоры. - 2004. - №4. - С.182.

1. Способ измерения импульсного давления среды, включающий модуляцию характеристик регистрирующего излучения под действием импульса давления, отличающийся тем, что для модуляции оптической длины пути регистрирующего излучения используют изменения показателя преломления среды под действием возмущений давления в области измерительного луча при фиксированных геометрических его параметрах.

2. Устройство для осуществления способа измерения импульсного давления содержит источник излучения и фотоприемник, соединенные двухплечевым волоконным интерферометром с краями открытого в среду с возмущениями давления разрыва измерительного плеча, закрепленными в приемном корпусе с пропускающим регистрируемые возмущения окном, в котором модулятором разности фаз между опорным и измерительным лучами служит среда между краями разрыва.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в опорное плечо интерферометра вставлен вспомогательный корпус, идентичный приемному корпусу в измерительном плече, изолированный от воздействия регистрируемых возмущений давления.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что приемный корпус выполнен составным из двух частей, сдвигающихся вдоль распространения регистрирующего излучения и фиксирующихся в рабочем положении, как одно целое.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что приемный корпус оснащен уголковыми отражателями, установленными так, что проходы измерительного луча в приемном корпусе параллельны между собой.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в приемный корпус установлен отражательный элемент или зеркальный блок с открытыми торцами таким образом, что его внутренняя часть служит пропускающим регистрируемые возмущения окном.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что зеркальный блок установлен с возможностью поворота вокруг его продольной оси.

8. Устройство для осуществления способа измерения импульсного давления содержит источник излучения и фотоприемник, соединенные двухплечевым волоконным поляризационным интерферометром с краями открытого в среду с возмущениями давления разрыва измерительного плеча, закрепленными в приемном корпусе с пропускающим регистрируемые возмущения окном, в котором модулятором угла поворота плоскости поляризации суперпозиции опорного и измерительного лучей служит среда между краями разрыва.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в опорное плечо интерферометра вставлен вспомогательный корпус, идентичный приемному корпусу в измерительном плече, изолированный от воздействия регистрируемых возмущений давления.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что приемный корпус выполнен составным из двух частей, сдвигающихся вдоль распространения регистрирующего излучения и фиксирующихся в рабочем положении, как одно целое.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что приемный корпус оснащен уголковыми отражателями, установленными так, что проходы измерительного луча в приемном корпусе параллельны между собой.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в приемный корпус установлен отражательный элемент или зеркальный блок с открытыми торцами таким образом, что его внутренняя часть служит пропускающим регистрируемые возмущения окном.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что зеркальный блок установлен с возможностью поворота вокруг его продольной оси.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области диагностики вращающихся механизмов и двигателей различных типов, в том числе и двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано, в частности, для определения остаточного ресурса двигателей или оценки технического состояния в эксплуатационных условиях, а также в процессе изготовления или ремонта, а именно к методу для определения основных параметров двигателя.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для регистрации быстропротекающих процессов и определения параметров детонационной и ударной волн.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения малых пульсаций давления, и может быть использовано для измерения параметров технологических сред при исследовании вибраций корпусов, устройств, сосудов, а также в других областях техники.

Изобретение относится к области технической физики и, в частности, может служить для измерения давления нефтепродуктов в резервуарах нефтехранилищ. .

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения среднего значения и пульсаций давления жидкостей и газов и может быть использовано в гидрофизике и гидроакустике.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения высокого давления в жидкостях и в газах. .

Изобретение относится к способам измерений колебаний акустического давления с использованием оптических средетв. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов Целью изобретения является повышение быстродействия и точности.
Наверх