Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления



Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления
Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления

 


Владельцы патента RU 2589946:

Общество с ограниченной ответственностью "РАМИТ" (ООО "РАМИТ") (RU)

Изобретение относится к области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, в медицине. Заявленный амплитудный волоконно-оптический сенсор давления содержит кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, передающее излучение от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе с возможностью перемещения только вместе с его жестким центром пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник. При этом в заявленное устройство введены дополнительный фотоприемник, зеркало и две параллельные кремниевые пластины, расположенные перпендикулярно мембранному упругому элементу. Кроме того, оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и расположены на одной кремниевой пластине, а на другой пластине размещено зеркало, которое представляет собой плоскую отражающую поверхность кристаллографической ориентации типа (100) с углублениями пирамидальной формы, стенки углублений сходятся в одной точке, а кристаллографическая ориентация стенок типа (111). Технический результат - повышение чувствительности и снижение нелинейности преобразовательной характеристики. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, медицине.

Известен амплитудный волоконно-оптический сенсор давления (журнал "Sensors and Actuators", А, №39 (1993 г.), стр. 49-54.), содержащий в качестве чувствительного элемента вертикальную кремниевую мембрану, изготовленную методами микромеханики, оптическое волокно в качестве проводящей свет среды, электронную схему обработки сигнала. Минимальный детектируемый сигнал для мембранного чувствительного элемента толщиной 4 мкм составляет в этом приборе 1 мкВ, что соответствует давлению 5 Па.

Однако для достижения такого результата необходимо дорогое одномодовое волокно, а также источник когерентного излучения (лазер).

Также известен амплитудный волоконно-оптический сенсор давления (журнал "Sensors and Actuators", А, №66 (1998 г.), стр. 150-154). Этот сенсор имеет оптическое волокно в качестве проводящей свет среды, в качестве чувствительного элемента - мембрану, изготовленную из золота и покрытую хромом, закрепленную на кремниевом основании, что приводит к дополнительным нелинейным искажениям вследствие разного температурного коэффициента линейного расширения материала чувствительного элемента и основания, на котором этот чувствительный элемент закреплен; исключается возможность изготовления чувствительного элемента и основания в едином технологическом цикле.

Сенсор имеет ограниченные функциональные возможности, так как может измерять только большие давления (более 0.5 МПа).

При необходимости измерить меньшие перепады давления (то есть повысить чувствительность сенсора при сохранении хороших метрологических характеристик) необходимо изменять форму чувствительного элемента. Все это приводит к увеличению погрешности измерений, что отрицательно сказывается на точности измерений, ухудшаются функциональные возможности сенсора.

Известен амплитудный волоконно-оптический сенсор давления (журнал "Sensors and Actuators", А, №32 (1992 г.), стр. 628-631), являющийся прототипом предлагаемого устройства, содержащий мембранный упругий элемент, изготовленный методами микромеханики (жидкостным анизотропным травлением), оптическое волокно, фотоприемник. Мембранный упругий элемент изготовлен из монокристаллического кремния и содержит толстую рамку, тонкую часть и жесткий центр. Оптическое волокно закреплено на жестком центре таким образом, что его ось находится в плоскости, параллельной плоскости мембранного упругого элемента. При этом оптическое волокно имеет возможность перемещаться только вместе с жестким центром мембранного упругого элемента.

В этой конструкции сенсора используется один фотоприемник, который изготовлен на толстой рамке в плоскости, параллельной плоскости мембранного упругого элемента. Это приводит к тому, что:

1) оптическое излучение падает на фотоприемник под неоптимальным углом (угол между направлением распространения оптического излучения и плоскостью, в которой расположен фотоприемник, составляет единицы градусов) и преобразовательная характеристика сенсора имеет немонотонный характер (возрастающий и ниспадающий участки и ярко выраженный максимум), следствием чего является большая нелинейность преобразовательной характеристики сенсора.

2) чувствительность сенсора, определяемая апертурой оптического волокна и расстоянием от торца оптического до фотоприемника, относительно мала.

Поэтому измерение давления при помощи такого сенсора может носить только качественный характер (можно измерить только наличие или отсутствие давления, но не его количественную величину).

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание амплитудного волоконно-оптического сенсора давления, имеющего более высокую чувствительность и более низкую нелинейность преобразовательной характеристики.

Это достигается тем, что в амплитудный волоконно-оптический сенсор давления, содержащий кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, передающее излучение от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе с возможностью перемещения только вместе с его жестким центром пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник, введены дополнительный фотоприемник, зеркало и две параллельные кремниевые пластины, расположенные перпендикулярно мембранному упругому элементу, при этом оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и расположены на одной кремниевой пластине, а на другой пластине размещено зеркало, которое представляет собой плоскую отражающую поверхность кристаллографической ориентации типа (100) с углублениями пирамидальной формы, стенки углублений сходятся в одной точке, а кристаллографическая ориентация стенок типа (111).

На чертеже приведен предлагаемый амплитудный кремниевый сенсор давления. Сенсор содержит: кремниевый мембранный упругий элемент (1) с жестким центром (2), оптическое волокно (3), кремниевую пластину (4) с двумя фотоприемниками (5). Кремниевая пластина (4) закреплена перпендикулярно мембранному упругому элементу (1). Другая кремниевая пластина (6) с зеркалом (7) также закреплена перпендикулярно мембранному упругому элементу (1) и параллельно кремниевой пластине (4).

Цифрами (8) и (9) обозначены падающее на зеркало (7) излучение и отраженное от зеркала (7) излучение соответственно.

Зеркало (7) представляет собой плоскую отражающую поверхность с кристаллографической ориентацией типа (100) с изготовленными в ней углублениями пирамидальной формы (10). Стенки углублений (10) сходятся в одной точке, кристаллографическая ориентация стенок - (111). Каждое из углублений (10) представляет собой уголковый отражатель, однако угол между каждой из стенок углубления (10) и плоскостью зеркала (7) составляет 54°, а не 45°, вследствие чего оптическое волокно и фотоприемники могут быть разнесены в пространстве.

Сенсор работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на кремниевый мембранный упругий элемент (1), смещая его вместе с оптическим волокном (3) от положения равновесия. Вследствие этого изменяется пространственное положение падающего на зеркало излучения (8) и далее отраженного от зеркала излучения (9). В результате величина электрического сигнала на выходе фотоприемников (5), включенных по дифференциальной схеме, изменяется пропорционально измеряемому давлению, то есть происходит амплитудная модуляция падающего излучения. При этом оптическое излучение падает на фотоприемники в результате двукратного отражения от стенок углублений (10).

Вследствие того, что оптическое излучение падает на фотоприемники (5) под углом, близким к 90° к плоскости, на которой расположены фотоприемники (5), а сами фотоприемники (5) включены по дифференциальной схеме, преобразовательная характеристика предлагаемого амплитудного волоконно-оптического сенсора давления имеет монотонный характер, что уменьшает ее нелинейность, а чувствительность характеристики вследствие увеличения расстояния от торца оптического волокна до фотоприемников значительно выше, чем в прототипе, а значит и чувствительность сенсора.

Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления, содержащий кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, передающее излучение от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе с возможностью перемещения только вместе с его жестким центром пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник, отличающийся тем, что в него введены дополнительный фотоприемник, зеркало и две параллельные кремниевые пластины, расположенные перпендикулярно мембранному упругому элементу, при этом оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и расположены на одной кремниевой пластине, а на другой пластине размещено зеркало, которое представляет собой плоскую отражающую поверхность кристаллографической ориентации типа (100) с углублениями пирамидальной формы, стенки углублений сходятся в одной точке, а кристаллографическая ориентация стенок типа (111).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления, и может быть использовано в датчиках давления. Устройство для измерения давления состоит из штока, первого, второго и третьего пьезоэлементов.

Изобретение относится к испытаниям металлических конструкций и может быть использовано в кабельной технике для оценки работоспособности муфт кабельных погружных электродвигателей.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области волоконно-оптических средств измерений давления, и применимо в нефтяной и газовой промышленности, медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления, и может быть использовано при измерении динамического давления совместно с пьезоэлектрическими датчиками динамического давления.

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления, работающих в широком диапазоне механических и тепловых воздействий и предназначенных для получения информации о разности давлений исследуемых жидких и газообразных сред.

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления. Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом заключается в том, что используют две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, разделенные вакуумированным промежутком.

Способ определения потерь нефти и нефтепродуктов применим как в процессе сбора, подготовки, транспортировки и хранения нефти на промыслах, так и при транспортировке нефти по магистральным нефтепроводам, а также может быть использован на предприятиях, занимающихся переработкой нефти, хранением, транспортировкой и распределением нефтепродуктов.

Изобретение относится к области измерительной техники. Устройство для измерения давления и скорости его изменения состоит из проточного пневматического канала 1, содержащего два анемочувствительных элемента 2, 3 измерения скорости изменения давления и сообщающего глухую камеру 4 с газодинамическим объектом, микронагнетателя 5 с электроприводом, измерительного 6 анемочувствительного элемента, компенсационного 7 анемочувствительного элемента, первого 8 и второго 9 формирующих сопел, канала 10 измерения давления, канала 11 измерения скорости изменения давления, микроконтроллера 12 и средства 13 отображения информации.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Резонансный сенсор давления содержит измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, при этом размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний возрастает по линейному закону, достигая максимального значения по середине балки, причем отношение максимального размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды. Вибрационный датчик избыточного давления состоит из герметично перекрываемого корпуса, чувствительного элемента, датчика возбуждения колебаний, датчика съема колебаний, усилителя, преобразователя и регистратора.
Наверх