Преобразователь механических величин в оптический сигнал



Преобразователь механических величин в оптический сигнал
Преобразователь механических величин в оптический сигнал
Преобразователь механических величин в оптический сигнал
Преобразователь механических величин в оптический сигнал
Преобразователь механических величин в оптический сигнал
Преобразователь механических величин в оптический сигнал

 


Владельцы патента RU 2559312:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к универсальным оптическим первичным преобразователям амплитудного типа, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления (в т.ч. разности давлений), вибраций, деформаций, перемещений и силы. Преобразователь механических величин в оптический сигнал включает упругую трубку-капилляр, закрепленную на несущем фланце с зажимом, рычаг для восприятия измеряемой физической величины, размещенный на упругой трубке-капилляре, внутри упругой трубки-капилляра расположены неподвижное основание. При этом световоды закреплены на противолежащих сторонах неподвижного основания, а светоотражающий элемент размещен на регулирующем винте, при этом границы светоотражающего элемента совпадают с осями световодов. Технический результат - расширение области применения и диапазона измеряемых физических величин, упрощение технологии изготовления, повышение ремонтопригодности и точности измерений. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к универсальным оптическим первичным преобразователям амплитудного типа, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления (в т.ч. разности давлений), вибраций, деформаций, перемещений и силы.

Известен волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, прокладку, на которую опирается втулка, рабочий и дополнительный жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, общие торцы которых закреплены во втулке, мембрану радиусом R с зеркальной поверхностью, которая установлена относительно общего торца рабочего жгута с зазором x0, общий торец дополнительного жгута, расположенный напротив зеркальной поверхности мембраны с зазором х0, оптические оси подводящих и отводящих оптических волокон дополнительного жгута, расположенные относительно оптических осей подводящих и отводящих оптических волокон рабочего жгута соответственно на расстоянии А, определяемом выражением:

где rc - радиус сердцевины оптического волокна, α - максимальный угол прогиба мембраны, W - максимальный прогиб центра мембраны, x0=dОВ/2tgθNA, где dОВ, θNA - диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно (патент Российской Федерации №2308689, МПК: G01L 11/02, G01L 9/04, 2007 г.).

Недостатком аналога является отсутствие универсальности в использовании датчика, применительно к различным измерительным системам. Этот недостаток объясняется тем, что датчик содержит мембрану радиусом R с зеркальной поверхностью, предназначенную для прогиба в соответствии с измеряемым давлением. Механические свойства и геометрические параметры такой мембраны всегда рассчитываются исходя из конкретных величин давления, вследствие чего такие мембраны не могут быть использованы в других диапазонах давления и тем более не могут быть использованы для измерения иных физических величин, например, деформаций, перемещений, сил и вибраций.

Известен волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, подводящие и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых с зазором установлена кварцевая мембрана, жестко закрепленная в штуцере, кольцевую прокладку толщиной, равной длине волны источника излучения, волокна вклеенные в корпусе на расстоянии друг от друга, свободные концы которых выступают над поверхностью корпуса, кольцевую прокладку, выполненную в виде металлической пленки, напыленной по периметру, введенную деталь с треугольником в сечении с углом при вершине 2θ с боковым углублением, повторяющим форму и размеры оптических волокон, металлическую крышку с центральным сквозным отверстием шириной, равной диаметру оптического волокна dОВ и длиной а, определяемой выражением а=2dОВtgθ, расположенную и жестко закрепленную между корпусом и штуцером, прижимающую оптические волокна к детали с треугольником в сечении, оптические волокна, расположенные выше крышки, срезанные и отполированные под определенным углом к продольной оси волокон (патент Российской Федерации №2253850, МПК: G01L 11/02, G01L 19/04, 2005 г.).

Недостатком аналога является отсутствие универсальности в использовании датчика, применительно к различным измерительным системам и трудности в реализации сложных технологических и измерительных операций, необходимых для изготовлении датчика. Кварцевая мембрана датчика, жестко установленная в штуцере, предназначена для прогибов, соответствующих измеряемому давлению. Ввиду малых допустимых деформаций кварцевых элементов, такие мембраны рассчитаны для определенного диапазона давлений и не могут быть использованы, например, в более высоких диапазонах и тем более для измерений иных физических величин. Таким образом, аналог не обладает универсальностью в применении и не может быть использован для измерений иных физических величин или измерений давлений более высоких диапазонов.

Задачей изобретения является создание универсального преобразователя механических величин в оптический сигнал, предназначенного для измерительных систем и датчиков различных физических величин (давления, вибрации, деформации, перемещения, силы).

Техническим результатом является расширение области применения, расширение диапазона измеряемых физических величин, упрощение технологии изготовления, повышение ремонтопригодности и точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в преобразователе механических величин в оптический сигнал, включающем упругую трубку-капилляр, закрепленную на несущем фланце с зажимом, рычаг для восприятия измеряемой физической величины, размещенный на упругой трубке-капилляре, внутри упругой трубки-капилляра расположены неподвижное основание, световоды, закрепленные на противолежащих сторонах неподвижного основания, и светоотражающий элемент, размещенный на регулирующем винте, причем границы светоотражающего элемента совпадают с осями световодов. Упругая трубка-капилляр выполнена герметичной. На основании закреплены более двух световодов. Основание изготовлено из неметаллического материала, со значением температурного коэффициента расширения равным или близким к значению температурного коэффициента расширения основного материала световода. Конструктивные элементы изготовлены из материалов с близкими коэффициентами температурного расширения. В качестве световодов могут быть использованы оптические волокна или оптоволоконные жгуты.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-6.

На фиг. 1 схематично представлена конструкция преобразователя механических величин в оптический сигнал, где: 1 - первый световод, 2 - второй световод, 3 - неподвижное основание, 4 - регулирующий винт, 5 - светоотражающий элемент, 6 - упругая трубка-капилляр, 7 - зажим, 8 - несущий фланец, 9 - рычаг.

На фиг. 2 схематично представлено расположение сечений световодов, при совпадении положения осей первого световода 1 и второго световода 2 с противолежащими границами светоотражающего элемента 5.

На фиг. 3 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем удаленном положении первого световода 1 относительно внешней границы светоотражающего элемента 5.

На фиг. 4 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем удаленном положении второго световода 2 относительно внешней границы светоотражающего элемента 5.

На фиг. 5 и 6 представлены графики изменения интенсивности световых потоков, отраженных от светоотражающего элемента 5 при смещениях рычага 9 в пределах величины ±Δ, относительно торцов первого 1 и второго 2 световодов, где:

Iо.св.1 - интенсивность отраженного светового потока, направленного в первый световод 1,

Iо.св.2 - интенсивность отраженного светового потока, направленного во второй световод 2. Величина интенсивности светового потока выражена в относительных единицах.

Преобразователь механических величин в оптический сигнал содержит упругую трубку-капилляр 6, в нижней части которой закреплен рычаг 9, а верхняя часть которой закреплена на несущем фланце 8. Для восприятия измеряемой физической величины (давления, вибрации, деформации, перемещения или силы) рычаг 9 может иметь резьбовой крепежный элемент (как это изображено на фигуре 1). Рычаг способен смещаться относительно неподвижного основания 3, закрепленного посредством зажима 7 в несущем фланце 8 и расположенного внутри упругой трубки-капилляра 6. Светоотражающий элемент 5 закреплен напротив торцов первого 1 и второго 2 световодов, закрепленных на противолежащих сторонах неподвижного основания 3. Светоотражающий элемент 5 закреплен на торце регулирующего винта 4, который расположен в нижней части упругой трубки-капилляра 6.

Светоотражающий элемент 5 строго ориентирован относительно торцов первого 1 и второго 2 световодов, а именно продолжения осей указанных световодов совпадают с противолежащими границами светоотражающего элемента 5.

Неподвижное основание 3 может быть изготовлено, например, из кварца.

В исходном положении оси первого световода 1 и правого световода 2 совпадают с противолежащими границами светоотражающего элемента 5 (фиг. 2). При отсутствии воздействия измеряемой физической величины (давления, вибрации, деформации, перемещения или силы), половина светового потока, направленного из первого 1 и второго 2 световодов на светоотражающий элемент 5, отражается обратно, а вторая половина потока рассеивается. В качестве световодов 1 и 2 могут быть использованы оптоволоконные жгуты, представляющие собой тонкую трубку, в которой находится несколько сотен оптических волокон. Световой поток при этом коллимирован для того, чтобы максимально исключить световые потери из-за расходимости света.

Благодаря конструктивной завершенности преобразователя механических величин в оптический сигнал как отдельной сборочной единицы, обеспечивается универсальность его использования для измерения разных физических величин, например, если его применять в составе различных датчиков. Так, к рычагу 9 посредством некоего поводка или штока, или тяги (на фигурах не изображены) может передаваться любое измеряемое внешнее воздействие (например, сила или вибрация). При этом сам перобразователь и его составные элементы остаются конструктивно неизменными. Также благодаря конструктивной завершенности возможна быстрая замена преобразователя механических величин в оптический сигнал на другой (запасной) экземпляр, что несомненно повышает эксплуатационные качества изобретения.

Преобразователь механических величин в оптический сигнал работает следующим образом.

Посредством рычага 9 воздействие измеряемой физической величины (давления, вибрации, деформации, перемещения или силы) передают на упругую трубку-капилляр 6. Смещения нижней части упругой трубки-капилляра 6 приводят к смещениям светоотражающего элемента 5 относительно торцов первого 1 и второго 2 световодов. Эти смещения, в свою очередь, определяют площади отражения световых потоков первого 1 и второго 2 световодов (фиг. 2-4).

Поскольку первый 1 и второй 2 световоды закреплены на противолежащих сторонах неподвижного основания 3, изменения отраженных световых потоков для этих световодов имеют обратную зависимость: если интенсивность отраженного потока для первого световода 1 увеличивается (фиг. 5), интенсивность отраженного потока для второго световода 2 уменьшается (фиг. 6) и наоборот. Анализ значений интенсивностей отраженных световых потоков позволяет определить величину смещения рычага 9, которая пропорциональна величине измеряемого воздействия.

Сигналы с обратно зависимыми значениями интенсивности отражения для каждого световода 1 и 2 исключают учет потерь из-за старения оптической линии передачи сигнала. Предварительная калибровка преобразователя, при которой для определенных смещений рычага 9 определяют соответствующие, строго определенные значения отраженного светового потока для каждого из световодов, повышает точность измерений и увеличивает сроки эксплуатации изобретения.

С целью возможности использования преобразователя в камерах и полостях с жидкостным или газообразным заполнением, а также для защиты внутренней полости упругой трубки-капилляра от воздействий внешней среды рычаг 9 может быть выполнен в виде крышки, герметично закрывающей нижний конец упругой трубки-капилляра. Верхний конец упругой трубки-капилляра при этом герметично закреплен на несущем фланце 8. Такое решение обеспечивает более выраженную универсальность применения изобретения для различных измерительных систем и различных внешних условий эксплуатации.

С целью возможности измерения величины воздействия измеряемой физической величины (давления, вибрации, деформации, перемещения или силы) в нескольких направлениях, перпендикулярных оси упругой трубки-капилляра, преобразователь может содержать более двух световодов, попарно закрепленных один напротив другого на противолежащих сторонах основания 3.

Для повышения точности и термостойкости при использовании преобразователя в высокотемпературных средах его конструктивные элементы изготовлены из материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты температурного расширения. Неподвижное основание 3 изготовлено из неметаллического материала (например, из оптического кварцевого стекла) со значением температурного коэффициента расширения (ТКР), равным или близким к значению ТКР основного материала световода.

В качестве световодов могут быть использованы оптические волокна или оптоволоконные жгуты.

Использование преобразователя механических величин в оптический сигнал в составе датчиков (измерительных систем) позволяет расширить диапазон измеряемых ими физических величин, например, когда к рычагу 9, посредством некоего поводка, или штока, или тяги (на фигурах не изображены) передается внешнее воздействие (например, сила или вибрация), вызывая отклонение данного рычага 9 в пределах величины ±Δ. В зависимости от требуемого диапазона измерений, параметры конструктивных элементов датчика (измерительной системы) подбирают таким образом, чтобы величина смещений рычага 9 не выходила за заданные пределы величин ±Δ. Таким образом, для каждого датчика (измерительной системы), для требуемого диапазона измерений значений физической величины, осуществляют разработку конструктивных элементов, взаимодействующих с элементами преобразователя, при этом сам преобразователь является неизменным самостоятельным модулем.

Исходя из вышеизложенного, изобретение обладает свойством универсальности применения для большого разнообразия использующих его измерительных устройств, способных воспринимать воздействия физических величин в любых заданных диапазонах.

1. Преобразователь механических величин в оптический сигнал, включающий упругую трубку-капилляр, закрепленную на несущем фланце с зажимом, рычаг для восприятия измеряемой физической величины, размещенный на упругой трубке-капилляре, внутри упругой трубки-капилляра расположены неподвижное основание, световоды, закрепленные на противолежащих сторонах неподвижного основания, и светоотражающий элемент, размещенный на регулирующем винте, причем границы светоотражающего элемента совпадают с осями световодов.

2. Преобразователь механических величин в оптический сигнал по п. 1, отличающийся тем, что упругая трубка-капилляр выполнена герметичной.

3. Преобразователь механических величин в оптический сигнал по п. 1, отличающийся тем, что на неподвижном основании закреплены более двух световодов.

4. Преобразователь механических величин в оптический сигнал по п. 1, отличающийся тем, что неподвижное основание изготовлено из неметаллического материала, со значением температурного коэффициента расширения, равным или близким к значению температурного коэффициента расширения основного материала световода.

5. Преобразователь механических величин в оптический сигнал по п. 1, отличающийся тем, что конструктивные элементы изготовлены из материалов с близкими коэффициентами температурного расширения.

6. Преобразователь механических величин в оптический сигнал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве световодов используются оптические волокна или оптоволоконные жгуты.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам разности давления, и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления.

Изобретение относятся к измерительной технике и предназначено для измерения давления (как статического, так и динамического) газов и жидкостей. Датчик давления состоит из записанной на оптическом световоде по меньшей мере одной волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), мембраны, корпуса, при этом мембрана жестко прикреплена к световоду и имеет возможность движения по осевой линии относительно корпуса, оптический световод жестко прикреплен к торцу корпуса по его осевой линии.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим устройствам измерения давления. Устройство содержит широкополосные полупроводниковые светодиоды, Y-образные волоконно-оптические разветвители и резонаторы Фабри-Перо.

Группа изобретений относятся к исследованиям скважин и может быть использована для мониторинга внутрискважинных параметров. Техническим результатом является оптимизация, автоматизация, повышение эффективности процесса добычи нефти, в т.ч.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при конструировании и в процессе сборки волоконно-оптических датчиков давления на основе оптического туннельного эффекта.

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям. .

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения давления. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения давления. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения разности давления в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники, АЭС, нефтегазовой отрасли и др. Устройство содержит корпус, в котором установлены металлические мембраны плюсовой и минусовой камер, имеющие жесткие центры, соединенные между собой штоком с отверстием, соосно с которым расположены подводящий и отводящие оптические волокна двух измерительных каналов. В приемном торце жгута отводящих волокон расположены приемные торцы отводящих оптических волокон. При этом корпус выполнен из двух частей, один торец которых предназначен для крепления на объекте, во внутренней полости корпусов расположена вновь введенная несущая деталь, в углублениях которой закреплены мембраны. Корпуса плюсовой и минусовой камер и несущая деталь жестко соединены между собой, поверх данного соединения установлено кольцо, имеющее прорезь для установки оптических волокон в центральной части несущей детали и для крепления втулки со жгутом оптических волокон, один торец которой повторяет контур прорези кольца. Корпус, кольцо и втулка со жгутами волокон жестко и герметично соединены между собой, а шток выполнен с боковыми выемками, внутри которых выполнена шторка, в центре которой расположено отверстие, причем высота выемок больше или равна высоте шторки. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давлений. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям, в частности к оптическим датчикам давления и температуры, в конструкции которых использованы оптические волокна. Устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости содержит корпус датчика, мембрану, жестко прикрепленную к торцу корпуса, волоконно-оптический световод с защитным покрытием, расположенный в корпусе, по меньшей мере, одну дифракционную решетку Брэгга, нанесенную на волоконно-оптический световод, и волоконно-оптический кабель, закрепленный в корпусе и соединенный с системой обработки сигнала. Устройство снабжено, выполненным на торце корпуса со стороны мембраны, средством соединения с напорным устройством, по меньшей мере, одной структурой с поверхностным рельефом в соответствии с геометрией дифракции Брэгга, выполненной на поверхности мембраны внутри корпуса датчика. Волоконно-оптический световод соединен с волоконно-оптическим кабелем и прикреплен к корпусу и к мембране с образованием подмембранной полости. При этом, по меньшей мере, одна дифракционная решетка Брэгга, нанесенная на волоконно-оптический световод, расположена вне зоны крепления световода к корпусу. Система обработки сигнала содержит соединенные волоконно-оптическим кабелем оптический разветвитель, полупроводниковый источник света, оптический анализатор спектра и соединенный с ним регистратор. 2 н. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала. При этом датчик снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом. Нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное плечо датчика образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное плечо датчика образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой. Технический результат - обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса. При этом пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса и выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами и выполнено с решетками Брега. Пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины hм, при этом первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных вдоль участка оптического волокна на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны. Техническим результатом является повышение точности измерения за счет повышения чувствительности микромеханического волоконно-оптического датчика давления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится в области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, в медицине. Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления содержит кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, закрепленное на кремниевом мембранном упругом элементе с возможностью перемещения вместе с жестким центром кремниевого мембранного упругого элемента пропорционально измеряемому давлению, и фотоприемник, причем в него введен дополнительный фотоприемник, при этом оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и размещены на отдельной кремниевой пластине, закрепленной параллельно указанному кремниевому мембранному упругому элементу. Технический результат - создание сенсора, имеющего монотонную преобразовательную характеристику с уменьшенной нелинейностью преобразовательной характеристики. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Фотоэлектрический сенсор давления содержит упругий элемент в виде основного профилированного кремниевого кристалла с опорной рамкой, измерительной квадратной диафрагмой с жестким центром и V-канавкой, проходящей по оси симметрии опорной рамки и жесткого центра через одну из сторон рамки, в которой расположено и клеевым способом закреплено оптоволокно, один принимающий излучение конец которого расположен за пределами упругого элемента, и интегральный фотодиод, при этом в фотоэлектрический сенсор давления согласно изобретению введены дополнительный кремниевый кристалл с двумя отверстиями, дополнительный интегральный фотодиод, две вспомогательные V-канавки, цилиндрические направляющие и U-канавка, над которой расположен другой свободный излучающий конец оптоволокна и которая проходит по оси симметрии опорной рамки, пересекая другую противоположную сторону рамки, и ширина которой больше размера фотодиода, оба фотодиода расположены на дополнительном кристалле один над другим, разделены узким промежутком и включены дифференциально, на диоды направлен излучающий конец оптоволокна, а сам дополнительный кристалл прикреплен к внешнему краю опорной рамки упругого элемента перпендикулярно плоскости измерительной квадратной диафрагмы, а точная оптическая центровка конструкции сенсора достигается с помощью отверстий на дополнительном кристалле, в которые входят цилиндрические направляющие, закрепленные во вспомогательных V-канавках, расположенных на опорной рамке упругого элемента по обе стороны от оптоволокна. Изобретение позволяет уменьшить нелинейность преобразовательной характеристики и начальный выходной сигнал. 3 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для преобразования газоструйного сигнала в электрический. Устройство преобразования газоструйного сигнала в оптический содержит источник и приемник светового потока, проходящего через щелевой канал, в котором располагается вдоль этого канала гибкая лента, поглощающая или отражающая световой поток, закрепленная одним концом в этом канале. Причем в этом щелевом канале относительно закрепленной ленты расположены подводящие каналы, по которым попеременно подаются газоструйные сигналы, под воздействием которых гибкая лента перемещается в щелевом канале, воздействуя на световой поток, излучаемый источником и воспринимаемый приемником светового потока. Техническим результатом является увеличение быстродействия преобразования. 3 ил.
Наверх