Волоконно-оптичний датчик тиску

Реферат: Волоконно-оптичний датчик тиску містить світлодіод, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, оптично зв'язані з мембранним чутливим елементом передавальний та приймальний світловоди, що пов'язані відповідно з світлодіодом і фотоприймачем. В нього додатково введені (n-1) передавальних світловодів, (n-1) світлодіодів, при цьому торці передавальних світловодів розміщені уздовж горизонтальної і вертикальної осей симетрії мембрани, а приймальний світловід розміщений на початку системи координат, фотоприймач через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний з мікроконтролером, який своїм входом підключений до датчика температури, першим виходом - до індикатора, а другим виходом - до драйвера світлодіодів, що з'єднаний з світлодіодами, які пов'язані з передавальними світловодами. UA 92188 U (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ДАТЧИК ТИСКУ UA 92188 U UA 92188 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може використовуватися для вимірювання тиску в інформаційно-вимірювальних системах. Відомий пристрій для вимірювання тиску, який містить триканальний кільцевий волоконнооптичний колектор, джерело світла, фотоприймачі та пружну мембрану [Шапарь В.Н., Свечников СВ., ЯгнуровВ.Х., Васильєва В.И. Кольцевые многоканальные волоконно-оптические преобразователи для оптических датчиков физических величин // Сборник научных трудов III Международной научной конференции "Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники". - Харьков-Кацивели, 2010. - С. 224-229]. Недоліками пристрою є недостатня точність вимірювання тиску, обумовлена впливом вібрацій, температури та інших факторів, а також неможливість його застосування для випробування мембран. Найбільш близьким до запропонованого є волоконно-оптичний датчик тиску, який містить світлодіод, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, передавальний і приймальний світловоди, що пов'язані відповідно з світлодіодом і фотоприймачем, а загальний торець світловодів оптично пов'язаний з мембранним чутливим елементом (Пат. № (11) 2184945, РФ, MПК GO1L 11/02,G01L9/00; заявка 2000127133/28 від 31.10.2000 р.; опубл. 10.07.2002 р.). Недоліком пристрою є недостатня точність вимірювання тиску, обумовлена впливом вібрацій, температури та інших факторів, а також неможливість його застосування для випробування мембран. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити волоконно-оптичний пристрій для вимірювання тиску, що забезпечує можливість з більшою точністю визначати значення величини вимірюваного тиску і надасть можливість застосовувати його для випробування мембран з метою оцінки їх працездатності. Для вирішення визначеної задачі у волоконно-оптичному датчику тиску, який містить світлодіод, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, оптично зв'язані з мембранним чутливим елементом передавальний і приймальний світловоди, що пов'язані відповідно з світлодіодом і фотоприймачем, згідно з корисною моделлю додатково введені (п-1) передавальних світловодів, (n-1) світлодіодів, при цьому торці передавальних світловодів розміщені уздовж горизонтальної і вертикальної осей симетрії мембрани, а приймальний світловід розміщений на початку системи координат, фотоприймач через аналого-цифровий перетворювач під'єднаний до мікроконтролера, який своїм входом підключено до датчика температури, першим виходом - до індикатора, а другим виходом - до драйвера світлодіодів, що з'єднаний з світлодіодами, які пов'язані з передавальними світловодами. Застосування сканування концентричних зон деформації поверхні мембрани волоконнооптичними перетворювачами за рахунок додаткового введення нових елементів і нових зв'язків між ними дозволяє підвищити точність вимірювання тиску і дає можливість використовувати пристрій для випробування мембран з метою оцінки їх працездатності. На фіг. 1 зображено конструкцію волоконно-оптичного датчика тиску, на фіг. 2 - розміщення торців світловодів перед площиною мембрани, а на фіг. 3 - функціональну схему датчика. Волоконно-оптичний датчик тиску складається з мембранного чутливого елемента 1, який закріплено в корпусі 2. Перед мембраною розташовані n передавальних світловодів 3 і приймальний світловід 4, на виході якого встановлено фотоприймач 5. На входах передавальних світловодів встановлено n світлодіодів 6. Торці світловодів оптично зв'язані з мембранним чутливим елементом. Передавальні світловоди розміщені уздовж горизонтальної і вертикальної осей симетрії мембрани, а приймальний світловід розміщений на початку системи координат. Фотоприймач через аналого-цифровий перетворювач 7 під'єднаний до мікроконтролера 8, який своїм входом підключено до датчика температури 9, першим виходом - до індикатора 10, а другим виходом - до драйвера світлодіодів 11. Драйвер світлодіодів з'єднаний з світлодіодами, які пов'язані з передавальними світловодами. Волоконно-оптичний датчик тиску для випадку, коли кількість передавальних світловодів п=16, працює наступним чином. Мікроконтролер 8 виконує почергове включення світлодіодів 6 шляхом подачі цифрових сигналів драйверу світлодіодів 11. Драйвер перетворює отриманий сигнал у номер світлодіода, який необхідно підключити, і подає на нього струм фіксованої величини. Світлодіод, в свою чергу, перетворює цей струм у світловий потік. Передвальні світловоди 3 почергово, відповідно з програмою, засвічують поверхню мембрани 1, яка закріплена в корпусі 2 та сприймає тиск Р. Засвічування, наприклад, виконується спочатку по горизонтальній, а потім по вертикальній осях симетрії мембрани (від крайніх світловодів 3 до центрального приймального світловоду 4). Мембрана під дією тиску Р, 1 UA 92188 U 5 температури, а також вібрацій змінює свою форму. Відбиті від поверхні мембрани світлові сигнали потрапляють в зону приймального світловоду 4, а по ньому на фотоприймач 5, який перетворює інтенсивність світлового потоку в напругу. Отримані значення напруги в аналого-цифровому перетворювачі 7 перетворюються в цифровий код. Після того, як мікроконтролер отримав 16 значень напруги, він виконує розрахунок поточного значення тиску з використанням алгоритму цифрової обробки сигналів, а також його коригування по показаннях цифрового датчика температури 9. При цьому значення тиску визначається за формулою Pкор  Р ср  Р , де 4 Р ср  10 4 і1 і1  Ргорі  Рвер і - середнє значення тиску; 8 Р  fT (T) - поправка з урахуванням дії температури Т, яка вибирається з пам'яті мікроконтролера; Р гор - значення тиску, яке і визначається за результатами вимірювання відбитих оптичних сигналів, що надходять від двох передавальних світловодів, торці яких розміщені на горизонтальній осі симетрії мембрани (вліво та вправо) на однакових відстанях від початку координат; Р вер - значення тиску, яке і 15 визначається за результатами вимірювання відбитих оптичних сигналів, що надходять від двох передавальних світловодів, торці яких розміщені на вертикальній осі симетрії мембрани (уверх та униз) на однакових відстанях від початку координат. Причому Р гор  fгор (Uср.гор ) , а і i і Р вер і  fвер i (Uср.вер і ) вибираються з пам'яті мікроконтролера за середніми значеннями напруги, 20 25 30 що отримані після перетворення відбитих світлових сигналів, що надійшли від відповідних передавальних світловодів. Отримане значення тиску Р кор передається на цифровий індикатор 10. За рахунок сканування поверхні мембрани світловими сигналами та обробки в мікроконтролері перетворених відбитих сигналів зменшуються похибки від впливу температури, вібрацій та інших факторів. При випробуванні мембрани на її вхід подаються еталонні значення тиску, а в мікроконтролері знайдені за перетвореними відбитими оптичними сигналами прогини мембрани порівнюються з еталонними, що зберігаються у пам'яті мікроконтролера. За результатами порівняння видається інформація про працездатність мембрани. Використання запропонованого волоконно-оптичного датчика дозволяє підвищити точність вимірювання тиску, розширити його функціональні можливості, а саме забезпечення функції випробування мембран для оцінки їх працездатності. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Волоконно-оптичний датчик тиску, який містить світлодіод, фотоприймач, мембранний чутливий елемент, оптично зв'язані з мембранним чутливим елементом передавальний та приймальний світловоди, що пов'язані відповідно з світлодіодом і фотоприймачем, який відрізняється тим, що в нього додатково введені (n-1) передавальних світловодів, (n-1) світлодіодів, при цьому торці передавальних світловодів розміщені уздовж горизонтальної і вертикальної осей симетрії мембрани, а приймальний світловід розміщений на початку системи координат, фотоприймач через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний з мікроконтролером, який своїм входом підключений до датчика температури, першим виходом - до індикатора, а другим виходом - до драйвера світлодіодів, що з'єднаний з світлодіодами, які пов'язані з передавальними світловодами. 2 UA 92188 U 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