Волоконно-оптический датчик давления

Использование: для создания волоконно-оптические средства измерения давления. Сущность изобретения заключается в том, что волоконно-оптический датчик давления содержит каркас, волоконно-оптический световод, расположенный коллинеарно оси каркаса, и приемник излучения, каркас представляет собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью, слоя с n-проводимостью и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя, на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью и/или внешнюю сторону слоя с n-проводимостью каркаса нанесены пьезоэлектрические слои с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в каркасе под действием давления, на внешние стороны пьезоэлектрических слоев, или пьезоэлектрического слоя и слоя с p-проводимостью, или пьезоэлектрического слоя и слоя с n-проводимостью нанесены непрерывные вдоль оси датчика управляющие электроды, при этом волоконно-оптический световод расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя с возможностью передачи выходящего из указанного слоя светового потока приемнику излучения. Технический результат - обеспечение возможности увеличения рабочей поверхности волокна, определения функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления, локация зон повышенного давления. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

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

Известен волоконно-оптический торцевой датчик давления (патент RU №2522791, опубл. 20.07.2014), состоящий из записанной на оптическом световоде 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.

Недостатком известного устройства является его возможность измерения давления лишь вблизи мембраны.

Известен волоконно-оптический датчик давления (патент RU №2270428, опубл. 20.02.2006 г.), состоящий из чувствительного элемента, источника света, световодов, регистрирующей аппаратуры; датчик снабжен направляющей линзой, анализатором, приемной линзой, чувствительный элемент снабжен пластиной из оптически активного материала с отверстием, в качестве источника света используют источник поляризованного света.

Недостатком известного устройства является его возможность измерения давления лишь вблизи торцевого сечения оптоволокна.

Известен волоконно-оптический датчик давления (патент РФ №92004980, опубл. 1995.07.09), в корпусе которого закреплена мембрана с жестким центром и утолщенной периферийной частью и два волоконно-оптических преобразователя, выполненных в виде световодов с источником света и фотоприемниками. Торцы световодов установлены соответственно напротив центральной и периферийной части мембраны. Между отражающими поверхностями мембраны и торцами световодов выполнена светозащитная перегородка, имеющая конфигурацию, аналогичную конфигурации периферийной части мембраны.

Недостатком известного устройства является его возможность измерения давления лишь вблизи мембраны.

Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является волоконно-оптический датчик давления (заявка на изобретение №2003118756, опубл. 23.06.2003), состоящий из корпуса, подводящих и отводящих оптических волокон, относительно общего торца которых с зазором установлена жестко закрепленная кварцевая мембрана, приемник излучения. Процесс измерения давления осуществляется путем регистрации приемником изменения интенсивности светового потока на выходе световода в зависимости от прогиба мембраны под действием давления. Данная конструкция принята за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - каркас, волоконно-оптический световод, расположенный коллинеарно оси каркаса и приемник излучения.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является его возможность измерения давления лишь вблизи мембраны.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы волоконно-оптического датчика давления для протяженных участков контроля.

Технический результат изобретения заключается в увеличении рабочей поверхности волокна, определении функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления, локации зон повышенного давления.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом датчике давления, содержащем каркас, волоконно-оптический световод, расположенный коллинеарно оси каркаса и приемник излучения, согласно изобретению каркас представляет собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью, слоя с n-проводимостью и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя, на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью и/или внешнюю сторону слоя с n-проводимостью каркаса нанесены пьезоэлектрические слои с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в каркасе под действием давления, на внешние стороны пьезоэлектрических слоев, или пьезоэлектрического слоя и слоя с p-проводимостью, или пьезоэлектрического слоя и слоя с n-проводимостью нанесены непрерывные вдоль оси датчика управляющие электроды, при этом волоконно-оптический световод расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя с возможностью передачи выходящего из указанного слоя светового потока приемнику излучения.

В предпочтительном варианте пьезоэлектрический слой имеет направление поляризации, ортогональное плоскостям слоев.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - каркас представляет собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью, слоя с n-проводимостью и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя; на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью и/или внешнюю сторону слоя с n-проводимостью каркаса нанесены пьезоэлектрические слои с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в каркасе под действием давления; на внешние стороны пьезоэлектрических слоев, или пьезоэлектрического слоя и слоя с p-проводимостью, или пьезоэлектрического слоя и слоя с n-проводимостью нанесены непрерывные вдоль оси датчика управляющие электроды; волоконно-оптический световод расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя с возможностью передачи выходящего из указанного слоя светового потока приемнику излучения;

пьезоэлектрический слой имеет направление поляризации, ортогональное плоскостям слоев.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют увеличить рабочую поверхность волокна, определить функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления и зоны повышенного давления. Благодаря этому повышается эффективность работы волоконно-оптического датчика давления для протяженных участков контроля.

Волоконно-оптический датчик давления иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-7.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение волоконно-оптического датчика давления σ с двумя пьезоэлектрическими слоями.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение волоконно-оптического датчика давления, в котором для упрощения конструкции один пьезоэлектрический слой и световод размещен на периферии светоизлучающего p-n переходного слоя.

На фиг. 3 изображена заданная функция и производная интенсивности свечения светодиода от значений приложенного напряжения

На фиг. 4 изображен график диагностируемой функции σ(z) распределения давления по длине датчика.

На фиг. 5 изображен измеряемый импульс интенсивности свечения света I1(t)=ΔI1(t) на выходе из оптоволокна на 1-м шаге сканирования.

На фиг. 6 изображены измеряемые I10(t), I20 (t) интенсивности свечения света на выходе из оптоволокна на 10-м и 20-м шагах сканирования.

На фиг. 7 изображены рассчитанные результирующие импульсы ΔI10(t), ΔI20(t) интенсивности свечения света на выходе из оптоволокна на 10-м и 20-м шагах сканирования.

Волоконно-оптический датчик давления (фиг. 1) содержит волоконно-оптический световод 1, каркас, представляющий собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью 2, слоя с n-проводимостью 3 и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя 4, один (фиг. 2) или два пьезоэлектрических слоя 5 с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в светодиоде, под действием давления σ, непрерывные по длине датчика управляющие электроды 6, 7.

Пьезоэлектрические слои 5 нанесены на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью 2 и/или внешнюю сторону слоя с n-проводимостью 3 каркаса. В предпочтительном варианте пьезоэлектрический слой 5 имеет направление поляризации, ортогональное плоскостям слоев.

Непрерывные по длине датчика управляющие электроды 6, 7 нанесены на внешние стороны или пьезоэлектрических слоев 5 (если их два) или пьезоэлектрического слоя 5 (если он один и контактирует со слоем с p-проводимостью 2) и слоя с n-проводимостью 3 (фиг. 2), или пьезоэлектрического слоя 5 (если он контактирует со слоем с n-проводимостью 3) и слоя с p-проводимостью 2.

Световод 1 расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя 4 с возможностью передачи выходящего из слоя 4 светового потока приемнику излучения (на чертеже не показан). В качестве приемника светового потока может быть использован фотодиод.

Датчик может быть выполнен составным, включающем от двух до шести датчиков заявляемой конструкции с различными пространственными поляризациями пьезоэлектрических слоев для различных датчиков. Указанные датчики для фиксации взаимного расположения скреплены между собой защитной полимерной цилиндрической оболочкой (на чертеже не показана). Выполнение датчика составным позволяет учесть анизотропию давления.

Устройство работает следующим образом.

Действие давления σ (фиг. 1, 2) на датчик приводит к деформациям (сжатию) пьезоэлектрических слоев 5 и появлению в них электрического поля, которое действует на светодиод и вызывает (при достижении электрического напряжения на светодиоде некоторого порогового значения) его свечение. Варьированием значением управляющего напряжение Uупр на электродах 6, 7 можно изменять электрическое напряжение и светоотдачу светодиода.

В результате, величина интенсивности света I, исходящего из светодиода и проникающего в световод 1, зависит от величины давления σ и управляющего напряжение Uупр. По световоду 1 световой поток приходит в приемник излучения, в котором по анализу интенсивности света I делается вывод о величине давления σ и его локации по длине датчика.

Информативные а2 и управляющие а1 коэффициенты датчика позволяют выразить электрическое напряжение на светодиоде U=a1Uупр+а2σ через действующее на датчик искомое давление σ и заданное значение управляющего напряжения Uупр на электродах датчика. Коэффициенты а2, а1 находятся экспериментально или в результате численного 3D моделирования решения связанной краевой задачи электроупругости для представительного фрагмента датчика, в частности, в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS.

Управляющее напряжение Uупр на электродах датчика может быть, в частности, варьируемой однородной по длине датчика величиной, или в виде бегущей волны электронапряжения с варьируемой амплитудой, или в виде бегущего по электроду локационного электрического видеоимпульса прямоугольной формы, отличного от нуля лишь на локальном участке и с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения импульсом всей длины датчика.

Подтверждение заявленных технических результатов: увеличение рабочей поверхности волоконного датчика давления, определение функций распределения ƒ(ζ) для неоднородного по всей длине l волоконного датчика давления σ и ƒ1•(ζ) для локации зон повышенного давления σ1• на локальном участке I1⊃l получено в результате проведенных численных экспериментов на основе разработанных алгоритмов и математической модели локации неоднородностей давления по длине оптоволоконного датчика с использованием локационного сканирующего электрического видеоимпульса с пошаговым изменением величины импульса U1 на каждом цикле прохождения исследуемого локального участка l1. Свойства светодиода заданы «S-образной» кривой зависимости интенсивности свечения от приложенного напряжения с характерными точками заданных пороговых напряжений: Umin для начала свечения и Umax для начала насыщенного свечения светодиода (фиг. 3).

Разработаны два алгоритма сканирования неоднородностей давления σ по длине волоконно-оптического датчика давления. Первый алгоритм сканирования позволяет найти функции распределения действующего давления σ по выбранному локальному участку и/или по всей длине датчика по результатам замеряемой на торцевом сечении датчика интенсивности света из оптоволокна с учетом нелинейной зависимости интенсивности света от действующего на светодиод напряжения ; задача сведена к решению интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с разностным ядром, зависящим от рассчитываемых параметров датчика и от производной заданной функции свечения светодиода (фиг. 3). Для частного случая, когда зависимость - ступенчатая функция получено аналитическое решение для функции плотности вероятностей давления на произвольном локальном участке датчика; здесь ядро выражается через

дельта-функцию и интегральное уравнение Фредгольма сводится к алгебраическому.

Второй алгоритм сканирования позволяет непосредственно определить функцию неоднородного давления σ(z) по длине z датчика бегущей волной Uупр(z, t) управляющего напряжения: сначала экспериментально определяют пороговое значение амплитуды Uа(0) волны управляющего напряжения начала свечения на выходе из оптоволокна датчика и, далее, рассматривают последовательность шагов Uа(i) по увеличению амплитуды на малую величину ΔUa, Малое приращение ΔUа амплитуды волны при переходе от (i-1)-го к последующему i-му шагу сканирования инициирует появление «функции импульсов свечения» ΔIi(t) - свечение (дополнительно к уже светящимся участкам по длине датчика) новых участков светодиода датчика на участках z(i) действия узловых значений давления σ•(i). По виду функции импульсов свечения» ΔIi(t) и значению амплитуды Ua(i) на i-м шаге сканирования рассчитываются искомые узловые значения давления σ•(i) и локации соответствующих участков z(i). Таким образом, результирующие функции импульсов свечения ΔIi(t) носят экспериментально-расчетный характер, так как на каждом i-м шаге функции «полного свечения» Ii(t) определяется экспериментально, а вычеты Ii'(i)(t) рассчитываются по найденным на предыдущих шагах i' сканирования значениям давления σ•(i') и их локаций z(i'). Получены результаты (фиг. 4) численного моделирования процесса нахождения давления σ(z) бегущей волной для различных шагов сканирования (фиг. 5, 6, 7). На фиг. 5, 6, 7 изображены графики результатов численного моделирования «измеряемых» Ii(t), рассчитанных вычетов Ii'(i)(t) и результирующих импульсов ΔIi(t) интенсивностей свечения на выходе из оптоволокна на различных шагах сканирования.

Численные экспериментальные испытания показали, что по сравнению с известным устройством, достигается увеличение рабочей поверхности волокна, появляется возможность определения датчиком функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления, нахождения локаций зон повышенного давления. Анизотропия давления диагностируется с использованием составного датчика, включающим в себя от двух до шести датчиков заявляемой конструкции (фиг. 1, фиг. 2) с различными пространственными поляризациями пьезоэлектрических слоев для различных датчиков и скрепленных между собой защитной полимерной цилиндрической оболочкой, на которую с внешней стороны действует измеряемое давление. Благодаря этому повышается эффективность работы волоконно-оптического датчика давления для протяженных участков контроля.

1. Волоконно-оптический датчик давления, содержащий каркас, волоконно-оптический световод, расположенный коллинеарно оси каркаса, и приемник излучения, отличающийся тем, что каркас представляет собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью, слоя с n-проводимостью и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя, на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью и/или внешнюю сторону слоя с n-проводимостью каркаса нанесены пьезоэлектрические слои с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в каркасе под действием давления, на внешние стороны пьезоэлектрических слоев, или пьезоэлектрического слоя и слоя с p-проводимостью, или пьезоэлектрического слоя и слоя с n-проводимостью нанесены непрерывные вдоль оси датчика управляющие электроды, при этом волоконно-оптический световод расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя с возможностью передачи выходящего из указанного слоя светового потока приемнику излучения.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой имеет направление поляризации, ортогональное плоскостям слоев.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам измерения, в частности к пьезоэлектрическим датчикам давления, в конструкции которых используется пьезоэлемент. Пьезоэлектрический датчик для измерения быстропеременного давления газа или жидкости содержит корпус датчика, мембрану, жестко закрепленную в корпусе и герметизируемую наружным сварным швом, по меньшей мере один пьезоэлемент, расположенный в корпусе, неразрывную кинематическую цепь деталей, передающих усилие от давления среды на пьезоэлемент, пружинную шайбу, обеспечивающую предварительное сжатие пьезоэлемента, цепь деталей, передающих усилие предварительного сжатия на пьезоэлемент, по меньшей мере одна из которых компенсирует температурные деформации других деталей датчика.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения давления. Волоконно-оптический датчик давления содержит оптическое волокно, приемник излучения.

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.

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 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.

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.

Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон.

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям, в частности к оптическим датчикам давления и температуры, в конструкции которых использованы оптические волокна.

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.

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.

Использование: для создания волоконно-оптические средства измерения давления. Сущность изобретения заключается в том, что волоконно-оптический датчик давления содержит каркас, волоконно-оптический световод, расположенный коллинеарно оси каркаса, и приемник излучения, каркас представляет собой светодиод, состоящий из соединенных между собой слоя с p-проводимостью, слоя с n-проводимостью и расположенного между ними светоизлучающего p-n переходного слоя, на внешнюю сторону слоя с p-проводимостью иили внешнюю сторону слоя с n-проводимостью каркаса нанесены пьезоэлектрические слои с направлением поляризации, обеспечивающим возникновение электрического напряжения в каркасе под действием давления, на внешние стороны пьезоэлектрических слоев, или пьезоэлектрического слоя и слоя с p-проводимостью, или пьезоэлектрического слоя и слоя с n-проводимостью нанесены непрерывные вдоль оси датчика управляющие электроды, при этом волоконно-оптический световод расположен внутри или вблизи светоизлучающего p-n переходного слоя с возможностью передачи выходящего из указанного слоя светового потока приемнику излучения. Технический результат - обеспечение возможности увеличения рабочей поверхности волокна, определения функции распределения неоднородного по всей длине волокна давления, локация зон повышенного давления. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Наверх