close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9202

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 9202
(13) C1
(19)
(46) 2007.04.30
(12)
7
(51) G 01B 11/02,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01H 9/00,
G 02B 6/04
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
(21) Номер заявки: a 20040313
(22) 2004.04.07
(43) 2005.12.30
(71) Заявитель: Государственное учреждение высшего профессионального
образования "Белорусско-Российский университет" (BY)
(72) Авторы: Борисов Василий Иванович; Шилова Ирина Владимировна
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
учреждение высшего профессионального образования "Белорусско-Российский университет" (BY)
(56) JP 1098935 A, 1989.
SU 1571455 A1, 1990.
SU 1381411 A1, 1988.
JP 7306109 A, 1995.
JP 58055731 A, 1983.
JP 4001540 A, 1992.
JP 63225134 A, 1988.
BY 9202 C1 2007.04.30
(57)
Многоканальный волоконно-оптический датчик, содержащий источник излучения,
основание и крышку с периодическими изгибами, светопередающую часть, расположенную между периодическими изгибами основания и крышки и являющуюся чувствительным элементом датчика, приемник излучения, отличающийся тем, что светопередающая
часть выполнена в виде пучка волоконно-оптических световодов, содержащего зажатую
между периодическими изгибами основания и крышки плоскую часть, в которой волоконные световоды расположены в ряд таким образом, что на каждый волоконный световод воздействует измеряемая величина; при этом концы пучка выполнены в виде жгута
круглого сечения.
Фиг. 1
BY 9202 C1 2007.04.30
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в машиностроении для измерения перемещения, механического усилия, давления,
деформации.
Известна волоконно-интерференционная система измерения давления, содержащая
источник излучения, амплитудно-частотный модулятор, световоды, чувствительный элемент, расположенный на торце волоконного световода, направленный ответвитель и регистрирующее устройство. При этом чувствительный элемент представляет собой слоистую
структуру оптически прозрачных материалов, образующую голографический фильтр. При
приложении внешнего воздействия в виде сжатия или растяжения к чувствительному элементу изменяется положение его полосы прозрачности [1].
Однако у этой волоконно-интерференционной системы сложная юстировка, кроме того, для нее можно применять в качестве источника излучения только лазер.
Известен волоконно-оптический датчик, состоящий из источника излучения, двух поверхностей с периодическими изгибами, между которыми расположен волоконный световод, и приемника излучения. Датчик предназначен для измерения усилия, приложенного к
одной из поверхностей, микроперемещения этой поверхности [2].
Однако у этого датчика сложна юстировка, и в качестве источника излучения в нем
можно использовать только лазер.
Известен волоконно-оптический приемник градиента звукового давления, являющийся по сути волоконным интерферометром Маха-Цандера, имеющий в качестве датчика две
волоконные катушки, расположенные на известном расстоянии друг от друга, дополненный двухкольцевым интерферометром, имеющим три оптически связанные катушки. Развязка интерферометров осуществляется за счет использования различных длин волн,
генерируемых двумя лазерами. Двухкольцевой интерферометр используется для приема
слабых акустических сигналов, а однокольцевой - для приема более сильных акустических сигналов [3].
Однако у этого приемника звукового давления являются сложными юстировка и расшифровка сигнала.
Известен чувствительный элемент для волоконно-оптического датчика наличия поверхности, содержащий эластичную трубку с размещенными в ней оптическими волокнами. По одной части волокон излученный импульс передается объекту, а по другой части
волокон отраженный импульс передается приемнику излучения [4].
Однако у этого чувствительного элемента волоконные световоды используются только для передачи сигнала, на него не действует измеряемая физическая величина.
Наиболее близким по технической сущности является датчик измерения параметров
физического поля, включающий когерентный источник излучения, светопередающую
часть, состоящую из измерительных каналов (волоконные световоды), по которым проходят зондирующие сигналы, и приемника излучения. При этом из световодов формируют
измерительную сеть, для чего их размещают по меньшей мере по двум направлениям. По
длине волоконных световодов размещают элементы, чувствительные к измеряемому параметру физического поля. Таким образом, осуществляется томографическое восстановление распределения параметров физического поля в пределах контролируемой зоны [5].
Однако у такого датчика сложна юстировка, и в качестве источника излучения можно
использовать только лазер.
Задачей изобретения является разработка конструкции многоканального волоконнооптического датчика различных физических величин, который не имеет проблемы юстировки, может использовать в качестве источника излучения не только лазер, но и светодиод, и лампу накаливания и имеет большую чувствительность.
Поставленная задача достигается тем, что в многоканальном волоконно-оптическом
датчике, содержащем источник излучения, основание и крышку с периодическими изгибами, светопередающую часть, расположенную между периодическими изгибами основа2
BY 9202 C1 2007.04.30
ния и крышки и являющуюся чувствительным элементом датчика, и приемник излучения,
согласно изобретению, светопередающая часть выполнена в виде пучка волоконно-оптических световодов, содержащего зажатую между периодическими изгибами основания и
крышки плоскую часть, в которой волоконные световоды расположены в ряд таким образом, что на каждый волоконный световод воздействует измеряемая величина; при этом
концы пучка выполнены в виде жгута круглого сечения.
Мы провели анализ существующих волоконно-оптических датчиков и сделали вывод,
что большинство волоконно-оптических датчиков построены на одном волоконном световоде. А поскольку диаметр сердцевины волоконного световода в среднем 5-50 мкм, то
возникает задача ввода излучения в световод, для решения которой обычно используется
сложное юстировочное устройство. Мы для решения этой задачи предлагаем применять
многоканальный волоконно-оптический датчик перемещения в виде жгута волоконных
световодов, на каждый из которых воздействует измеряемое физическое поле. Таким образом, упрощается задача юстировки и усредняется сигнал от воздействия физической величины. Обычно для увеличения чувствительности увеличивают длину взаимодействия
световода с измеряемой физической величиной. В данном случае увеличение чувствительности происходит за счет увеличения числа измерительных каналов, на каждый из
которых воздействует измеряемая физическая величина. Кроме того, такая конструкция
позволяет использовать в качестве источника излучения не только лазер, но и светодиод,
лампу накаливания.
Пример конкретного исполнения.
На фиг. 1 изображена конструкция многоканального волоконно-оптического датчика
механического усилия. Она состоит из источника излучения 1, приемника излучения 2,
светопередающей части 3, основания 4, крышки 5, штифтов 6 и пружин 7. Источник излучения 1 и приемник излучения 2 на фиг. 1 не показаны. В качестве источника излучения 1
использовались лазер с длиной волны 621 нм, лампа накаливания и светодиоды: красный
суперъяркий и инфракрасный АЛ 107Б. В качестве приемника излучения 2 использовался
ваттметр оптический ОМ3-65. Основание 4 и крышка 5 имеют периодические изгибы 8 и
9 соответственно с периодом 2 мм. Длина датчика 5 см, ширина - 3 см, высота - 4 см. Для
создания светопередающей части 3 использовались многомодовые волоконные световоды
в полимерной оболочке с диаметром сердцевины 50 мкм, диаметром стеклянной оболочки
125 мкм. Эти волоконные световоды склеивались так, чтобы светопередающая часть 3
была круглой на концах в виде волоконно-оптического жгута 10 и плоской в середине 11,
в области воздействия измеряемой физической величины. Т.е. в середине светопередающей части 3 световоды выложены в линейку. Для изготовления светопередающей части
использовали 50 отрезков волоконного световода длиной 30 см. Светопередающая часть 3
зажимается плоской своей частью 11 между периодическими изгибами 8 и 9 основания 4
и крышки 5 соответственно. Штифт 6 глухо заделан в основание 4. Между крышкой 5 и
штифтом 6 имеется небольшой зазор, так что штифты 6 служат направляющими для
крышки 5. Пружины 7 одеваются на штифты 6.
На фиг. 2 приведены зависимости выходного сигнала от величины приложенной нагрузки при использовании следующих источников излучения: 1 - лазер; 2 - лампа накаливания; 3 - красный светодиод; 4 - инфракрасный светодиод.
Усилие нормировалось грузами, которые устанавливались на крышку. При увеличении массы на крышке уменьшается расстояние между периодическими изгибами крышки
и основания, и световод подвергается периодическим микроизгибам.
Проведенные эксперименты показали, что при использовании некогерентных источников (светодиода или лампы накаливания) чувствительность датчика выше, чем при использовании лазера. Это объясняется тем, что при применении высоконаправленного
лазера в качестве источника излучения преимущественно возбуждаются моды низких порядков, а моды высших порядков волоконных световодов возбуждаются не в полной мере.
3
BY 9202 C1 2007.04.30
А именно моды высших порядков преобразуются в излучательные моды световода и
влияют на чувствительность датчика. При нагрузке 9 кг на датчик с лазером в качестве
источника излучения амплитуда сигнала уменьшается на 35 %. Некогерентные источники
излучения в большей мере возбуждают моды высших порядков волоконных световодов.
Наибольшая чувствительность получена при использовании в качестве источника излучения инфракрасного светодиода. При нагрузке 9 кг амплитуда сигнала уменьшается на
50 %.
Из фиг. 2 видно, что при нагрузке свыше 2 кг зависимость выходного сигнала от величины нагрузки носит линейный характер.
Аналогичным образом с помощью заявленного датчика можно измерять перемещение,
т.е. расстояние между основанием 4 и крышкой 5, деформацию, давление.
Таким образом, проведенные исследования показали эффективность применения в
многоканальных волоконно-оптических датчиках некогерентных источников излучения
для возбуждения волоконных световодов.
Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 изображена конструкция многоканального волоконно-оптического датчика механического усилия. Она состоит из источника излучения 1, приемника излучения 2, светопередающей части 3, основания 4,
крышки 5, штифтов 6 и пружин 7. Источник излучения 1 и приемник излучения 2 на
фиг. 1 не показаны. В качестве источника излучения 1 использовались лазер, лампа накаливания и светодиод. В качестве приемника излучения 2 использовался ваттметр оптический ОМ3-65. Основание 4 и крышка 5 имеют периодические изгибы 8 и 9 соответственно
с периодом 2 мм. Для создания светопередающей части 3 использовались волоконные
световоды в полимерной оболочке с диаметром сердцевины 50 мкм, диаметром стеклянной оболочки 125 мкм. Эти волоконные световоды склеивались так, чтобы светопередающая часть 3 была круглой на концах в виде волоконно-оптического жгута 10 и
плоской в середине 11, в области воздействия измеряемой физической величины. Т.е. в
середине светопередающей части 3 световоды выложены в линейку. Светопередающая
часть 3 зажимается плоской своей частью 11 между периодическими изгибами 8 и 9 основания 4 и крышки 5 соответственно. Штифт 6 глухо заделан в основание 4. Между крышкой 5 и штифтом 6 имеется небольшой зазор, так что штифты 6 служат направляющими
для крышки 5. Пружины 7 одеваются на штифты 6. Жесткость пружины 7 зависит от
предполагаемой величины усилия. Чем большее измеряется усилие, тем больше жесткость
пружины 7.
Волоконно-оптический датчик работает следующим образом. Измеряемое усилие прикладывается к верхней поверхности крышки 5. При приложении усилия в волоконном
световоде светопередающей части 3 образуются микроизгибы, индуцирующие преобразование мод и выход энергии мод высших порядков в оболочку и окружающую среду.
Вследствие этого мощность излучения, попадающего на приемник излучения 2, уменьшается.
Применение предлагаемой конструкции позволяет:
1. Увеличивать чувствительность датчика за счет использования многих измерительных каналов, включенных параллельно.
2. Использовать в качестве источников излучения не только лазеры, но и некогерентные источники излучения типа светодиодов и ламп накаливания.
3. Упростить ввод излучения в волоконные световоды, так как конструкция датчика на
входе представляет собой волоконно-оптический жгут.
4
BY 9202 C1 2007.04.30
Источники информации:
1. Патент РФ RU 2084845 С1, МПК G 01L 1/00, G 01В 9/02, опубл. 20.07.97.
2. Патент JP 1098935, МПК G 01L 9/00, опубл. 17.04.89.
3. Патент РФ RU 94022687 А1, МПК G 02В 6/26, опубл. 27.07.96.
4. Патент РФ RU 2042158 С1, МПК G 02В 6/04, 6/44, G 01В 11/00, опубл. 20.08.95.
5. Патент РФ RU 2077803 С1, МПК G 01D 5/26, G 01Н 9/00, G 02F 1/095, опубл. 20.04.97.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
109 Кб
Теги
by9202, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа