Структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор тиску

Структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор тиску, який містить виконані за одне ціле штуцер з мембраною, яка має дзеркальну внутрішню поверхню, корпус, функціональний утримувач, який, як і штуцер, з'єднаний з корпусом сенсора, два світловоди, що закріплені в функціональному утримувачі, причому спільний торець світловодів розташований напроти дзеркальної поверхні мембрани на нормованій за значенням відстані d0, який відрізняється тим, що додатково введені високовольтний перетворювач, C2 2 (19) 1 3 78380 4 кінці світловодів закріплені в платі і торець одного чного матеріалу функціональним утримувачем, у з них встановлений напроти жорсткого центра якому додатково виконані наскрізний отвір та паз мембрани, а торець другого - напроти стовщеної для фіксації п'єзоелектричного перетворювача периферійної частини мембрани, яка зі сторони відносно повздовжньої вісі симетрії сенсора, присвітловоду виконана з кільцевим виступом, і встачому п'єзоелектричний перетворювач „напругановлену із зазором відносно мембрани світлозапереміщення" тороїдальної форми виготовлений із хисну кільцеву перегородку, яка розташована між зовнішнім діаметром у 1,2 ... 1,5 рази меншим ніж жорстким центром і кільцевим виступом. діаметр мембрани, перша клема з'єднана зі споНедоліком даного сенсора струму є наявність лученими між собою штуцером і корпусом за допохибки від не лінійності функції перетворення і помогою гвинтового з'єднання, друга клема викопохибки обумовленої неточністю встановлення нана у вигляді пістона, розташована з зовнішньої нормованої за значенням відстані між мембраною сторони наскрізного отвору функціонального та торцем світловода. Крім того, відомому сенсору утримувача та з'єднана з контактним елементом тиску властива похибка, яка обумовлена зміною кільцевої форми через відрізок струмопровідника, потужності потоку оптичного випромінювання, який обидва кінці якого з'єднані, відповідно, з пістоном подають на дзеркальну поверхню мембрани, при та з контактним елементом кільцевої форми, а вигинах світловодів. входи високовольтного перетворювача підключені Відомий волоконно-оптичний сенсор тиску до клем живлення, перший та другий виходи висо[А.С. SU 1631329 А1 МКИ 5. Датчик давления ковольтного перетворювача з'єднані з відповідни/И.С.Явелов. Бюл. №8, 1988], що включає в себе ми клемами сенсора. виконані за одне ціле штуцер з мембраною, яка На рисунку зображено конструкцію структурномає дзеркальну внутрішню поверхню, корпус, фуннадлишкового волоконно-оптичного сенсора тиску, кціональний утримувач, який, як і штуцер з'єднаде 1 - штуцер; 2 - мембрана; 3 - корпус; 4 - п'єзоний з корпусом сенсора, два світловоди, що закріелектричний перетворювач „напруга-переміщення" плені в функціональному утримувачі, причому тороїдальної форми; 5 - посріблений контактний один торець світловодів розташований напроти елемент кільцевої форми; 6 - функціональний дзеркальної поверхні мембрани на нормованій за утримувач; 7 і 10 - перша і друга клеми; 8 - високозначенням відстані d0. вольтний перетворювач; 9 - відрізок струмопровідНедоліком відомого сенсора є обмежений діаника; 11 і 12 - перший і другий світловоди. пазон вимірюваних тисків. Це обумовлено тим, що Структурно-надлишковий волоконно-оптичний робоча точка сенсора розташована на лінійній сенсор тиску містить виконані за одне ціле штуцер ділянці функції перетворення. За межами цієї ді1 з мембраною 2, яка має дзеркальну внутрішню лянки зростає похибка від не лінійності. Відомому поверхню, корпус 3 і функціональний утримувач 6. сенсору властива також додаткова похибка, яка Штуцер 1 з'єднаний з корпусом 3 сенсора за викликана лінійним розширенням конструктивних допомогою зварювання, а функціональний утриелементів сенсора при зміні температури оточуюмувач 6 - за допомогою різьбового з'єднання. Вочого середовища. локонно-оптичний сенсор тиску містить також пеВ основу винаходу покладена технічна задача рший і другий світловоди 11 і 12, які закріплені в створення структурно-надлишкового волоконнофункціональному утримувачі 6. При цьому спільоптичного сенсора тиску, який завдяки додатковоний торець світловодів 11 і 12 розташований наму введенню нових функціональних елементів та проти дзеркальної поверхні мембрани 2 на нормозв'язків між ними та з іншими функціональними ваній за значенням відстані d0. елементами сенсора, забезпечував би виключенУ структурно-надлишковий волоконноня похибки від не лінійності функції перетворення, оптичний сенсор тиску додатково введені високопохибки від зміщення початкового зазору між мемвольтний перетворювач 8, посріблений контактний браною та торцем світловодів, похибки від зміни елемент 5 кільцевої форми, перша та друга клеми потужності потоку оптичного випромінювання вна7 і 10, а також п'єзоелектричний перетворювач слідок вигинів волоконних світловодів, додаткової „напруга-переміщення" 4 тороїдальної форми. (температурної) похибки та міг би бути використаОстанній розміщений між мембраною 2 та виготоний при надлишкових вимірюваннях тиску. вленим з діелектричного матеріалу функціональПоставлена технічна задача вирішується заним утримувачем 6, у якому додатково виконані вдяки тому, що у стр уктурно-надлишковий волонаскрізний отвір та паз для фіксації п'єзоелектричконно-оптичний сенсор тиску, який містить виконаного перетворювача 4 відносно повздовжньої вісі ні за одне ціле штуцер з мембраною, яка має симетрії сенсора. дзеркальну внутрішню поверхню, корпус, функціоП'єзоелектричний перетворювач „напруганальний утримувач, який, як і штуцер з'єднаний з переміщення" 4 тороїдальної форми виготовлений корпусом сенсора, два світловоди, що закріплені в із зовнішнім діаметром у 1,2 ... 1,5 рази меншим функціональному утримувачі, причому спільний ніж діаметр мембрани 2. торець світловодів розташований напроти дзеркаПерша клема 7 з'єднана зі сполученими між льної поверхні мембрани на нормованій за знасобою штуцером 1 і корпусом 3 за допомогою гвиченням відстані d0 додатково введені високовольнтового з'єднання. Друга клема 10 виконана у витний перетворювач, посріблений контактний гляді пістона і розташована з зовнішньої сторони елемент кільцевої форми, перша та друга клеми, наскрізного отвору функціонального утримувача. п'єзоелектричний перетворювач „напругаДруга клема 10 з'єднана з контактним елементом переміщення" тороїдальної форми, який розміще5 кільцевої форми через відрізок струмопровідниний між мембраною та виготовленим з діелектрика 9, обидва кінці якого з'єднані відповідно з пісто 5 78380 6 ном 10 та з контактним елементом 5 кільцевої фомодуль Юнга матеріалу мембрани; m м - коефіцірми. єнт Пуассона матеріалу мембрани. Входи високовольтного перетворювача 8 підОдночасно на входи високовольтного переключені до клем живлення, а перший та другий творювача 8 від зовнішнього джерела живлення виходи з'єднані з відповідними клемами сенсора. подається напруга Uв. За допомогою високовольтСередовище, тиск якого вимірюють, підвоного перетворювача 8 напруга Uв перетворюється диться до штуцера структурно-надлишкового воу ви хідну напругу ±Uр, яка подається на першу та локонно-оптичного сенсора через клапан тиску (на другу клеми 7 та 10. В результаті між мембраною рисунку не показаний). 2 та контактним елементом 5 утворюється електЗапропонований структурно-надлишковий воричне поле з напруженістю Ер. Під дією цього поля локонно-оптичний сенсор тиску призначений для ширина h0 п'єзоелектричного перетворювача „навикористання у цифрових вимірювачах, що реаліпруга-переміщення" 4 збільшується на нормовану зують не тільки методи прямих вимірювань, але й за значенням величину D h0 ({ D h0}= {Sd}{.E p}, де новітні методи надлишкових вимірювань. Sd - коефіцієнт перетворення перетворювача „наСутність методів надлишкових вимірювань типруга-переміщення" 4). ску полягає у вимірюванні не однієї фізичної велиЗбільшення ширини п'єзоелектричного перечини - тиску, а ряду однорідних фізичних величин, творювача „напруга-переміщення" 4 на величину зв'язаних із тиском досліджуваного середовища за D h0 призводить до зменшення відстані, на яку певними правилами, з наступною обробкою отрипрогинається центр мембрани 2 в бік спільного маних результатів згідно з рівнянням надлишкових торця світловодів 11 і 12. вимірювань. Потік оптичного випромінювання, що відбиваТому запропоноване технічне рішення сенсора ється від дзеркальної поверхні мембрани 2, через тиску забезпечує формування двох додаткових світловод 12 подається на фотоприймач і перефізичних величин (тисків р1 і р2). Оскільки ці фізитворюється у напругу U 01. чні величини формують нормованими за значенЗа допомогою високовольтного перетворюваням, то спочатку опишемо процес калібрування ча 8 підбирається таке значення напруги ±U p1 при структурно-надлишкового волоконно-оптичного якому забезпечується виконання умови сенсора тиску. {U01} = {U00} і значення відстані, на яку прогиКалібрування структурно-надлишкового волонається центр мембрани 2, дорівнює нулю. Знаконно-оптичного сенсору тиску виконується настучення напруги ±U p1 запам'ятовується. пним чином. Таким чином, збільшення відстані d0 між Спочатку високовольтний перетворювач 8 вицентром мембрани 2 та спільним торцем світломикається. Клапан тиску на вході сенсора встановодів 11 і 12 на величину D d0 еквівалентно дії на влюється у закритий стан. При цьому виключаєтьмембрану 2 тиску; p1 ({p1} = {р0} - { D p0}). ся дія зовнішнього тиску на мембрану 2. Значення Далі у штуцер 1 підводиться інший регульоватиску у штуцері 1 встановлюється рівним нормоний з високою точністю тиск p02 ({p02} = {р0} ваному за значенням тиску р 0 у вн утрішній порож{ D p0}). Під дією тиску р 02 мембрана 2 прогинаєтьнині сенсора, що знаходиться з протилежного боку ся у бік спільного торця світловодів 11 і 12 на помембрани 2. Значення відстані між центром мембрани 2 та спільним торцем світловодів 11 і 12 двоєне значення відстані D d0. Потім, за допомогою високовольтного перезалишається рівним d0 (див. рисунок). творювача 8, підбирається таке значення напруги Потік оптичного випромінювання від зовніш±Uр2, при якому: ширина п'єзоелектричного перенього джерела по світловоду 11 подається на внутрішню поверхню мембрани 2. Частина потоку творювача „напруга-переміщення" 4 збільшується оптичного випромінювання, відбитого від дзеркана подвоєне значення величини D h0; значення льної поверхні мембрани 2 поступає у спільний відстані, на яку прогинається центр мембрани 2, торець світловодів 11 і 12. Потік оптичного випростає рівним нулю; значення напруги U02 на виході мінювання з виходу др угого світло вода 12 подафотоприймача дорівнює значенню напруги U0 ється на фотоприймач (на рисунку не показаний) і ({U02} ={U0}). Значення напруги ±U р2 запам'ятовуперетворюється у напругу U0, значення якої запається. м'ятовується. Таким чином, збільшення відстані d0 між Потім клапан тиску встановлюється у відкрицентром мембрани 2 та спільним торцем світлотий стан. У штуцер 1 підводиться регульований з водів 11 і 12 на подвоєне значення відстані D d0 високою точністю тиск p01, значення якого на нореквівалентно дії на мембрану 2 тиску p 2 ({p2} = {р0} мований за значенням приріст тиску D р0 більше - 2{ D p0}). ніж значення тиску р 0 ({p01} = {p0} + { D р0}). Під дією На цьому процес калібрування закінчується. тиску p01 мембрана 2 прогинається у бік спільного Запропонований структурно-надлишковий воторця світловодів 11 і 12 на нормовану за значенлоконно-оптичний сенсор тиску реалізує п'ять режимів роботи. ням відстань D d0: У першому режимі клапан тиску на вході сен{ D d0}={Spx}{ D р0}, сора встановлюється у закритий стан, а висоководе Spx - коефіцієнт перетворення тиску у відстань, льтний перетворювач 8 вимикається. Потік оптич2 причому S px = 3{Rм }4 1- mм / [16{Ем }{ м }]*; [1] Rм h ного випромінювання Ф0 від зовнішнього джерела - радіус мембрани; hм - товщина мембрани; Ем по світловоду 11 подається на мембрану 2. Частина потоку оптичного випромінювання Фм1, відбитого від дзеркальної поверхні мембрани 2, поступає { } [ ( )] 7 78380 8 у спільний торець світловодів 11 і 12. Значення Uф3 = SUФм3 (6) потужності потоку оптичного випромінювання Фм1 Значення напруги Uф3 (6) запам'ятовується. на вихідному торці світловоду 12 дорівнює [2] У четвертому режимі клапан тиску, що встано2 влений на вході сенсора переводиться у відкритий Rc F 0 F м1 = , стан. У штуцер 1 підводиться середовище, тиск рх 2 (1) éR + k d n 2 - n 2 ù якого вимірюється. В результаті під дією тиску рх 2 0 c об ú ê c центр мембрани 2 прогинається в бік спільного ë û торця світловодів 11 і 12 на відстань dх ({dх}= {Sрх} де Rс - радіус серцевини світловодів; nc - показник {рх}). заломлення серцевини світловодів; noб - показник Одночасно, як і у третьому режимі, за допомозаломлення оболонки світловодів; k2 - постійний гою високовольтного перетворювача 8 між мемкоефіцієнт, k2 = 1. браною 2 і контактним елементом 5 кільцевої фоПотік оптичного випромінювання Фм1 (1) з вирми створюється електричне поле з напруженістю ходу другого світловода 12 подається на фотоЕр2. В результаті збільшення ширини п'єзоелектприймач (на рисунку не показаний) і перетворюричного перетворювача 4 на подвоєне значення ється у напругу Uф1 = SUФм1 (2) величини D h0 відстань dх, на яку прогнувся центр мембрани 2, зменшується на подвоєне значення де SU - вольтова чутливість фотоприймача. Значення напруги Uф1 (2) запам'ятовується. величини D d0. У другому режимі на вхід високовольтного пеЧастина потоку оптичного випромінювання ретворювача 8 подається напруга UВ1. В результаті 2 R c F0 на виході високовольтного перетворювача 8 форF м4 = , 2 (7) мується напруга ±Uр1, яка подається на клеми 7 та éR + k ( d - d + k Dd ) n 2 - n 2 ù 2 0 x 2 0 c об ú ê c 10. В результаті між мембраною 2 та контактним ë û елементом 5 утворюється електричне поле з навідбитого від дзеркальної поверхні мембрани 2, пруженістю Еp1. Під дією цього поля ширина h 0 поступає на спільний торець світловодів 11 і 12. З п'єзоелектричного перетворювача „напругавиходу др угого світловода 12 потік оптичного випереміщення" 4 збільшується на нормовану за промінювання Фм4 (7) подається на фотоприймач і значенням величину D h0. Це призводить до збіперетворюється у напругу льшення відстані між центром мембрани 2 та спіUф4 = SUФм4 (8) льним торцем світловодів 11 і 12 на нормовану за значення якої запам'ятовується. П'ятий режим роботи сенсора ідентичний четзначенням величину D d0. Частина потоку оптичного випромінювання вертому режиму за винятком того, що між мем2 браною 2 і контактним елементом 5 кільцевої фоR c F0 F м2 = , рми створюється електричне поле з напруженістю 2 (3) Ер1, а ширина п'єзоелектричного перетворювача 4 é R + k (d + Dd ) n 2 - n 2 ù 2 0 0 c об ú ê c збільшується на нормовану за значенням величиë û відбитого від дзеркальної поверхні мембрани 2, ну D h0. В результаті дії тиску рх на мембрану 2 відстань між її центром та спільним торцем світлопоступає на спільний торець світловодів 11 і 12. Потік оптичного випромінювання Фм2 (3) з виходу водів 11 і 12 зменшується на величину dх. Збільдругого світловода 12 подається на фотоприймач і шення ширини п'єзоелектричного перетворювача перетворюється у напругу 4 на величину D h0 призводить до зменшення на Uф2 = SUФм2 (4) D d0 відстані dx, на яку прогнувся центр мембрани значення якої запам'ятовується. 2 до спільного торця світловодів 11 і 12. У третьому режимі на вхід високовольтного Частина потоку оптичного випромінювання перетворювача 8 подається напруга Uв2. В резульR 2 F0 c Fм 5 = , таті на виході високовольтного перетворювача 8 2 (9) éR + k ( d - d + Dd ) n 2 - n 2 ù формується напруга ±U р2, яка подається на першу 2 0 x 0 c ê c об ú ë û і другу клеми 7 і 10. Під дією електричного поля з відбитого від дзеркальної поверхні мембрани 2, напруженістю Ер2, що утворюється між мембраною поступає на спільний торець світловодів 11 і 12. З 2 та контактним елементом 5, ширина h0 п'єзоелевиходу др угого світловода 12 потік оптичного виктричного перетворювача „напруга-переміщення" промінювання Фм5 (9) подається на фотоприймач і 4 збільшується на подвоєне значення величини перетворюється у напругу D h0. В результаті мембрана 2 прогинається у бік Uф5 = SUФм5 (10) протилежний до спільного торця світловодів 11 і Значення напруги Uф5 (10) запам'ятовується. 12 на подвоєне значення відстані D d0. Якщо за допомогою запропонованого волоЧастина потоку оптичного випромінювання конно-оптичного сенсора тиску реалізувати всі 2 Rc F 0 п'ять режими роботи, то можна визначити значенF м3 = , 2 ня невідомого тиску р х згідно з рівнянням надлиш(5) é R + k (d + k Dd ) n 2 - n 2 ù кових вимірювань c 2 0 2 0 c об ú ê ë û Uф1[ ф2Uф3 (Uф4 - Uф5 )+ Uф4Uф5 ( ф2 - Uф3 )] U U px = Dp0 . (11) відбитого від дзеркальної поверхні мембрани 2, Uф4Uф5 [Uф1( ф2 - Uф3 ) + Uф3 ( ф2 - Uф1 )] U U поступає на спільний торець світловодів 11 і 12. З При обробці результатів проміжних вимірювиходу др угого світловода 12 потік оптичного вивань (2), (4), (6), (8) і (10) за рівнянням надлишкопромінювання Фм3 (5) подається на фотоприймач і вих вимірювань (11) забезпечується виключення перетворюється у напругу 9 78380 10 похибки від не лінійності функції перетворення, Позитивний ефект отриманий завдяки додатпохибки від зміщення початкового зазору між мемковому введенню нових функціональних елементів браною та спільним торцем світловодів 11 і 12, та їх зв'язків між собою та з іншими функціональпохибки від зміни потужності потоку оптичного ними елементами структурно-надлишкового воловипромінювання внаслідок вигинів волоконних конно-оптичного сенсора тиску. світловодів 11 і 12 та додаткової (температурної) Таким чином, структурно-надлишковий волопохибки. Це неважко показати, якщо у рівняння конно-оптичний сенсор тиску забезпечує вирішеннадлишкових вимірювань (11) підставити рівняння ня зазначеної технічної задачі. величин (2), (4), (6), (8) та (10) і привести подібні. 1. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. ВолоконноЗавдяки створенню описаного сенсора тиску оптические датчики: Физические основы, вопросы був досягнутий позитивний ефект - створення расчёта и применения. -М.: Энергоатомиздат, структурно-надлишкового волоконно-оптичного 1990. -С.170. сенсора тиску, який може бути використаний не 2. Волоконная оптика и приборостроение тільки при прямих, але й при надлишкових вимі/М.М. Бутусов, С.Л. Галкин, С.П. Оробинский, Б.П. рюваннях тиску. Пал. -Л.: Машиностроение, 1987. -С.95. Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601