Волоконно-оптичний датчик електростатичного поля

Реферат: Волоконно-оптичний датчик електростатичного поля складається з чутливого елемента, блока живлення і блока реєстрації. Чутливий елемент являє собою предметну та опорну котушки оптичного світловоду з ніобату літію з віддзеркалюючим шаром з сапфірового скла на вихідних кінцях, на циліндричній основі зі сплаву інвар, випромінювання до яких надходить крізь мультиплексор/демультиплексор та оптичні розгалужувачі від джерела лазерного випромінювання та повертається до фотоприймача, зв'язаного з блоком реєстрації. UA 117953 U (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ДАТЧИК ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ UA 117953 U UA 117953 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до волоконно-оптичних датчиків електростатичного поля, які засновано на керуванні електрооптичними властивостями матеріалів. Область застосування для контролю об'ємного заряду статичної електрики на виробництвах і об'єктах при роботі з пожежовибухонебезпечними газоповітряними і рідкими середовищами, а також для вимірювання і контролю статичної електрики атмосфери [1, 2, 3]. Відомий датчик контролю електростатичного поля, який містить чутливий елемент у вигляді ідентичних сегнетоелектричних електродів - конденсаторів змінної ємності, включених в протилежні плечі мосту електричної схеми, ідентичні конденсатори постійної ємності, електричну антену, блок живлення і блок реєстрації [4]. Недоліки пристрою, які обумовлені використанням сегнетоелектричних електродів конденсаторів та електричного живлення: - необхідність постійного корегування геометрії та властивостей електродів - конденсаторів в умовах впливу негативних неконтрольованих експлуатаційних та кліматологічних факторів; необхідність забезпечення додаткових технологічних заходів щодо пожежевибухобезпечності процесу вимірювання; - необхідність компенсації впливу випадкових електромагнітних імпульсів на антену для уникнення створення умов для появи паразитної модуляції інформаційного сигналу; - складність електричної схеми та конструкції; - необхідність використання крім сенсорних елементів великої кількості додаткових елементів і устаткування. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до корисної моделі, що пропонується, є датчик який складається з чутливого елемента на основі електродівконденсаторів з сегнетоелектричної плівки змінної ємності, розташованої на підкладці, зарядочутливого підсилювача, блока живлення і блока реєстрації [5]. Недоліки пристрою, які обумовлені використанням електродів-конденсаторів з сегнетоелектричної плівки та електричного живлення: - необхідність постійної корекції деградації властивостей сегнетоелектричної плівки, яка використовуються в умовах концентрованого впливу негативних неконтрольованих експлуатаційних факторів; - необхідність забезпечення додаткового захисту тонкої сегнетоелектричної плівки від впливу негативних неконтрольованих експлуатаційних та кліматологічних факторів; необхідність забезпечення додаткових технологічних заходів щодо пожежовибухобезпечності процесу вимірювання; - складність електричної схеми та конструкції. Задачею корисної моделі є створення волоконно-оптичного датчика електростатичного поля, у якому відсутня необхідність корекційних дій з підтримки геометрії та властивостей елементів датчика, забезпечена пожежовибухобезпечності процесу вимірювання та одночасно збережені високий рівень чутливості та швидкодія пристроїв відомих типів. Поставлена задача вирішується тим, що у волоконно-оптичному датчику електростатичного поля, що складається з чутливого елемента, блока живлення і блока реєстрації, згідно з корисною моделлю, чутливий елемент являє собою предметну та опорну котушки оптичного світловоду з ніобату літію з віддзеркалюючим шаром з сапфірового скла на вихідних кінцях, на циліндричній основі зі сплаву інвар, випромінювання до яких надходить крізь мультиплексор/демультиплексор та оптичні розгалужувачі від джерела лазерного випромінювання та повертається до фотоприймача, зв'язаного з блоком реєстрації. Технічний ефект досягається завдяки тому, що комбінація електрооптичних елементів забезпечує: - більш адекватного перетворення параметрів електростатичного поля у зміни інформаційного сигналу; - компенсації впливу дестабілізуючих факторів на вимірювальний канал датчика; - пожежовибухобезпечність процесу вимірювання; - відсутність необхідності постійного корегування геометрії елементів датчика. Суть корисної моделі пояснюється кресленням (фіг. 1), де зображені предметна котушка 1 та опорна котушка 4. Котушки намотані на циліндричній основі 2, яка вмонтовується у контрольований трубопровід 3. Кожна з котушок має на вихідному кінці віддзеркалюючий шар з сапфірового скла 5. Від джерела 8 надходить живлення до джерела випромінювання 9. Далі оптичне випромінювання крізь оптичні розгалужувачі 6, та мультиплексор/демультиплексор 7, надходить одночасно до обох котушок. Після відбивання від віддзеркалюючого шару, крізь оптичні розгалужувачі, та мультиплексор/демультиплексор, перетворене випромінювання повертається до фотоприймача 10 та блока реєстрації 11. 1 UA 117953 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При русі середовища у контрольованому трубопроводі створюється електростатичне поле. В наслідок цього, у предметній котушці змінюються електрооптичні коефіцієнти ніобату літію, з якого вироблено світловод. Це призводить до виникнення у світловоді ефекту Поккельса явища утворення подвійного променепереломлення в оптичному середовищі. Наслідком цих процесів є зміна інтенсивності оптичного випромінювання, що проходить крізь предметну котушку, відбивається від віддзеркалюючого шару та повертається назад до мультиплексора/демультиплексора [5, 6, 7]. Величина зареєстрованої електростатики буде пропорційною до інтенсивності частки оптичного випромінювання, яке відбилося від віддзеркалюючого шару та повернулося до мультиплексора/демультиплексора. Випромінювання при проході крізь мультиплексор/демультиплексор, розподіляється за довжинами хвиль. Перелік фігур креслення. Волоконно-оптичний датчик електростатичного поля: 1 - предметна котушка; 2 - основа; 3 контрольований трубопровід; 4 - опорна котушка; 5 - віддзеркалюючий шар з сапфірового скла; 6 - оптичний розгалужувач; 7 - мультиплексор/демультиплексор; 8 - джерело живлення; 9 джерело випромінювання; 10 - фотоприймач; 11 - блок реєстрації. Відомості, які підтверджують можливість здійснення корисної моделі. Для здійснення корисної моделі застосовано комбінацію електрооптичних елементів. Основа використовується для монтажу та взаємної фіксації елементів датчика. У статичному режимі (відсутність статичної електрики), випромінювання у прямому напрямку надходить до мультиплексора/демультиплексора. У останньому відбувається розподіл випромінювання за довжинами хвиль, кожна з яких відповідає випромінюванню, що прямуватиме у прямому та зворотному напрямку. Після надходження до предметної та опорної котушок відбувається зменшення частки випромінювання яке обумовлено впливом неконтрольованих негативних експлуатаційних та кліматологічних факторів [5, 6, 7]. Опорна котушка при цьому розташовується поза контрольованим трубопроводом. Решта випромінювання у котушках відбивається від віддзеркалюючого шару та повертається крізь розгалужувачі до мультиплексора/демультиплексора. До блока реєстрації сигнали з предметної та опорної котушок надходять з протилежними знаками та методом диференційної селекції калібрування датчика для компенсації впливу неконтрольованих фізичних полів. У динамічному режимі, тобто появи електростатичного поля при русі середовища у контрольованому трубопроводі, у предметній котушці змінюються електрооптичні коефіцієнти ніобату літію, з якого вироблено світловод. Це призводить до виникнення у світловоді ефекту Поккельса - явища утворення подвійного променепереломлення в оптичному середовищі. Наслідком цих процесів є зміна інтенсивності оптичного випромінювання, що проходить крізь предметну котушку, відбивається від віддзеркалюючого шару та повертається назад до мультиплексора/демультиплексора [5, 6, 7]. Величина зареєстрованої електростатики буде пропорційною до інтенсивності частки оптичного випромінювання, яке відбилося від віддзеркалюючого шару та повернулося до блока реєстрації [8]. Випромінювання при проході крізь мультиплексор/демультиплексор, розподіляється за довжинами хвиль. Подальша обробка випромінювання, що надходить з демультиплексора, дозволить отримати електричний сигнал, який буде пропорційний величині електростатичного поля. Джерела інформації: 1. Гуляев, Ю.В., Меш, М.Я., Проклов, В.В. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. - М.: Радио и связь, 1991. - 150 с. 2. Аш, Ж. Датчики измерительных систем. В 2 книгах. Кн. 2. Пер. с франц. - М.: Мир, 1992. 424 с. 3. Гавричев, В.Д., Дмитриев, А.Л. Волоконно-оптические датчики магнитного поля. - СПб.: СПбНИУ ИТМО, 2013. - 83 с. 4. Пат. РФ 2485528, МПК G01R 29/00, опубл. 20.06.2013 г. 5. http://poleznayamodel.ru/model/14/147601.html. 6. Снайдер А., Лав Д. Теория оптических волноводов. - М.: Радио и связь, 1987. - 656 с. 7. Удд, Э. Волоконно-оптические датчики. - М.: Техносфера, 2008. - 520 с. 8. Бусурин, В.И., Носов, Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с. 2 UA 117953 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Волоконно-оптичний датчик електростатичного поля, що складається з чутливого елемента, блока живлення і блока реєстрації, який відрізняється тим, що чутливий елемент являє собою предметну та опорну котушки оптичного світловоду з ніобату літію з віддзеркалюючим шаром з сапфірового скла на вихідних кінцях, на циліндричній основі зі сплаву інвар, випромінювання до яких надходить крізь мультиплексор/демультиплексор та оптичні розгалужувачі від джерела лазерного випромінювання та повертається до фотоприймача, зв'язаного з блоком реєстрації. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3