волоконно-оптический чувствительный элемент для измерительных преобразователей физических величин

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический чувствительный элемент для измерительных преобразователей физических величин, содержащий не менее двух образующих упругий элемент консольно закрепленных балок, инерционную массу, содержащий по крайней мере одну оптически сопряженную пару из передающего и приемного волоконных световодов, один из которых соединен с инерционной массой, а торец второго находится напротив торца первого световода пары, отличающийся тем, что консольно закрепленными балками, образующими упругий элемент, являются волоконные световоды, при этом инерционная масса закреплена непосредственно на этих световодах, причем один из них входит в оптически сопряженную пару из передающего и приемного световодов.

2. Волоконно-оптический чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что световод, торец которого находится напротив торца световода консольного упругого элемента, образующего с ним оптически сопряженную пару, также закреплен консольно и входит в состав другого упругого элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин и, в частности, может быть использовано в качестве чувствительного элемента в гравиметрах, сейсмоприемниках, а также в других измерительных преобразователях физических величин, например в акселерометрах, вибропреобразователях.

Известны волоконно-оптические чувствительные элементы, содержащие волоконные световоды и сопряженные с ними оптические элементы, например, чувствительный преобразователь ускорений (заявка ЕПВ N 0251048, кл. G 01 P 15/08, 1987), оптический вибропреобразователь (авт.св. СССР N 1739301, кл. G 01 P 15/08, 1990) и другие, общей особенностью которых является использование в качестве упругого чувствительного элемента консольно закрепленного стержня (балочки) с инерционной массой, на который с помощью световода подается оптический сигнал. Модуляция оптического сигнала в результате изменения положения инерционной массы под воздействием ускорения зависит от размеров, формы и физических свойств материала упругого элемента.

Недостатком преобразователей такого типа является сложность их конструкции. Балочки, стержни, консоли чувствительных элементов имеют малые размеры и сложный профиль. Выполнить эти детали из стали, латуни или других сплавов, зернистая структура которых обуславливает неоднородность физических свойств, в серийном производстве практически невозможно, поскольку каждый датчик будет обладать индивидуальной характеристикой. Формирование балочек в монокристаллической монолитной пластине (например, по средством травления) (авт. св. СССР N 1739301, кл. G 01 P 15/08, 1990) также достаточно трудоемко и обладает такими же недостатками. Для выделения вертикальной составляющей перемещения балочки имеют прямоугольное сечение (R,A. Soref, D.H. McMahon. Tilting-mirror fiber optic accelerometer. Applied Optics, 1984, vol. 23, N 3, p. 486-491; патент РФ N 2095763, кл. G 01 H 9/00, 15.06.95). Известны и более сложные чувствительные элементы.

Наиболее близким к заявляемому является волоконно-оптический чувствительный элемент для измерительных преобразователей физических величин (заявка РФ N 95116833/28, кл. G 01 D 5/26, 1995, БИ N 26, 20.09.97). Здесь торцы передающего и приемного световодов расположены один напротив другого, причем чувствительный элемент выполнен в виде профилированной монолитной пластины так, что в качестве инерционной массы в нем содержится не менее двух балок, которые могут быть расположены с различной ориентацией в пространстве, и каждая из которых сформирована из пластины с помощью сквозных отверстий и имеет канавку, проходящую вдоль балочки и содержащую закрепленный в ней световод. Такая конструкция регистрирует ускорения только в одной, например, вертикальной плоскости и надежно отсекает паразитные вибрации в других плоскостях, но ее конструкция сложна и так же, как вышеописанная, практически не воспроизводима в серийном производстве вследствие зернистой структуры материала балок и сложности точного выполнения их поперечных размеров, сильно влияющих на жесткость, а следовательно, и на чувствительность преобразователя. Особенно актуальна эта проблема в гравиметрии из-за очень высоких требований к точности преобразователя. Кроме того, динамический диапазон преобразователя с одним упругим элементом может оказаться недостаточным для ряда применений, поскольку в таком преобразователе ограничены возможности одновременного расширения верхней границы диапазона измеряемых величин и увеличения пороговой чувствительности.

Ставится задача создания простой и технологичной конструкции чувствительного элемента, который может быть использован также и для гравиметра, и расширения его динамического диапазона.

Задача решается за счет того, что в волоконно-оптическом чувствительном элементе для измерительных преобразователей физических величин, содержащем не менее двух образующих упругий элемент консольно закрепленных балок, инерционную массу, содержащем по крайней мере одну оптически сопряженную пару из передающего и приемного волоконных световодов, один из которых соединен с инерционной массой, а торец второго находится напротив торца первого световода пары, консольно закрепленными балками, образующими упругий элемент, являются волоконные световоды, при этом инерционная масса закреплена непосредственно на этих световодах, причем один из них входит в оптически сопряженную пару из передающего и приемного световодов. Световоды оптически сопряженных пар в дальнейшем мы будем называть приемопередающими.

При такой конструкции чувствительного элемента можно достичь увеличения динамического диапазона, если световоды, оптически сопряженные с приемопередающими световодами консольного упругого элемента, также закрепить консольно.

Сущность технического решения заключается в совмещении функций световедущего элемента и чувствительного консольного элемента. Консольно закрепляются не менее двух волоконных световодов, соединенных между собой у свободного конца или по всей длине световодов, образуя конструкцию упругого элемента.

На фиг. 1 представлены два варианта реализации волоконно-оптического чувствительного элемента с одним консольным упругим элементом: 1а - с параллельными световодами, 1б - с расположенными под углом световодами; на фиг. 2 - два варианта реализации волоконно-оптического чувствительного элемента с двумя консольными упругими элементами: 2а - с параллельными световодами, 2б - с расположенными под углом световодами.

Как видно на фиг. 1, напротив торца каждого приемопередающего из образующих упругий элемент световодов 1 неподвижно закреплен оптически сопряженный с ним приемопередающий световод 2 (неподвижный световод). Приемопередающие световоды 1 и световоды 3 образуют упругий элемент, на котором закрепляется инерционная масса 4. Световоды упругого элемента могут образовывать любую плоскую или объемную фигуру. На фиг. 1а представлен вариант, когда световоды расположены параллельно, образуя плоский прямоугольник. В этом случае для увеличения жесткости в нерабочем направлении расстояние между световодами необходимо увеличивать, но такое увеличение может привести к возникновению крутильных колебаний инерционной массы вокруг оси, проходящей в плоскости световодов посередине между ними. В варианте, представленном на фиг. 1б, световоды образуют плоский треугольник, поэтому риск возникновения крутильных колебаний невелик даже при больших жесткостях, т.е. при значительном расстоянии между световодами в месте их закрепления.

В предлагаемом решении отпадает необходимость в специальных упругих элементах, поскольку сами кварцевые световоды являются достаточно надежным материалом консоли - однородным, упругим, со стекловидной, а не с зернисто-кристаллической структурой. Коэффициент температурного расширения кварца ниже, чем у металлов и металлических сплавов, что повышает температурную стабильность преобразователя. Размеры световодов выдерживаются с точностью около 1 мкм, что обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров преобразователей при серийном выпуске.

Волоконно-оптический чувствительный элемент (фиг. 1) работает следующим образом. Световоды 1 упругого элемента оптически подключены к источнику (приемнику) оптического сигнала, а неподвижные световоды 2 подключены к приемнику (источнику). Оптический сигнал, распространяясь от источника к приемнику, преодолевает воздушный зазор между световодами 1 и 2. Доля оптической мощности, проходящей через зазор, определяется взаимным расположением торцов этих световодов. При воздействии измеряемого ускорения на инерционную массу 4 происходит смещение торца световода 1 относительно торца световода 2, вызывающее модуляцию проходящей оптической мощности.

Для увеличения динамического диапазона преобразователя он может быть выполнен по симметричной схеме, когда и приемные и передающие световоды закрепляются консольно (фиг. 2). В этом случае модуляция осуществляется за счет углового рассогласования, поэтому оптический сигнал сможет достигать приемного волокна при гораздо большем смещении торцов световодов, т.е. при большем значении измеряемой физической величины.

Заявляемое техническое решение является более простым и технологичным по сравнению с прототипом и обеспечивает воспроизводимость параметров преобразователя, необходимую в гравиметрии. Все технологические процессы, необходимые для производства (обработка торцов, склейка световодов и т.п.), серийно освоены на ряде предприятий России, в частности в ЗАО "Перспективные технологии", г. Санкт-Петербург, в Московском объединении "Техномаш" и ряде других.