Волоконно-оптичний датчик фізичних величин

Реферат: Волоконно-оптичний датчик фізичних величин містить імпульсне джерело випромінювання, підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднано з виходом фотоприймача, а електричний вихід підключений до блока обробки інформації, входи світловодів підключені до джерела випромінювання, а їхні виходи розміщені напроти фотоприймача та закріплені на підкладці. Імпульсні джерела випромінювання працюють незалежно один від одного з різною періодичністю та тривалістю часу і створюють незалежні світлові канали, які проходять через світловоди, що закріплені на окремих підкладках. Фотоприймач містить активний елемент виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними на поверхню (001) компланарними контактами. Величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлових каналів біля його контактів, блок обробки інформації містить з'єднані між собою аналогово-цифровий перетворювач та мікропроцесор, який керує роботою підсилювача фотоструму з різною періодичністю та тривалістю часу. UA 104813 C2 (12) UA 104813 C2 UA 104813 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв вимірювальних приладів, які відрізняються оптичними засобами вимірювання, а саме до волоконно-оптичних датчиків, що забезпечують зміну оптичного сигналу у результаті зміни величини контрольованого параметру, такого як тиск, переміщення або деформація і може бути використаний у приладо- та машинобудуванні, а також в авіаційній та космічній промисловості. Відомий волоконно-оптичний датчик фізичних величин, що має оптичний світловод, який розміщено між контрольованими поверхнями гребінчастої форми і який має згини, які зумовлені гребінчастими поверхнями [1]. Технічним результатом даного винаходу є забезпечити спрощення конструкції волоконно-оптичного датчика фізичних величин. Недоліком такого волоконно-оптичного датчика фізичних величин є обмежена область використання, внаслідок того, що за допомогою нього можна вимірювати переміщення або деформацію в одній зоні досліджуваної конструкції і тільки при лінійному стискуванні або розтягу без врахування напрямку переміщення. Крім того він не дозволяє вимірювати локальні деформації з заданою точністю в діапазоні малих деформацій внаслідок того, що чим менший радіус згину оптоволокна, тим менше значення деформації або переміщення можна виміряти. Відомий волоконно-оптичний датчик фізичних величин, який має декілька світловодів, які розміщено паралельно один одному і покриті загальною оболонкою. Світлова енергія розповсюджується по одному оптичному волокну, зміни деформації або гідростатичного тиску викликають зміну світлової енергії, яка потрапляє в суміжні світловоди. Світловоди розміщені таким чином, що інтенсивність світла в суміжних світловодах є функцією деформації або гідростатичного тиску і вона відносно нечутлива до коливань температури [2]. Недоліком такого волоконно-оптичного датчика фізичних величин є обмежена область використання, внаслідок того, що за допомогою нього можна вимірювати зміщення або деформацію в одній зоні досліджуваної конструкції і тільки при лінійному стискуванні або розтягу без врахування напрямку зміщення та не дозволяє вимірювати локальні деформації з заданою точністю в діапазоні малих деформацій. Крім того завдяки наявності багатьох суміжних світловодів для вимірювання деформації в одній зоні, конструкція цього датчика суттєво ускладнена. Відомий волоконно-оптичний датчик фізичних величин, який вибрано як найближчий аналог, що має генератор імпульсних сигналів, підключене до його входу джерело випромінювання, встановлені послідовно підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднано з виходом приймача випромінювання, та блок оброблення інформації, а також підкладку, стержневий обмежувач, закріплений перпендикулярно до її площини в шарикопідшипнику з зовнішнім кільцем, запресованим врівень з підкладкою, причому блок оброблення інформації виконано у вигляді двох схем вибирання-зберігання (СВЗ), синхронізуючі входи яких підключені до генератора, а інформаційні входи - до виходу підсилювача фотоструму, з'єднаних послідовно з пристроєм обчислення та кінцевого підсилювача, вихід якого є виходом блока, входи пристрою обчислення з'єднані з виходами відповідних СВЗ, одна з яких запам'ятовує мінімальні значення сигналу від підсилювача фотоструму, а інша - максимальне, світловод розміщений на площині підкладки і має петлю в середній частині, що охоплює стержень обмежувача, кінці світловоду розміщені прямолінійно і співвісні та закріплені на підкладці таким чином, що найкоротша відстань між центральною віссю стержня та оптичною віссю кінців світловоду дорівнює максимальному внутрішньому діаметру петлі, містить у собі другий світловод, з'єднаний своїм входом із джерелом випромінювання, і складається з двох співвісних прямолінійних ділянок, прикріплених до підкладки на найкоротшій відстані між їхньою оптичною віссю і центральною віссю стержня перпендикулярно з оптичною віссю прямолінійної ділянки першого світловоду і петлі в середній його частині, утримуваної вільно на площині підкладки тим же стержневим обмежувачем, а вихідний кінець другого світловоду приєднаний до входу другого приймача випромінювання, електричний вихід якого підключений до блока обробки інформації, що додатково містить дві інші СВХ, послідовно з'єднані з ними другий пристрій обчислення, другий кінцевий підсилювач, вихід якого є другим виходом блока, при цьому синхронізуючі та інформаційні входи других двох СВХ підключені відповідно до виходів генератора імпульсних сигналів і підсилювача фотоструму таким чином, що одна з других СВХ запам'ятовує мінімальне значення сигналу від другого підсилювача фотоструму, а інша - максимальне. Крім того, у датчик уведені дві прикріплені до внутрішньої поверхні петлі другого світловоду світловідбиваючі гнучкі пластинки (СГП), два закріплених нерухомо до підкладки світловодних джгута (СВЖ), що складаються з одного випромінюючого і трьох приймальних світловодів, а оптичні осі СВЖ збігаються з площиною оптичної осі петлі другого світловоду і розміщені по її мінімальному діаметру, причому входи випромінюючих світловодних джгутів підключені до джерела випромінювання, а їхні виходи разом із входами приймальних світловодних джгутів розміщені напроти центра СГП 1 UA 104813 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 із зазором між СГП і торцями світловодів, виходи приймальних світловодів приєднані через третій і четвертий приймачі випромінювання до входів суматора, вихід якого підключений до третього підсилювача фотоструму, а вихід останнього є третім виходом датчика. Даний датчик дозволяє проводити вимірювання деформацій у двох ортогональних напрямках одночасно та в одній або декількох локальних зонах досліджуваної конструкції [3]. Недоліком такого волоконно-оптичного датчика фізичних величин є наявність багатьох світловодів для вимірювання деформації без врахування напрямку зміщення або деформації. Крім того, в ньому використано стержневий обмежувач, ускладнений блок оброблення інформації, світловідбиваючі гнучкі пластинки, що робить конструкцію даного волоконнооптичного датчика значно складною. Відомо, що наявність неоднорідностей різних типів та пов'язаного з ними потенціального рельєфу суттєво впливає на властивості нерівноважних напівпровідників, створюючи значні флуктуації електростатичного потенціалу, що приводить до фотовольтаїчних ефектів [4]. Задачею винаходу є розробка такого волоконно-оптичного датчика фізичних величин, який має просту конструкцію, розширену область використання та дозволяє вимірювати локальні малі переміщення або деформації з заданою точністю незалежно у двох зонах досліджуваної конструкції з врахування напрямків їх змін. Поставлена задача вирішується тим, що волоконно-оптичний датчик фізичних величин містить імпульсне джерело випромінювання, підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднано з виходом фотоприймача, а електричний вихід підключений до блока обробки інформації, входи світловодів підключені до джерела випромінювання, а їхні виходи розміщені напроти фотоприймача, імпульсні джерела випромінювання активуються незалежно один від одного з різною періодичністю та тривалістю часу, фотоприймач має два вікна, навпроти яких розміщені відповідні виходи світловодів, що закріплені на різних рухомих підкладках і містить активний елемент, виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sib) з нанесеними на поверхню (001) компланарними контактами, блок обробки інформації містить з'єднані між собою аналоговоцифровий перетворювач та мікропроцесор, який синхронно керує роботою підсилювача фотоструму та джерелами випромінювання. Використання двох імпульсних джерел випромінювання, які працюють незалежно один від одного з різною періодичністю та тривалістю часу, дозволяє створити два незалежні світлові канали, які почергово проходять через відповідні світловоди, входи яких підключені до відповідних джерел випромінювання, а їхні виходи розміщені напроти фотоприймача та закріплені на окремих підкладках в різних зонах вимірювання локального переміщення або деформації конструкції, дозволяє значно розширити область використання волоконнооптичного датчика фізичних величин при спрощенні його конструкції. Фотоприймач містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку з моносульфіду германію (GeS), легованого сурмою (Sb) в кількості 0,5-1,0 ат. % з нанесеними компланарними омічними контактами, при освітленні якої світловим потоком виникає фотоерс. Фотоерс досягає максимального значення при розміщенні світлового каналу біля одного з контактів і зменшується по мірі переміщення світлового каналу в бік другого контакту, приймаючи нульове значення посередині між ними, після чого, змінивши полярність на протилежну, знову зростає і досягає максимального значення біля другого контакту (Фіг. 1). Так як зміна положення світловода, закріпленого на рухомій підкладці в зоні вимірювання локального переміщення або деформації конструкції, приводить до зміни положення світлового потоку на поверхні монокристалічної пластинки по відношенню до її контактів, то в результаті цього відбувається зміна величини фотоерс на контактах фотоприймача та сигналу на вході підсилювача фотоструму. Така робота активного елемента фотоприймача дозволяє використати два незалежні світлові А і Б потоки з різних зон вимірювання локального переміщення або деформації конструкції та врахувати напрямки їх змін, що значно розширює область використання волоконно-оптичного датчика та спрощує його конструкцію. Блок обробки інформації містить з'єднані між собою аналогово-цифровий перетворювач та мікропроцесор, який керує роботою підсилювача фотоструму з різною періодичністю та тривалістю часу, що дозволяє разом з джерелами випромінювання, які також працюють з різною періодичністю та тривалістю часу проводити незалежні вимірювання локального переміщення або деформації в різних зонах конструкції з врахування напрямку таких змін, використовуючи при цьому один фотоприймач. Така конструкція блока обробки інформації є простою та забезпечує вимірювання малих локальних переміщень або деформацій з заданою точністю. 2 UA 104813 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На Фіг. 1 наведена залежність величини сигналу на вході підсилювача фотоструму від положення світлового каналу між контактами фотоприймача. На Фіг. 2 наведена функціональна схема волоконно-оптичного датчика фізичних величин. Фотоприймач 1 волоконно-оптичного датчика фізичних величин містить корпус 2, який виготовлений із непрозорого для світлового випромінювання матеріалу з теплопровідною 3 підкладкою, на якій розміщений активний 6 елемент, виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними на поверхню (001) компланарними контактами 7 і 9, які з'єднані з струмовиводами 8 і 10. Корпус 2 фотоприймача 1 має два вікна 4 і 5, навпроти яких розміщені виходи світловодів 17 і 19, що закріплені на рухомих 20 і 18 підкладках, які знаходяться в зонах локального переміщення або деформації конструкції, а входи світловодів 17 і 19 підключені до імпульсних джерел 16 і 15 випромінювання. Вхід підсилювача 11 фотоструму з'єднано з струмовиводами 8 і 10 (виходом) фотоприймача 1, а електричний вихід підключений до блока 12 обробки інформації, що містить аналоговоцифровий 13 перетворювач та мікропроцесор 14. Входи світловодів 19 і 17 підключені до імпульсних джерел 15 і 16 випромінювання. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин працює наступним чином. В початковий момент часу мікропроцесор 14 активується імпульсне джерело 15 випромінювання, утворюючи світловий імпульс, який пройшовши через вхід світловода 19 на його виході формує світловий потік А. Внаслідок цього, на виході фотоприймача 1, який розміщений навпроти виходу світловода 19 так, що світловий потік А, пройшовши через вікно 4, попадає на активний елемент 6 біля контакту 9, виникає фотоерс певної полярності та величини. Поява фотоерс на вході підсилювача 11 фотоструму активує роботу аналогоцифрового перетворювача 13, а мікропроцесор 14 вмикає підсилювач фотоструму. На електричному виході підсилювача 11 фотоструму утворюється напруга U 0A пропорційна величині фотоерс на виході фотоприймача 1, яка приймається за опорну напругу для світлового потоку А. Величина та полярність напруги на виході підсилювача 11 фотоструму передається на аналогово-цифровий 13 перетворювач, який генерує відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять мікропроцесора 14. Коли спад напруги на виході підсилювача 11 фотоструму рівний U0A мікропроцесор 14 переходить в режим таймера. В інший момент часу активується імпульсне джерело 16 випромінювання, яке генерує світловий імпульс, що пройшовши через світловод 17 на його виході, який закріплений на підкладці 18 в іншій зоні локального переміщення або деформації, утворює світловий потік Б. Внаслідок цього, на виході фотоприймача 1, який розміщений навпроти виходу світловода 17 так, що світловий канал Б, пройшовши через вікно 5, попадає на активний 6 елемент біля контакту 7, виникає фотоерс протилежної полярності та іншої величини. Поява фотоерс на вході підсилювача 11 фотоструму активує мікропроцесор 14 та аналогово-цифровий 13 перетворювач. Одночасно, мікропроцесор 14 вмикає підсилювач 11 фотоструму на електричному виході якого утворюється напруга U 0Б тієї ж полярності та пропорційна величині фотоерс на виході фотоприймача 1, яка приймається за опорну напругу для каналу Б. Величина та полярність напруги на виході підсилювача 11 фотоструму передається на аналоговоцифровий 13 перетворювач, який генерує відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять мікропроцесора 14. Коли спади напруг на виході підсилювача 11 фотоструму рівні U 0А і/або U0Б мікропроцесор 14 переходить в режим таймера. У випадку коли відбулися переміщення або деформації в локальних зонах, то положення підкладок 20 і/або 18, що закріплені за відповідними зонами, пропорційно змінилося і привело до зміни положень виходів світловодів 19 і/або 17 навпроти фотоприймача 1. Одночасно в тій же площині відбулися і відповідні зміни у положеннях світлових потоків А і/або Б по відношенню до контактів 9 і/або 7 активного 6 елемента, що привело до зміни фотоерс на виході фотоприймача 1 та вмиканню мікропроцесора 14 і вимірюванню величин та полярностей напруг відповідно UА та UБ на виході підсилювача 11 фотоструму. Відповідні величини та полярності напруг на виході підсилювача 11 фотоструму передаються на аналогово-цифровий 13 перетворювач, який генерує відповідні цифрові коди для занесення їх в пам'ять мікропроцесора 14. Робота мікропроцесора 14 з різною періодичністю та тривалістю часу задається апаратно або програмно в залежності від області використання волоконно-оптичного датчика фізичних величин. Завдяки роботі джерел 15 і 16 та мікропроцесора 14 в імпульсному режимі забезпечується незалежне вимірювання переміщення або деформації в локальних зонах з різною періодичністю та тривалістю часу. Збільшення або зменшення величини напруг U А і UБ по відношенню до відповідних величин опорних напруг U 0А і U0Б дозволяє визначити напрями переміщення або 3 UA 104813 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 деформації в локальних зонах, а різниця у значеннях величин напруг U А і UБ та відповідно U0А і U0Б пропорційна величині переміщення або деформації. Чутливість та діапазон вимірюваних переміщень або деформацій волоконно-оптичного датчика фізичних величин, що заявляється, можна змінювати незалежно по світлових потоках А і Б, розміщуючи їх таким чином, щоб вони в початковий момент часу попадали на активний 6 елемент біля відповідних контактів 9 і 7 на різних відстанях до них (Фіг. 1). Плоскопаралельна монокристалічна 6 пластинка моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) вирощена із газової фази методом статичної сублімації в герметично запаяних попередньо відкачаних кварцових ампулах. Габітус кристалів - плоскопаралельні пластинки з природними атомно-гладкими поверхнями розміром до 15×8×0,1 мм. На поверхню (001) одержаної монокристалічної пластинки наносилися компланарні індієві контакти. Лінійність вольт-амперних характеристик при освітленості контактів пластинки та в темноті підтверджує омічність контактів [4]. Ширина світлового зонда не перевищувала 0,5 мм. Для спрощення конструкції та підвищення точності вимірювань малих зміщень або деформацій в локальних зонах досліджуваної конструкції підсилювач фотоструму розміщений в одному корпусі з фотоприймачем. Для розширення області використання блок обробки інформації додатково містить блок відображення інформації. Наявність блока відображення інформації дозволяє відображати виміряні абсолютні величини локальних зміщень або деформацій з врахуванням напрямків їх змін, що розширює область його використання. Запропонований волоконно-оптичний датчик фізичних величин має просту конструкцію, розширену область використання та дозволяє вимірювати локальні малі зміщення або деформації з заданою точністю незалежно у різних зонах досліджуваної конструкції з врахування напрямків їх змін. Джерела інформації: 1. Патент UA № 13103. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин, МПК G01B 11/16 (2006.01). Опуб. 15.03.2006. 2. Патент US № 4295738А. МПК G01B 11/16. Опуб. 20.10.81. 3. Патент RU № 2196301. Волоконно-оптический датчик физических величин, МПК G01B 11/16. Опуб.10.01.2004. 4. Блецкан Д.И. Кристаллические и стеклообразные халькогениды Si, Ge, Sn и сплавы на их основе. - Ужгород. ВАТ "Видавництво "Закарпаття»». -2004. - Т.І. - 292 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин, що містить імпульсні джерела випромінювання, підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднано з виходом фотоприймача, а електричний вихід підключений до блока обробки інформації, входи світловодів підключені до джерел випромінювання, а їхні виходи розміщені напроти фотоприймача, який відрізняється тим, що імпульсні джерела випромінювання активуються незалежно один від одного з різною періодичністю та тривалістю часу, при цьому фотоприймач має два вікна, навпроти яких розміщені відповідні виходи світловодів, що закріплені на різних рухомих підкладках, і містить активний елемент, виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними на поверхню компланарними контактами, блок обробки інформації містить з'єднані між собою аналоговоцифровий перетворювач та мікропроцесор, який синхронно керує роботою підсилювача фотоструму та джерелами випромінювання. 2. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювач фотоструму розміщений в одному корпусі з фотоприймачем. 3. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин за будь-яким із пп. 1-2, який відрізняється тим, що блок обробки інформації додатково містить блок відображення інформації. 4 UA 104813 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко 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 5