Волоконно-оптичний датчик фізичних величин

Реферат: Волоконно-оптичний датчик фізичних величин містить джерело випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній сприйнятливості приймачів випромінювання, випромінювання якого поширюється по світловодам розгалужувача і створює потоки, які проходять через робочий і опорний канали, що мають однакові розміри та знаходяться в одній робочій зоні. В каналах розміщено оптично зв'язані вхідний світловод, чутливий світловод та вихідний світловод, та, поширюючись далі, потоки потрапляють на приймачі випромінювання, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання. UA 102140 U (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ДАТЧИК ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН UA 102140 U UA 102140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до волоконно-оптичних датчиків фізичних величин, що забезпечують зміну величини оптичного сигналу в результаті зміни величини контрольованого параметра, такого як тиск, переміщення або деформація, і може бути використана в умовах підвищеної дії теплових і електромагнітних полів, іонізуючих випромінювань і хімічно-агресивних середовищах. Відомий волоконно-оптичний датчик фізичних величин [Патент UA №13103. Волоконнооптичний датчик фізичних величин, МПК G01B 11/16 (2006.01). Опуб. 15.03.2006.], що має оптичний світловод, який розміщено між контрольованими поверхнями гребінчастої форми і який має згини, які зумовлені гребінчастими поверхнями. Технічним результатом даного винаходу є забезпечення спрощення конструкції волоконно-оптичного датчика фізичних величин. Недоліком такого волоконно-оптичного датчика фізичних величин є низька точність та чутливість вимірювання, обумовлена впливом зокрема температурного фактора, як на оптичний світловод, так і на інші конструкційні елементи датчика, а також даний датчик не дозволяє вимірювати деформації з заданою точністю в діапазоні малих деформацій внаслідок того, що чим менший радіус згину оптичного світловоду, тим менше значення деформації можна виміряти. Крім цього температурний фактор прямим чином впливає на визначення мінімального значення вимірювальної фізичної величини. Відомий волоконно-оптичний сенсор фізичних величин [Мікроелектронні сенсори фізичних величин: Науково-навчальне видання. В 3 томах. Том 3. Книга 2] / [В. Вуйцік, З.Ю. Готра, О.З. Готра, В.В. Григор'єв, В. Каліта, О.М. Мельник, Є. Потенцкі, В.В. Черпак; За редакцією З.Ю. Готри. - Львів: Ліга-Прес, 2007. - 367 с.], вибраний як прототип, який складається з оптично зв'язаних джерела випромінювання, світловоду, імерсійної ванни, приймача оптичного випромінювання, причому світловод розміщено між зубчастими пластинами, крім того світловод слугує і передавальним трактом. Недоліком такого волоконно-оптичного сенсора фізичних величин є низька точність та чутливість вимірювання, обумовлена впливом дестабілізуючих факторів, таких як температура середовища і нестабільність вихідної оптичної потужності джерела випромінювання. Дані фактори приводять до відхилення від нормованих метрологічних характеристик в процесі експлуатації. Даний сенсор не дозволяє вимірювати деформації з необхідною точністю в заданому діапазоні. В основу корисної моделі поставлено задачу створити волоконно-оптичний датчик фізичних величин з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні вимірювань фізичних величин, а також підвищення точності і чутливості вимірювання, підвищити надійність роботи датчика, мінімізувати відхилення від нормованих метрологічних характеристик в процесі експлуатації, мінімізувати вплив на інформативний сигнал дестабілізуючих факторів, таких як температура середовища і нестабільність вихідної оптичної потужності джерела випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що створений волоконно-оптичний датчик фізичних величин складається з джерела випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній сприйнятливості приймачів випромінювання, випромінювання якого поширюється по світловодам розгалужувача і створює потоки, які проходять через робочий і опорний канали, що мають однакові розміри та знаходяться в одній робочій зоні, згідно з корисною моделлю, в каналах розміщено оптично зв'язані вхідний світловод, чутливий світловод та вихідний світловод, та, поширюючись далі, потрапляють на приймачі випромінювання, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання, при цьому лише чутливий світловод робочого каналу зазнає впливу фізичної величини, і за отриманими значеннями вихідних сигналів на приймачах випромінювання, що фіксуються реєструючим пристроєм та надходять до блока перетворення, оброблення, зберігання та відображення інформації, визначають значення фізичної величини, згідно з корисною моделлю, вимірювання потоку випромінювання на вихідних світловодах каналів відбувається приймачами випромінювання, джерелом випромінювання є напівпровідникове джерело випромінювання. На кресленні наведена функціональна схема реалізації даного волоконно-оптичного датчика фізичних величин. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин містить джерело випромінювання 1, світловоди розгалужувача 2, волоконно-оптичний розгалужувач 3, вхідний світловод 4 робочого і опорного каналу, чутливий світловод 5 робочого каналу, чутливий світловод 5' опорного каналу, вихідний світловод 6 робочого і опорного каналу, приймачі випромінювання 7, реєструючий пристрій 8, блок перетворення, оброблення, зберігання та відображення отриманої інформації 9, канали розміщені в одній робочій зоні 10. Запропонований волоконно-оптичний датчик фізичних величин працює наступним чином. 1 UA 102140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Джерело випромінювання 1 з довжиною хвилі, що відповідає спектральній сприйнятливості приймачів випромінювання, створює потік випромінювання Ф0, який надходить на вхідний світловод розгалужувача 2, оптичний розгалужувач 3, де потік випромінювання Ф 0 розподіляється на відповідні за значеннями потоки Ф0і (де і =1, 2), що надходять по вихідним світловодам 2 розгалужувача, вхідний світловод 4 робочого і опорного каналу відповідно. Далі потоки випромінювання Ф0і, пройшовши через чутливий світловод робочого каналу 5 і чутливий світловод опорного каналу 5', послаблюються до величин потоків Фі (де і = 1, 2) відповідно, які, поширюючись по вихідним світловодам 6 каналів, надходять до приймачів випромінювання 7, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання. Реєструючий пристрій 8 фіксує сигнали, що надходять з приймачів випромінювання 7. Далі дані надходять до блока перетворення, оброблення, зберігання та відображення інформації 9. Робочі канали мають однакові розміри та знаходяться в одній робочій зоні. Лише чутливий світловод робочого каналу зазнає впливу фізичної величини, отже потік випромінювання, що пройшов робочий канал 5, послабився до відповідної величини потоку Ф 1. Потік, що пройшов опорний канал 5', не зазнаватиме змін, пов'язаних з дією фізичної величини, що вимірюється, при цьому дестабілізуючі фактори будуть однаково впливати на потоки Ф 0і. Оскільки дестабілізуючі фактори будуть однаково впливати на потоки у каналах, то потік випромінювання, що пройшов опорний канал 5', та послабився до відповідної величини потоку Ф2, слугує опорним сигналом, що відповідає нульовому значенню фізичної величини. Використовуючи дані, отримані з робочого та опорного каналу, визначається значення фізичної величини. Вимірювання фізичних величин з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні вимірювань фізичних величин, а також підвищення точності і чутливості вимірювання, а також мінімізація відхилення нормованих метрологічних характеристик в процесі експлуатації та мінімізація впливу на інформативний сигнал дестабілізуючих факторів, таких як температура середовища і нестабільність вихідної оптичної потужності джерела випромінювання, досягається за рахунок застосування робочого та опорного каналів, а саме - використовуючи дані, отримані з робочого та опорного каналів. Застосування робочого та опорного каналів (оскільки дестабілізуючі фактори будуть однаково впливати на потоки у каналах), а також світловодів, як чутливих елементів, дозволяє здійснювати вимірювання фізичних величин в умовах підвищеної дії теплових і електромагнітних полів, іонізуючих випромінювань і хімічно-агресивних середовищах. Оскільки схема представленого волоконно-оптичного датчика фізичних величин дозволяє перевірити справність як волоконно-оптичного датчика в цілому, так і кожного оптичного каналу зокрема, що підвищує надійність роботи датчика. Реєструючий пристрій дає змогу вибіркового або одночасного зчитування сигналу від приймача випромінювання кожного з каналів, що підвищує надійність роботи волоконно-оптичного датчика фізичних величин. Запропонований волоконно-оптичний датчик фізичних величин може бути використаний, як для дистанційного, так і для локального вимірювання відповідної фізичної величини. Підвищення чутливості вимірювання фізичних величинздійснюється шляхом вибору потрібного волоконно-оптичного світловоду (тип, довжина). У випадку використання приладів, які перетворюють інтенсивність випромінювання в частоту електричного сигналу, потоки випромінювання Фі, при попаданні випромінювання на приймачі, створюють на їх виходах, пропорційно до ступеня послаблення потоків, частоти fі (де і = 1, 2), де частота опорного каналу слугує опорним сигналом, що відповідає нульовому значенню фізичної величини, а частота робочого каналу, пропорційна дії фізичної величини, що вимірюється. Використання приладів, які перетворюють інтенсивність випромінювання в частоту електричного сигналу, підвищує точність та чутливість вимірювання фізичної величини. Використання напівпровідникового джерела випромінювання як джерела випромінювання також підвищує надійність вимірювання фізичної величини та підвищує надійність роботи датчика. Вузлові елементи каналів оптичного зв'язку, оптично-енергетичні параметри оптичних волокон дозволяють реалізовувати датчик з заданими параметрами для вимірювання відповідної фізичної величини, вартість якого економічно сумірна з вартістю звичайних волоконно-оптичних ліній зв'язку. 2 UA 102140 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин, що містить джерело випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній сприйнятливості приймачів випромінювання, випромінювання якого поширюється по світловодам розгалужувача і створює потоки, які проходять через робочий і опорний канали, що мають однакові розміри та знаходяться в одній робочій зоні, який відрізняється тим, що в каналах розміщено оптично зв'язані вхідний світловод, чутливий світловод та вихідний світловод, та, поширюючись далі, потоки потрапляють на приймачі випромінювання, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання, при цьому лише чутливий світловод робочого каналу зазнає впливу фізичної величини, і за отриманими значеннями вихідних сигналів на приймачах випромінювання, що фіксуються реєструючим пристроєм та надходять до блока перетворення, оброблення, зберігання та відображення інформації, визначають значення фізичної величини. 2. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин за п. 1, який відрізняється тим, що вимірювання інтенсивності поглинання випромінювання на вихідних світловодах вимірювальних кювет здійснюється приладами, які перетворюють інтенсивність випромінювання в частоту електричного сигналу, яка в свою чергу пропорційна ступеню послаблення потоку. 3. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин за одним з пп. 1-2, який відрізняється тим, що джерелом випромінювання є напівпровідникове джерело випромінювання. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3