Преобразователь механических величин в оптический сигнал

Преобразователь механических величин в оптический сигнал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 r_c - радиус сердцевины оптического волокна, α - максимальный угол прогиба мембраны, W - максимальный прогиб центра мембраны, x₀=d_ОВ/2tgθ_NA, где d_ОВ, θ_NA - 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 d_ОВ и длиной а, определяемой выражением а=2d_ОВtgθ, 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:

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

I_о.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.