Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления

Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Известные технические решения таких измерителей основаны на использовании классических интерферометров, плечи которых выполнены из оптических одномодовых волокон, одно из которых является чувствительным к изменению давления (измерительное волокно), а второе волокно (опорное) к изменению давления нечувствительно. При воздействии давления на чувствительное волокно в результате его деформации изменяется длина оптического пути и набег фазы по измерительному волокну, что приводит к фазовой модуляции интерференционного сигнала, который может быть продетектирован и преобразован в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине давления. Подобные датчики описаны в Патенте США №4751690, 05/15/1984 «Fiber optic interferometric hydrophone». Патенте США №4449210, 06/14/1988 «Fiber optic hydrophone transducers», Патенте США 535944510/25/1994 «Fiber optic sensor». Патенте РФ RU 229511, «Лазерный гидрофон». Патенте RU 2106072 «Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон» и др.

Общим конструктивным недостатком указанных датчиков является то, что их чувствительность непосредственно зависит от длины измерительного и опорного волокна и для измерения малых величин давлений длины волокон могут достигать сотни метров, что существенно увеличивает габариты датчиков и их массу. Кроме этого намотка измерительного волокна должна производиться с определенным и постоянным натяжением, чтобы избежать деформации самого волокна (микрорастяжения).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий 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 приемная мембрана нагружена на несколько волоконных катушек различной длины, которые составляют предметные интерферометрические плечи, включающие когерентные источники света и фотоприемники, («Волоконно-оптический гидрофон». Патент РФ № 2112229 от 29.01.1996, МПК G01M 11/02).

Недостатком прототипа является невозможность плавного изменения чувствительности и динамического диапазона, и изменение этих величин возможно только дискретно путем электронного переключения плеч локальных интерферометров с различными длинами измерительных и опорных волокон. Фактически такой датчик состоит из нескольких однотипных интерферометрических датчиков с измерительными волокнами различной длины, нагруженными на одну чувствительную к акустическому давлению мембрану.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах, используя интерферометр только с одними и фиксированной длинами измерительного и опорного плеч.

Технический результат достигается за счет того, что оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий 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, 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, при этом нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное интерферометрическое плечо образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное интерферометрическое плечо 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, а мембрана датчика и зеркала выполнены из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например из ситала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена схематично конструкция предлагаемого датчика, а на Фиг. 2. поясняется принцип его работы.

Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света 1, входное оптическое волокно 2, микрообъектив 3, световой делитель 4, нижнее неподвижное зеркало 5 опорного интерферометрического плеча, акустическую мембрану 6 с нижним зеркальным покрытием, неподвижное двустороннее зеркало 7, микрообъектив 8, выходное оптоволокно 9, фотоприемник 10, электронное устройство обработки фотоэлектрического сигнала 11 и корпус 12, в котором расположены все элементы датчика.

Устройство работает следующим образом. Световой поток от лазерного источника света 1, пройдя по входному оптоволокну 2, дополнительно коллимируется с помощью микрообъектива 3. Далее, с помощью светового делителя 4 световой поток вводится под определенными и одинаковыми углами в измерительное интерферометрическое плечо датчика, образованное нижней зеркальной поверхностью акустической мембраны 6 и верхней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала 7, и в опорное интерферометрическое плечо датчика, образованное нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала 7 и нижним неподвижным зеркалом 5. При этом при отсутствии акустического давления световые лучи будут распространяться в измерительном и опорном плечах, испытывая одинаковые многократные переотражения от поверхностей зеркал. Длины оптических путей в измерительном и опорном плечах зависят от угла ввода, длины зеркал и зазоров между ними. Оценки показывают, что возможные длины оптических путей могут доходить до сотни метров при различных вариациях геометрических размеров и угла ввода. При фиксированных длинах зеркал эффективная длина оптического пути существенно зависит только от угла ввода, и, изменяя этот угол, можно в широких пределах изменять чувствительность датчика, поскольку его чувствительность к акустическому давлению прямо пропорциональна длине оптического пути. При воздействии акустического давления на мембрану 6 длина оптического пути в измерительном плече будет изменяться, что приводит к изменению интерферометрического оптического сигнала (его модуляции).

Поясним принцип работы устройства. Пусть два зеркала расположены на расстоянии d, их длина равна L (Фиг. 2) Под углом φ вводится оптический луч. Тогда путь луча до первого отражения равен

D = d C o s ϕ                                                 ( 1 )

А катет напротив угла φ равен

s = d t g ϕ                                                       ( 2 )

Если на длине L укладывается целое число отрезков s, то число отражений луча равно

N = L s = L d t g ϕ                                                         ( 3 )

Тогда полный оптический путь луча, многократно отраженного от зеркал, равен

L o p t = N D = L D d t g ϕ C o s ϕ = L S i n ϕ                                    ( 4 )

При воздействии акустического давления верхнее зеркало относительно нижнего начнет смещаться и величины d и s тоже будут уменьшаться. Найдем такое смещение, при котором число отражений N увеличится на единицу.

Если L=Ns+s/2=s(N+1/2)=d₀tgφ(N+1/2) или d₀=L/tgφ(N+1/2), то при смещении зеркала на величину < Δ d 2 число отражений N меняться не будет.

При этом

L o p t = N D = ( N / cos ϕ ) d .                                               ( 8 )

Если расстояние между зеркалами меняется по закону изменения акустического давления d=d₀+ξcosωt, то

L o p t = ( N / cos ϕ ) d 0 + ( N / cos ϕ ) ξ cos ω t ,   п р и   ξ < Δ d 2 .                      ( 9 )

Если данное устройство поместить в одно плечо двухлучевого интерферометрического датчика, то, как следует из (9), чувствительность измерения перемещений (смещений) увеличится в N/cosφ раз по сравнению с обычным интерферометром. Таким образом, чувствительность по давлению возрастает с увеличением длины зеркал и увеличением угла ввода φ.

Данное устройство обладает несколькими основными преимуществами по сравнению с известными оптоволоконными интерферометрическими датчиками давления. Во-первых, в нем оптические волокна используются только для ввода и вывода оптического излучения, т.е. устраняются известные проблемы намотки оптических волокон большой длины. Во-вторых, такая схема позволяет плавно изменять чувствительность приемника давления в очень широких пределах путем изменения угла ввода оптического излучения. В-третьих, известно, что любые интерферометрические волоконно-оптические датчики, предназначенные для измерения давлений, крайне чувствительны к изменениям окружающей температуры, и в них приходится вводить специальные и дополнительные узлы для компенсации температурных флуктуаций Предлагаемое устройство может быть практически не чувствительно к изменениям окружающей температуры, если, например, его зеркальные элементы выполнить из ситала, обладающего рекордно низким коэффициентом температурного расширения.

1. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий 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, отличающийся тем, что он 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, при этом нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное интерферометрическое плечо образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное интерферометрическое плечо 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.

2. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления по п. 1, отличающийся тем, что мембрана датчика и зеркала выполнены из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например из ситалла.