×
10.11.2015
216.013.8e6f

ОПТОВОЛОКОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала. При этом датчик снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом. Нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное плечо датчика образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное плечо датчика образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой. Технический результат - обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Известные технические решения таких измерителей основаны на использовании классических интерферометров, плечи которых выполнены из оптических одномодовых волокон, одно из которых является чувствительным к изменению давления (измерительное волокно), а второе волокно (опорное) к изменению давления нечувствительно. При воздействии давления на чувствительное волокно в результате его деформации изменяется длина оптического пути и набег фазы по измерительному волокну, что приводит к фазовой модуляции интерференционного сигнала, который может быть продетектирован и преобразован в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине давления. Подобные датчики описаны в Патенте США №4751690, 05/15/1984 «Fiber optic interferometric hydrophone». Патенте США №4449210, 06/14/1988 «Fiber optic hydrophone transducers», Патенте США 535944510/25/1994 «Fiber optic sensor». Патенте РФ RU 229511, «Лазерный гидрофон». Патенте RU 2106072 «Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон» и др.

Общим конструктивным недостатком указанных датчиков является то, что их чувствительность непосредственно зависит от длины измерительного и опорного волокна и для измерения малых величин давлений длины волокон могут достигать сотни метров, что существенно увеличивает габариты датчиков и их массу. Кроме этого намотка измерительного волокна должна производиться с определенным и постоянным натяжением, чтобы избежать деформации самого волокна (микрорастяжения).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала, при этом приемная мембрана нагружена на несколько волоконных катушек различной длины, которые составляют предметные интерферометрические плечи, включающие когерентные источники света и фотоприемники, («Волоконно-оптический гидрофон». Патент РФ № 2112229 от 29.01.1996, МПК G01M 11/02).

Недостатком прототипа является невозможность плавного изменения чувствительности и динамического диапазона, и изменение этих величин возможно только дискретно путем электронного переключения плеч локальных интерферометров с различными длинами измерительных и опорных волокон. Фактически такой датчик состоит из нескольких однотипных интерферометрических датчиков с измерительными волокнами различной длины, нагруженными на одну чувствительную к акустическому давлению мембрану.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах, используя интерферометр только с одними и фиксированной длинами измерительного и опорного плеч.

Технический результат достигается за счет того, что оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления, содержащий лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала, снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом, при этом нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное интерферометрическое плечо образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное интерферометрическое плечо образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой, а мембрана датчика и зеркала выполнены из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например из ситала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена схематично конструкция предлагаемого датчика, а на Фиг. 2. поясняется принцип его работы.

Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света 1, входное оптическое волокно 2, микрообъектив 3, световой делитель 4, нижнее неподвижное зеркало 5 опорного интерферометрического плеча, акустическую мембрану 6 с нижним зеркальным покрытием, неподвижное двустороннее зеркало 7, микрообъектив 8, выходное оптоволокно 9, фотоприемник 10, электронное устройство обработки фотоэлектрического сигнала 11 и корпус 12, в котором расположены все элементы датчика.

Устройство работает следующим образом. Световой поток от лазерного источника света 1, пройдя по входному оптоволокну 2, дополнительно коллимируется с помощью микрообъектива 3. Далее, с помощью светового делителя 4 световой поток вводится под определенными и одинаковыми углами в измерительное интерферометрическое плечо датчика, образованное нижней зеркальной поверхностью акустической мембраны 6 и верхней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала 7, и в опорное интерферометрическое плечо датчика, образованное нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала 7 и нижним неподвижным зеркалом 5. При этом при отсутствии акустического давления световые лучи будут распространяться в измерительном и опорном плечах, испытывая одинаковые многократные переотражения от поверхностей зеркал. Длины оптических путей в измерительном и опорном плечах зависят от угла ввода, длины зеркал и зазоров между ними. Оценки показывают, что возможные длины оптических путей могут доходить до сотни метров при различных вариациях геометрических размеров и угла ввода. При фиксированных длинах зеркал эффективная длина оптического пути существенно зависит только от угла ввода, и, изменяя этот угол, можно в широких пределах изменять чувствительность датчика, поскольку его чувствительность к акустическому давлению прямо пропорциональна длине оптического пути. При воздействии акустического давления на мембрану 6 длина оптического пути в измерительном плече будет изменяться, что приводит к изменению интерферометрического оптического сигнала (его модуляции).

Поясним принцип работы устройства. Пусть два зеркала расположены на расстоянии d, их длина равна L (Фиг. 2) Под углом φ вводится оптический луч. Тогда путь луча до первого отражения равен

А катет напротив угла φ равен

Если на длине L укладывается целое число отрезков s, то число отражений луча равно

Тогда полный оптический путь луча, многократно отраженного от зеркал, равен

При воздействии акустического давления верхнее зеркало относительно нижнего начнет смещаться и величины d и s тоже будут уменьшаться. Найдем такое смещение, при котором число отражений N увеличится на единицу.

Если L=Ns+s/2=s(N+1/2)=d0tgφ(N+1/2) или d0=L/tgφ(N+1/2), то при смещении зеркала на величину число отражений N меняться не будет.

При этом

Если расстояние между зеркалами меняется по закону изменения акустического давления d=d0+ξcosωt, то

Если данное устройство поместить в одно плечо двухлучевого интерферометрического датчика, то, как следует из (9), чувствительность измерения перемещений (смещений) увеличится в N/cosφ раз по сравнению с обычным интерферометром. Таким образом, чувствительность по давлению возрастает с увеличением длины зеркал и увеличением угла ввода φ.

Данное устройство обладает несколькими основными преимуществами по сравнению с известными оптоволоконными интерферометрическими датчиками давления. Во-первых, в нем оптические волокна используются только для ввода и вывода оптического излучения, т.е. устраняются известные проблемы намотки оптических волокон большой длины. Во-вторых, такая схема позволяет плавно изменять чувствительность приемника давления в очень широких пределах путем изменения угла ввода оптического излучения. В-третьих, известно, что любые интерферометрические волоконно-оптические датчики, предназначенные для измерения давлений, крайне чувствительны к изменениям окружающей температуры, и в них приходится вводить специальные и дополнительные узлы для компенсации температурных флуктуаций Предлагаемое устройство может быть практически не чувствительно к изменениям окружающей температуры, если, например, его зеркальные элементы выполнить из ситала, обладающего рекордно низким коэффициентом температурного расширения.


ОПТОВОЛОКОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
ОПТОВОЛОКОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 37.
20.02.2013
№216.012.26bf

Устройство для интенсификации процесса слива и налива вязких жидкостей

Изобретение относится к области транспортирования и разгрузки вязких реологических жидкостей и может быть использовано, в том числе, для слива и налива вязких нефтепродуктов, например мазута, битума и др. Устройство включает вибратор, соединенный с электрическим генератором, размещенный на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475439
Дата охранного документа: 20.02.2013
27.02.2013
№216.012.2b80

Скважинный акустический излучатель

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для увеличения притока нефти и борьбы с образованием отложений солей в скважинах. Устройство содержит электромеханический вибратор, подключенный к входу вибратора электрический генератор, выполненный с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476663
Дата охранного документа: 27.02.2013
10.04.2014
№216.012.b131

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве геофизической косы для проведения исследований в обеспечении инженерно-геофизических работ на морском дне. Сущность: гидроакустическая буксируемая антенна...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511076
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.07.2014
№216.012.dc52

Способ контроля перемешивания среды в виде сырой нефти в резервуаре и устройство для его осуществления

Использование: для контроля перемешивания среды в виде сырой нефти в резервуаре. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе перемешивания поочередно каждым обратимым электроакустическим преобразователем излучают широкополосный акустический сигнал через среду к другим обратимым...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522180
Дата охранного документа: 10.07.2014
27.07.2014
№216.012.e502

Способ определения объема шламовых отложений в резервуарах с сырой нефтью и устройство для его реализации

Изобретение относится к способам и устройствам для определения объема шлама и подшламовых структур в резервуарах с сырой нефтью. Техническим результатом изобретения является повышение точности устройства. Изобретение реализуется следующим образом. Способ определения объема шламовых отложений в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002524416
Дата охранного документа: 27.07.2014
27.08.2014
№216.012.ee97

Измерительное устройство кориолисова типа

Измерительное устройство кориолисова типа снабжено возбудителем крутильных колебаний, вмонтированным между расходомерными трубками во впускном разъеме, приемником крутильных колебаний, вмонтированным между расходомерными трубками в выпускном разъеме, блоком вычисления передаточной функции...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002526898
Дата охранного документа: 27.08.2014
10.11.2014
№216.013.04ab

Измерительное устройство кориолисова типа

Измерительное устройство кориолисова типа дополнительно снабжено возбудителем крутильных колебаний, приемником крутильных колебаний, блоком вычисления передаточной функции крутильных колебаний с подключенным к его выходу блоком аппроксимации передаточной функции крутильных колебаний, а также...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532593
Дата охранного документа: 10.11.2014
27.03.2015
№216.013.3528

Устройство для укладки сейсмокос на морское дно для сейсмоакустического мониторинга

Изобретение относится к области гидро- и геоакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах для проведения исследований и мониторинга сейсмоакустической эмиссии на шельфе в обеспечение инженерно-геофизических работ на морском дне. Техническим результатом изобретения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002545092
Дата охранного документа: 27.03.2015
27.03.2015
№216.013.3639

Донная кабельная антенна для мониторинга сейсмоакустической эмиссии на шельфе

Изобретение относится к области гидро- и геоакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве донной кабельной антенны для проведения исследований и мониторинга сейсмоакустической эмиссии на шельфе в обеспечение инженерно-геофизических работ на морском дне....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002545365
Дата охранного документа: 27.03.2015
10.11.2015
№216.013.8e5e

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве геофизической косы для проведения исследований в обеспечении инженерно-геофизических работ на морском дне. Техническим результатом изобретения является снижение диаметра...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568055
Дата охранного документа: 10.11.2015
Показаны записи 1-10 из 50.
20.02.2013
№216.012.26bf

Устройство для интенсификации процесса слива и налива вязких жидкостей

Изобретение относится к области транспортирования и разгрузки вязких реологических жидкостей и может быть использовано, в том числе, для слива и налива вязких нефтепродуктов, например мазута, битума и др. Устройство включает вибратор, соединенный с электрическим генератором, размещенный на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475439
Дата охранного документа: 20.02.2013
27.02.2013
№216.012.2b80

Скважинный акустический излучатель

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для увеличения притока нефти и борьбы с образованием отложений солей в скважинах. Устройство содержит электромеханический вибратор, подключенный к входу вибратора электрический генератор, выполненный с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476663
Дата охранного документа: 27.02.2013
10.04.2014
№216.012.b131

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве геофизической косы для проведения исследований в обеспечении инженерно-геофизических работ на морском дне. Сущность: гидроакустическая буксируемая антенна...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511076
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.07.2014
№216.012.dc52

Способ контроля перемешивания среды в виде сырой нефти в резервуаре и устройство для его осуществления

Использование: для контроля перемешивания среды в виде сырой нефти в резервуаре. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе перемешивания поочередно каждым обратимым электроакустическим преобразователем излучают широкополосный акустический сигнал через среду к другим обратимым...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522180
Дата охранного документа: 10.07.2014
27.07.2014
№216.012.e502

Способ определения объема шламовых отложений в резервуарах с сырой нефтью и устройство для его реализации

Изобретение относится к способам и устройствам для определения объема шлама и подшламовых структур в резервуарах с сырой нефтью. Техническим результатом изобретения является повышение точности устройства. Изобретение реализуется следующим образом. Способ определения объема шламовых отложений в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002524416
Дата охранного документа: 27.07.2014
27.08.2014
№216.012.ee97

Измерительное устройство кориолисова типа

Измерительное устройство кориолисова типа снабжено возбудителем крутильных колебаний, вмонтированным между расходомерными трубками во впускном разъеме, приемником крутильных колебаний, вмонтированным между расходомерными трубками в выпускном разъеме, блоком вычисления передаточной функции...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002526898
Дата охранного документа: 27.08.2014
10.11.2014
№216.013.04ab

Измерительное устройство кориолисова типа

Измерительное устройство кориолисова типа дополнительно снабжено возбудителем крутильных колебаний, приемником крутильных колебаний, блоком вычисления передаточной функции крутильных колебаний с подключенным к его выходу блоком аппроксимации передаточной функции крутильных колебаний, а также...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532593
Дата охранного документа: 10.11.2014
27.03.2015
№216.013.3528

Устройство для укладки сейсмокос на морское дно для сейсмоакустического мониторинга

Изобретение относится к области гидро- и геоакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах для проведения исследований и мониторинга сейсмоакустической эмиссии на шельфе в обеспечение инженерно-геофизических работ на морском дне. Техническим результатом изобретения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002545092
Дата охранного документа: 27.03.2015
27.03.2015
№216.013.3639

Донная кабельная антенна для мониторинга сейсмоакустической эмиссии на шельфе

Изобретение относится к области гидро- и геоакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве донной кабельной антенны для проведения исследований и мониторинга сейсмоакустической эмиссии на шельфе в обеспечение инженерно-геофизических работ на морском дне....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002545365
Дата охранного документа: 27.03.2015
10.11.2015
№216.013.8e5e

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве геофизической косы для проведения исследований в обеспечении инженерно-геофизических работ на морском дне. Техническим результатом изобретения является снижение диаметра...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568055
Дата охранного документа: 10.11.2015
+ добавить свой РИД