Волоконно-оптичний датчик переміщення

Реферат: Волоконно-оптичний датчик переміщення 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 компланарними контактами. Величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлових каналів біля його контактів, блок обробки інформації керує роботою підсилювача фотоструму, що розміщений з фотоприймачем в одному корпусі з різною періодичністю та тривалістю часу і з'єднаний з блоком відображення інформації. UA 80955 U (12) UA 80955 U UA 80955 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв вимірювальних приладів, які відрізняються оптичними засобами вимірювання, а саме до волоконно-оптичних датчиків, що забезпечують зміну величини оптичного сигналу у результаті зміни величини контрольованого параметру, такого як тиск, переміщення або деформація. Відомий волоконно-оптичний датчик фізичних величин, що має оптичний світловод, який розміщено між контрольованими поверхнями гребінчастої форми і оптичний світловод 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 прототип, 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 із зазором між СГП і торцями світловодів, виходи приймальних світловодів приєднані через 1 UA 80955 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 корисної моделі є розробка такого волоконно-оптичного датчика переміщення, який має просту конструкцію, розширену область використання та дозволяє вимірювати локальні малі переміщення з заданою точністю незалежно у двох зонах досліджуваної конструкції з врахування напрямків їх змін. Поставлена задача вирішується тим, що волоконно-оптичний датчик переміщення 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, відрізняється тим, що 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 0,51,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними компланарними контактами, величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлових каналів біля його контактів, блок обробки інформації керує роботою підсилювача фотоструму, що розміщений з фотоприймачем в одному корпусі з різною періодичністю та тривалістю часу і з'єднаний з блоком відображення інформації. 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 конструкції, дозволяє значно розширити область використання волоконно-оптичного датчика 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 каналом 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. Так як зміна положення світловода, закріпленого на підкладці в зоні вимірювання локального переміщення або деформації конструкції, приводить до одночасної зміни положення світлового каналу на поверхні монокристалічної пластинки по відношенню до контактів, то це приводить до зміни величини фотоерс на контактах фотоприймача та сигналу на вході підсилювача фотоструму. Така робота фотоприймача дозволяє використати два незалежні світлові канали в різних зонах вимірювання локального переміщення конструкції з врахування напрямку їх змін, що значно розширює область використання волоконно-оптичного датчика та спрощує його конструкцію (фіг. 1). Блок обробки інформації керує роботою підсилювача фотоструму, який розміщений з фотоприймачем в одному корпусі 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 в різних зонах конструкції з врахування напрямку таких змін, використовуючи при цьому один фотоприймач. Блок відображення інформації дозволяє відслідковувати величини та напрямки переміщень підкладок в зонах малих локальних переміщень та виводити отриману інформацію на дисплей або інший носій інформації. Така конструкція волоконно-оптичного датчика переміщення є простою та забезпечує вимірювання малих локальних переміщень з заданою точністю. 2 UA 80955 U 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 переміщення. Фотоприймач 1 волоконно-оптичного датчика переміщення 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. Робоча сторона корпусу 2 має два вікна 4 і 5, які розміщені таким чином, що світлові канали А і Б проходячи через них попадають на активний 6 елемент відповідно біля контактів 9 і 7. Вхід підсилювача 11 фотоструму з'єднано з струмовиводами 8 і 10 (виходом) фотоприймача 1, а електричний вихід підключений до блока 13 обробки інформації, що з'єднаний з блоком 14 відображення інформації. Підсилювач 11 фотоструму та фотоприймач 1 розміщені в корпусі 12. Входи світловодів 19 і 17 підключені до імпульсних джерел 15 і 16 випромінювання, а їхні виходи розміщені напроти фотоприймача 1 та закріплені на різних підкладках 18 і 20, що знаходяться в зонах локального переміщення конструкції. Волоконно-оптичний датчик переміщення працює наступним чином. В початковий момент часу активується імпульсне джерело 15 випромінювання, яке генерує світловий імпульс, що пройшовши через світловод 19 на його виході, який закріплений на підкладці 20 в зоні локального переміщення, утворює світловий канал А. Внаслідок цього, на виході фотоприймача 1, який розміщений навпроти виходу світловода 19 так, що світловий канал А, пройшовши через вікно 4, попадає на активний 6 елемент біля контакту 9, виникає фотоерс певної полярності та величини, яка активує блок 13 обробки інформації. Одночасно, на електричному виході підсилювача 11 фотоструму утворюється напруга U0A тієї ж полярності та пропорційна величині фотоерс на виході фотоприймача 1, яка приймається за опорну напругу для каналу А. Величина та полярність напруги на виході підсилювача 11 фотоструму передається на блок 13 обробки інформації, який генерує відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять. Коли спад напруги на виході підсилювача 11 фотоструму рівний U 0A блок 13 обробки інформації 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, утворює світловий канал 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 б елемент біля контакту 7, виникає фотоерс протилежної полярності та іншої величини. Поява фотоерс на вході підсилювача 11 фотоструму активує блок 13 обробки інформації. Одночасно, на електричному виході підсилювач 11 фотоструму утворюється напруга U0Б 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 блок 13 обробки інформації, який генерує відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять. Коли спад напруги на виході підсилювача 11 фотоструму рівний U 0Б блок 13 обробки інформації переходить в режим таймера. У випадку коли відбулися переміщення 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 каналів А і/або Б по відношенню до контактів 9 і/або 7 активного 6 елемента, що привело до зміни фотоерс на виході фотоприймача 1 і вмиканню блока 13 обробки інформації та вимірюванню величин та полярностей напруг відповідно UA та UБ на виході підсилювача 11 фотоструму. Відповідні величини та полярності напруг на виході підсилювача 11 фотоструму передаються на блок 13 обробки інформації, який генерує відповідні цифрові коди для занесення їх в пам'ять. Робота блока 13 обробки інформації з різною періодичністю та тривалістю часу задається апаратно або програмно в залежності від області використання волоконно-оптичного датчика переміщення. Завдяки роботі джерел 15 і 16 та блока 13 обробки інформації в імпульсному режимі забезпечується незалежне вимірювання переміщень в локальних зонах з різною періодичністю та тривалістю часу. Збільшення або зменшення величини напруг U A і UБ по відношенню до відповідних величин опорних напруг U0A і U0Б дозволяє визначити напрями переміщення в локальних зонах, а різниця у значеннях величин напруг UA і UБ та відповідно U0A і U0Б пропорційна величині переміщення. Чутливість та діапазон вимірюваних переміщень волоконно-оптичного датчика переміщень, що заявляється, можна змінювати незалежно по 3 UA 80955 U 5 10 15 20 світлових каналах 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 × 8x0,1 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. Запропонований волоконно-оптичний датчик переміщення має просту конструкцію, розширену область використання та дозволяє вимірювати локальні малі зміщення 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 G01B11/16, Опуб. 20.10.81. 3. Патент RU №2196301, Волоконно-оптический датчик физических величин, МПК G01B11/16, 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 КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 Волоконно-оптичний датчик переміщення, що 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, який відрізняється тим, що 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 компланарними контактами, величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлових каналів біля його контактів, блок обробки інформації керує роботою підсилювача фотоструму, що розміщений з фотоприймачем в одному корпусі з різною періодичністю та тривалістю часу і з'єднаний з блоком відображення інформації. 4 UA 80955 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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