Волоконно-оптические датчики давления и система измерения давления, их включающая - RU2205374C2

Чертежи

Показать все 25 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам давления. Более конкретно, изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам давления, имеющим улучшенное разрешение и динамический диапазон.

Техника волоконно-оптических датчиков развивалась одновременно с техникой волоконно-оптической дальней связи. Физические свойства оптических волокон, которые позволяют им служить в качестве волноводов для светового излучения, подвергаются воздействию влияния окружающей среды, такого, как температура, давление и деформация. Эти свойства оптических волокон, которые могут рассматриваться как недостаток по отношению к осуществлению дальней связи, являются важным преимуществом по отношению к производству волоконных оптических датчиков.

Оптические волокна, независимо от того, используются они в дальней связи или как датчики состояния окружающей среды, в основном, включают цилиндрическую сердцевину, концентрическую цилиндрическую оболочку, окружающую сердцевину, и концентрический цилиндрический защитный кожух, окружающий оболочку. Сердцевина изготавливается из прозрачного стекла или пластика, имеющего определенный показатель преломления. Оболочка также изготавливается из прозрачного стекла или пластика, но имеет показатель преломления, отличный от показателя преломления сердцевины, меньший по величине. Способность оптического волокна служить в качестве изгибаемого волновода в наибольшей степени определяется относительными показателями преломления сердцевины и оболочки.

Показатель преломления прозрачной среды представляет собой отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде. После того, как световой пучок попадает в среду, изменение скорости вызывает изменение направления распространения пучка. Более конкретно, по мере того, как световой пучок переходит из одной среды в другую, пучок изменяет направление распространения на границе раздела двух сред. В дополнение к изменению направления на границе раздела двух сред, часть падающего светового излучения отражается на границе раздела так, что энергия пучка, проходящего через вторую среду, уменьшается (сумма энергий преломленного и отраженного пучков должна равняться энергии падающего пучка). Углы отражения и преломления могут быть предсказаны на основе закона Снеллиуса, если показатели преломления обеих сред известны.

За счет изменения показателей преломления двух соседних сред угол преломления и угол отражения пучка, проходящего к границе раздела двух сред, может быть изменен таким образом, что интенсивность света, входящего во вторую среду, приближается к нулю и, по существу, весь свет отражается на границе раздела. Наоборот, для любых двух прозрачных сред существует критический угол падения на их границу раздела, при котором, или при угле, меньшем этого критического, по существу все падающее излучение отражается. Это явление, известное как полное внутреннее отражение, используется при выборе показателей преломления сердцевины и оболочки в оптических волокнах, так что световое излучение может распространяться через сердцевину волокна с минимальными потерями мощности.

Множество других факторов воздействует на распространение светового излучения через сердцевину оптического волокна, включая размеры сердцевины и оболочки, длину волны светового излучения, вектора магнитного поля светового излучения и вектора электрического поля светового излучения. Кроме того, многие физические законы, используемые для определения идеального распространения света через волновод (оптическое волокно), предполагают наличие "идеального" волновода, т.е. прямого волновода с абсолютной симметрией и без дефектов. Например, диаметр сердцевины будет определяться тем, является ли волоконная оптическая система "одномодовой" или "многомодовой". Термины "одномодовый" и "многомодовый" относятся к размерной ориентации лучей, распространяющихся через волокно. Одномодовые волокна имеют сердцевину относительно малого диаметра (2-12 мкм) и поддерживают при распространении только одну аксиальную моду. Многомодовые волокна имеют сердцевину относительно большого диаметра (25-75 микрон) и дают возможность неаксиальным лучам или модам распространяться через сердцевину. Так называемые "одномодовые волокна" в действительности являются двухмодовыми волокнами в том смысле, что существуют два состояния оптической поляризации, соответствующих излучению, которое может распространяться через сердцевину. В идеальном прямом, свободном от дефектов волокне с абсолютной круговой симметрией скорость распространения света не зависит от направления поляризации.

Волокно с эллиптической сердцевиной будет иметь два предпочтительных направления поляризации (вдоль главной оси и вдоль второстепенной оси). Линейно поляризованный свет, излучаемый в волокно с любым другим направлением поляризации, будет распространяться в виде двух отдельных мод, которые проходят со слегка отличающимися скоростями. Про такой тип волокна говорят, что оно имеет "двойное лучепреломление моды". В реальном волокне этого типа даже идеально поляризованный свет будет соединяться с другой модой из-за дефектов границы раздела сердцевины-оболочки, флуктуации показателя преломления и других механизмов. Статические и динамические изменения поляризации могут иметь место вдоль всей длины волокна. На протяжении данного расстояния фазы двух мод будут проходить полный цикл, находясь в фазе или в противофазе. Это расстояние известно как "длина биений". Большая длина биений связана с малым двойным лучепреломлением и малая длина биений связана с большим двойным лучепреломлением. Двулучепреломляющие оптические волокна так же известны, как "сохраняющие поляризацию волокна" или "поляризационно-поддерживающие (ПП) волокна". Двойное лучепреломление достигается за счет создания сердцевины с эллиптическим поперечным сечением или за счет создания круглой сердцевины с оболочкой, которая вызывает давление на сердцевину. Например, оболочка может быть снабжена двумя параллельными элементами для создания давления, имеющими продольные оси, которые лежат в той же плоскости, что и ось сердцевины.

Как упомянуто выше, волоконно-оптические датчики используют тот факт, что воздействие окружающей среды может изменять амплитуду, фазу, частоту, спектральный состав или поляризацию света, распространяющегося через оптическое волокно. Основные преимущества волоконно-оптических датчиков заключаются в возможности иметь небольшой вес, быть очень маленькими, пассивными, энергетически эффективными, выносливыми и невосприимчивыми к интерференции электромагнитных волн. Кроме того, волоконно-оптические датчики имеют потенциал для очень высокой чувствительности, большого динамического диапазона и широкой полосы пропускания. Кроме того, определенный класс волоконных датчиков может распределяться или разделяться вдоль длины волокна. Они также могут встраиваться в материал.

В современном состоянии техники волоконно-оптические датчики могут классифицироваться как "внешние" или "внутренние". Внешние датчики полагаются на некоторое другое устройство, которое подсоединяется к волоконной оптической системе для того, чтобы преобразовать воздействия окружающей среды в изменения свойств светового пучка в волоконной оптической системе. Внутренние датчики полагаются только на свойства оптического волокна для того, чтобы измерять воздействия окружающей среды. Известные волоконно-оптические датчики включают датчики линейного положения, датчики полярной координаты, датчики уровня жидкости, температурные датчики, датчики деформаций, волоконно-оптические гироскопы и датчики давления.

Один тип волоконно-оптических датчиков давления имеет преимущество, состоящее в том, что давление окружающей среды создает деформацию кожуха оптического волокна, который деформирует оболочку, тем самым деформируя сердцевину и изменяя двойное лучепреломление волокна. Патент США 4659923, выданный Jr. Hicks, описывает волоконно-оптический интерферометрический датчик, который способен измерять давление. Устройство, в основном, включает в себя одномодовую волоконно-оптическую систему, источник света, первый поляризатор, второй поляризатор и детектор световой интенсивности. Первый поляризатор используется для поляризации излучения источника света под углом, который составляет 45^o по отношению к двум модам волоконной оптической системы, после чего свет направляется на один конец волокна. Второй поляризатор располагается на другом конце волокна и поляризует свет, выходящий из волокна, под тем же самым углом, что и первый поляризатор, перед тем как он детектируется детектором интенсивности. Когда сила прикладывается к волокну в радиальном направлении, двойное лучепреломление волокна изменяется, это изменяет длину биений и, таким образом, интенсивность поляризованного света, наблюдаемую с помощью датчика интенсивности. В альтернативном варианте реализации расщепитель пучка располагается между источником света и первым поляризатором, и второй поляризатор заменяется зеркалом, подсоединяемым ко второму концу волоконной оптической системы. В соответствии с альтернативным вариантом реализации детектор и источник могут быть расположены на одном и том же конце волоконной оптической системы. Не приводятся никакие данные, касающиеся чувствительности (разрешения) или динамического диапазона предлагаемых датчиков. Однако предполагается, что воздействие давления на двойное лучепреломление может быть слишком малым для измерения при относительно низких давлениях. Описываются различные структуры для установки волокна таким образом, что изотропные силы преобразуются в анизотропные силы для получения двойного лучепреломления и для усиления эффекта.

Одна из структур, используемых для этой цели, предлагается в патенте 923 и описывается более подробно Jansen и Dabkiewicz в статье, озаглавленной "High Pressure Fiber Optic Sensor with Side Hole Fiber", опубликованной SPIE Proceedings, Fiber Optic Sensors II, Vol. 798, pp. 56-60, 1987. Волокно с боковыми отверстиями представляет собой волоконно-оптическую систему, имеющую оболочку, которая содержит два параллельных отверстия, которые распространяются по длине волокна и являются параллельными сердцевине. Оси отверстий и сердцевины лежат в общей плоскости. Эта геометрия приводит к преобразованию внешнего гидростатического давления в анизотропное действие на сердцевину, тем самым вызывая двойное лучепреломление. Jansen и Dabkiewicz представляют датчик, имеющий точность ±0,5% в диапазоне давлений 100-1000 бар (10-100 МПа, 1450-14500 psi) и верхний предел 200 МПа без повреждения волокна. Однако при давлении ниже 10 МПа двойное лучепреломление имеет тенденцию становиться недетектируемым или несуществующим.

Одна из проблем, связанных с волоконно-оптическими датчиками давления на основе двойного лучепреломления, состоит в том, что температура также воздействует на двойное лучепреломление сердцевины. Таким образом, в определенных заявках, где изменяемыми являются как температура, так и давление, для компенсации воздействия температуры на двойное лучепреломление должны проводиться измерения. Патент США 5515459, выданный Farhadiroushan, описывает датчик давления, который включает два волокна с отверстиями в стенках, которые соединены друг с другом сквозным образом так, что продольная ось каждого из них повернута на 90^o по отношению к другому, т.е. боковые отверстия и сердцевина одного волокна лежат в плоскости, которая перпендикулярна плоскости, в которой лежат боковые отверстия и сердцевина другого волокна. Боковые отверстия в одном из волокон герметически закрываются, и боковые отверстия в другом волокне остаются открытыми. Закрытие одного из боковых отверстий волокна заставляет сердцевину внутри этого волокна воспринимать давление, отличное от давления, которое воспринимает сердцевина внутри волокна с открытыми боковыми отверстиями. Суммарная фазовая задержка светового излучения при прохождении через два соединенных волокна уравновешивает воздействие температуры на присущее двум волокнам двойное лучепреломление, как объясняется Dakin и Wade в статье, которая озаглавлена "Compensated Polarimetric Sensor Using Polarization Maintaining Fiber in a Differential Configuration", опубликованной в Electron. Lett, Vol. 20, No.l, pp.51-53 (1984). Farhadiroushan не описывает никаких данных, касающихся чувствительности или динамического диапазона предлагаемого волоконно-оптического датчика давления.

Другой тип волоконно-оптических датчиков давления использует решетки внутри сердцевины волокна, как описывается в патенте США 5380995, выданном Udd и др. , полное описание которого упомянуто здесь для сведения. Брегговские решетки внутри сердцевины формируются в волоконной оптической системе за счет легирования оптического волокна таким материалом, как двуокись германия, и последующего воздействия на боковую поверхность волокна интерференционной картины для получения синусоидальных изменений показателя преломления сердцевины.

В настоящее время существуют два известных метода создания интерференционной картины: с помощью голографического изображения и фазовой шаблонной решетки. Голографическое изображение использует два лазерных пучка с малой длиной волны (обычно 240 нм), из которых формируется изображение через боковую поверхность сердцевины волокна для получения интерференционной картины. Яркие полосы интерференционной картины заставляют показатель преломления сердцевины быть "модулированным", что приводит к формированию решетки волокна. Аналогичные результаты получаются при использовании коротких импульсов лазерного излучения, записывающих решетки волокна линия за линией за счет использования фазовых шаблонов. При настройке расстояния между интерференционными полосами интерференционной картины периодический показатель преломления может изменяться, как требуется. Реальный процесс, при котором показатель преломления изменяется, не является хорошо понятным, но он представляет собой процесс, зависящий от проявлений в различных классах волокон, которые могут действовать в диапазонах температур вплоть до 500-800^oС перед тем, как решетка исчезает.

Воздействия окружающей среды, связанные с температурой и деформацией, заставляют волокно удлиняться или стягиваться, что изменяет период решетки и, таким образом, изменяет спектральный состав светового излучения, передаваемого или отражаемого решеткой волокна. В частности, для изменения температур ΔT и напряжения ε дробный сдвиг брэгговской длины волны дается уравнением 1, приведенным ниже, где α представляет собой коэффициент теплового расширения волокна, ξ представляет собой тепловой оптический коэффициент или (dn/dT) материала сердцевины из легированной двуокиси кремния и Р_e представляет собой коэффициент оптической чувствительности.

В патенте США 5380995, выданном Udd и др., объясняется использование удаленной решетки, которая располагается так, чтобы воспринимать действие окружающей среды, такое, как деформация или температура, и локальной решетки, которая располагается так, чтобы не испытывать воздействие окружающей среды. Спектральные огибающие обеих решеток сравниваются, и воздействие деформации и температуры на удаленную решетку тем самым может быть разделено. Патент '995 также объясняет использование двух накладывающихся решеток волокна различных длин волн, таких, как 1,3 и 1,5 мкм, для измерения двух типов воздействий окружающей среды, таких как деформация и температура, в одной точке.

Еще один способ для разделения воздействий деформации и температуры описывается в патенте США 5591965, выданном Udd, полное описание которого полностью упоминается здесь для сведения. Патент '965 объясняет использование пары решеток, записанных по существу в одном и том же положении в двулучепреломляющем волокне. Когда двулучепреломляющее волокно обеспечивается решеткой, появляются два спектральных пика (один для каждой оси поляризации), изменения температуры и продольной деформации воздействуют на расстояние между пиками, так же, как и на сдвиг длин волн пиков. Как объясняется в патенте '965, двулучепреломляющее волокно, снабженное двумя спектрально разделенными решетками, дает четыре спектральных выходных сигнала (пика). Спектральные детекторы, такие, как эталоны Фабри-Перо, подсоединенные к волокну, детектируют четыре спектральных выходных сигнала. Спектральные выходные сигналы анализируются, и решаются четыре уравнения для определения воздействия на волокно как температуры, так и деформации.

Несмотря на то, что ни патент '995, ни патент '965 конкретно не относятся к датчикам давления, показывалось, что сверхвысокое гидростатическое давление вызывает дробные изменения физической длины волоконной оптической системы и, таким образом, вызывает дробное изменение брэгговской длины волны решетки, входящей в состав сердцевины волокна. Например, M.G. Xu и др. Optical In-Fibre Grating High Pressure Sensor, Electron. Lett., Vol. 29, No. 4, pp. 398-399 (1993), показывают, как волоконно-оптический датчик на основе брэгговской решетки может быть использован для измерения очень высокого давления. В частности, Xu и др. показывают простой датчик с решеткой, расположенной внутри волокна, который проявляет линейный сдвиг брэгговской длины волны 3,04•10^-3 мм/МПа. Динамический диапазон и чувствительность датчика непосредственно не описываются Xu и др. Авторы действительно конкретно утверждают, что гораздо большая компенсация воздействия температуры необходима для того, чтобы их датчик был полезным, и что реальное преимущество их датчика является очевидным только при сверхвысоком давлении.

Из приведенного выше обсуждения квалифицированный специалист соберет информацию о том, что чувствительность и динамический диапазон волоконно-оптических датчиков подвергаются воздействию многих параметров.

Следовательно, целью изобретения является создание волоконно-оптического датчика давления и системы измерения давления.

Еще одной целью изобретения является создание волоконно-оптического датчика давления, который имеет высокое разрешение и широкий динамический диапазон и который используется в системе измерения давления.

Еще одной целью изобретения является создание волоконно-оптического датчика давления, который включает волоконно-оптическую систему с решеткой.

Еще одной целью изобретения является создание волоконно-оптического датчика давления, который включает волоконно-оптическую решетку, имеющую высокое разрешение и широкий динамический диапазон.

Еще одной целью изобретения является создание волоконно-оптического датчика давления, имеющего присущую ему способность компенсации температуры.

Еще одной целью изобретения является создание волоконно-оптического датчика, который имеет улучшенный отклик на поперечную деформацию.

Еще одной целью изобретения является создание волоконно-оптического датчика давления, который оказывается выносливым и недорогим.

В соответствии с этими целями, которые будут обсуждаться подробно ниже, волоконно-оптический датчик давления в соответствии с настоящим изобретением включает волоконно-оптическую сердцевину, имеющую одну или много записанных на ней решеток, устройство для улучшения двойного лучепреломления сердцевины и устройство для преобразования изотропных сил давления в анизотропные силы на сердцевине волокна. Волоконно-оптический датчик давления, в соответствии с изобретением, преимущественно используется в сочетании с источником света (таким, как светодиод, лазер или лазерный диод) и спектральной демодуляционной системой для того, чтобы детектировать давление окружающей среды по отношению к волоконно-оптическому датчику давления.

В соответствии с первым вариантом реализации изобретения, сердцевина обеспечивается первой эллиптической оболочкой, которая действует как устройство для улучшения двойного лучепреломления, и вторая круглая оболочка размещается над первой оболочкой. Вторая оболочка обеспечивается парой продольных отверстий, которые создают устройство для преобразования изотропных сил давления в анизотропные силы на сердцевине волокна. Отверстия располагаются так, что их продольные оси лежат в той же плоскости, что и продольная ось сердцевины. Эллиптическая оболочка может быть расположена с ее главной, либо второстепенной осью, лежащей в той же плоскости, что и оси отверстий и сердцевины.

В соответствии со вторым вариантом реализации, сердцевина обеспечивается круглой оболочкой, которая включает пару продольных отверстий, так же, как и пару порождающих двулучепреломление стержней. Отверстия располагаются так, что их продольные оси лежат в первой плоскости, которая также включает продольную ось сердцевины. Стержни располагаются таким образом, что их продольные оси лежат во второй плоскости, которая также включает продольную ось сердцевины. Отверстия и стержни предпочтительно располагаются таким образом, что вторая плоскость и первая плоскость пересекаются друг с другом под прямым углом.

В соответствии с третьим вариантом реализации, продольные отверстия в оболочке формируются либо с V-формой, либо с С-формой поперечного сечения.

В соответствии с четвертым вариантом реализации, создается волокно с асимметричными боковыми отверстиями, (поддерживающее поляризацию) ПП волокно.

В соответствии с пятым вариантом реализации, традиционная двулучепреломляющая волоконно-оптическая система с решеткой располагается внутри капиллярной трубки, имеющей пару герметично закрытых продольных отверстий.

В соответствии с шестым вариантом реализации, оболочка завышенного размера создается на одномодовом волокне. Оболочка обеспечивается отверстиями для воздуха завышенного размера и элементами для создания давления. Отверстия для воздуха заделываются, и волокно подсоединяется к одномодовому волокну нормального размера.

В соответствии с седьмым вариантом реализации, волокно с асимметричными боковыми отверстиями с эллиптической оболочкой сердцевины встраивается в жесткий поддерживающий материал и имеет часть поверхности, подвергающуюся воздействию, и на этой поверхности монтируется мембрана для восприятия давления.

В соответствии с восьмым вариантом реализации, одномодовое волокно с боковыми отверстиями встраивается в жесткий поддерживающий материал, и на части его поверхности, подвергающейся воздействию, монтируется мембрана для восприятия давления. Жесткий поддерживающий материал зажимается механическим устройством, что приводит к двойному лучепреломлению в сердцевине волокна.

В соответствии с девятым вариантом реализации, волокно с боковыми отверстиями закатывается в мягкое (с низкой температурой плавления) стекло, при этом часть его поверхности может испытывать воздействие.

В соответствии с десятым вариантом реализации, волокно с боковыми отверстиями располагается между базовым плечом и плечом рычага. Плечо рычага действует как усилитель давления, вызывающего двойное лучепреломление в сердцевине волокна.

В соответствии с одиннадцатым вариантом реализации, волокно с боковыми отверстиями располагается в цилиндрической стеклянной трубке, которая затем расплющивается и приобретает эллиптическое поперечное сечение, что деформирует сердцевину и вызывает двойное лучепреломление.

В соответствии с двенадцатым вариантом реализации, пара заделанных капиллярных трубок присоединяется к боковым сторонам одномодового или ПП волокна.

В соответствии с тринадцатым вариантом реализации, части оболочки ПП волокна дробятся или вытравливаются и заменяются материалом, чувствительным к давлению.

В соответствии с изобретением, волоконно-оптический датчик может быть подсоединен к волоконно-оптическому выводу так, что датчик давления может быть расположен на расстоянии от других частей системы измерения. Кроме того, несколько датчиков давления, в соответствии с изобретением, могут размещаться таким образом и подсоединяться к волоконно-оптическому выводу так, что множество положений, в которых может определяться давление, может быть разделено в одном волоконно-оптическом волноводе.

Датчик давления, в соответствии с изобретением, может использоваться в сейсмологии и акустике для определения давления в одной точке или во многих точках, или он может использоваться в других приложениях, где требуется широкий динамический диапазон и высокое разрешение измерения давления.

Квалифицированные специалисты также оценят, что изобретение улучшит отклик решетки на магнитные или электрические поля для измерения во множестве точек, когда на датчик наносятся подходящие покрытия.

Дополнительные цели и преимущества изобретения станут очевидными для квалифицированных специалистов при ссылке на подробное описание, сопровождаемое чертежами.

Фиг. 1 представляет собой схематичный вид волоконно-оптической системы измерения давления в соответствии с изобретением;
фиг. 2 представляет собой график спектрального состава светового излучения, отраженного от одной брэгговской решетки в волоконно-оптической системе, не поддерживающей поляризацию;
фиг. 3 представляет собой график воздействия гидростатического давления на длину волны излучения, отраженного от одной брэгговской решетки;
фиг. 4 представляет собой график воздействия температуры на длину волны излучения, отраженного от одной брэгговской решетки;
фиг. 5 представляет собой график спектрального состава светового излучения, отраженного от одной брэгговской решетки, в волоконно-оптической системе с двойным лучепреломлением;
фиг. 6 представляет собой график изменения значений длины волны и расстояния от одного пика до другого спектрального состава светового излучения, отраженного от одной брэгговской решетки в волоконной оптической системе с боковыми отверстиями;
фиг. 7a-7d являются графиками спектрального состава светового излучения, отраженного от одной брэгговской решетки в волоконной оптической системе с боковыми отверстиями, при различных гидростатических давлениях;
фиг.8 представляет собой график, показывающий абсолютное изменение длины волны света, отраженного от одной брэгговской решетки в трех различных типах волоконно-оптических систем;
фиг. 9 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения первого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 10 представляет собой изображение поперечного сечения альтернативного первого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 11 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения второго варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 12 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения третьего варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 13 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения альтернативного третьего варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 14 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения четвертого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 15 представляет собой схематичное изображение пятого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг.16 представляет собой схематичное изображение шестого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 17 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения седьмого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 18 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения восьмого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 19 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения девятого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 20 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения десятого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 21 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения одиннадцатого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 22 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения альтернативного одиннадцатого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 23 представляет собой схематичное изображение двенадцатого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 24 представляет собой схематичное изображение продольного сечения тринадцатого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением;
фиг. 25 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения тринадцатого варианта реализации волоконно-оптического датчика давления в соответствии с изобретением.

Со ссылкой на фиг. 1 типичная волоконно-оптическая система измерения давления 10 в соответствии с изобретением в основном включает источник света 12, анализатор спектра 14, волоконный расщепитель пучка 16, ограничитель слабого обратного отражения 20 и один или более волоконно-оптических датчиков давления, использующих двойное лучепреломление 22 (22' и т.д.), каждый из которых имеет одну или более решеток 24, 26 (24', 26' и т.д.). Источник света 12 может быть, например, светодиодом, перестраиваемым лазером или лазерным диодом. Преимущественным является использование источника с относительно широким спектром, который позволяет применять множество решеток различных длин волн. Анализатор спектра 14 может быть эталоном Фабри-Перо или другим типом известного устройства. Ограничитель слабого обратного отражения 20 может быть такого типа, как описанный в патенте США 4834493, выданном Udd u др. Количество датчиков и количество решеток в каждом датчике не является критическим, пока есть в наличии, по крайней мере, один датчик с одной решеткой.

В соответствии с изобретением, волоконно-оптический датчик давления 22 также обеспечивается новым устройством, которое дает улучшенную чувствительность и динамический диапазон, как описано более подробно ниже со ссылкой на оставшиеся чертежи. Компоненты системы измерения давления 10 располагаются по существу так, как показано на фиг.1. Источник света 12 направляет световой пучок через расщепитель пучка 16 таким образом, что световой пучок входит через один конец волоконно-оптического датчика давления 22. Спектральная часть света отражается назад решеткой (ами) 24 (26) к расщепителю пучка 16, который направляет отраженный свет на анализатор спектра 14. В зависимости от количества различных решеток 24(26), созданных на волокне, анализатор спектра будет детектировать одну или более пар спектральных пиков. Длина волны пиков и их сдвиг по отношению друг к другу будут изменяться на основе давления, приложенного к волоконно-оптическому датчику давления 22.

Настоящее изобретение основано на части результатов экспериментов, осуществленных изобретателями на спектральных сдвигах, наблюдаемых в традиционных волокнах с решетками, которые подвергались воздействию гидростатического давления. Типичная решетка, используемая в экспериментах, имела полную ширину на уровне полумаксимума 0,2 нм и пиковую отражательную способность (максимальный коэффициент отражения) приблизительно 50%. Фиг.2 показывает спектр отражения такой решетки, когда она освещается источником широкополосного излучения 1,3 мкм. Ожидалось, что пиковое значение длины волны будет сдвигаться линейно в ответ на изменения температуры и деформации вплоть до 500^oС и 310,28 МПа в соответствии с уравнением 1, приведенным выше. Фиг.3 и 4 иллюстрируют, как изменяется пиковое значение длины волны света, отраженного брэгговской решеткой в ответ на изменения давления и температуры.

Следующий эксперимент включает решетку, записанную на поддерживающем поляризацию волокне в диапазоне длин волн 1,55 мкм. Как ожидалось, двойное лучепреломление поддерживающего поляризацию волокна заставляло решетку отражать свет назад вдоль двух ортогональных осей с различными показателями преломления так, что в спектре отраженного света появились два различных пика. Фиг. 5 иллюстрирует спектральный состав света, отраженного от одной брэгговской решетки в поддерживающем поляризацию волокне.

В дальнейших экспериментах на трех различных типах поддерживающего поляризацию волокна было обнаружено, что в одном поддерживающем поляризацию волокне с решеткой влияние гидростатического давления заставляло расстояние между спектральными пиками уменьшаться и пиковое значение длины волны сдвигаться в сторону более коротких длин волн. Кроме того, было обнаружено, что изменение значения длины волны для двух пиков было намного больше, чем изменение интервала между пиками, приблизительно в 5 раз. Поддерживающие поляризацию волокна, используемые в испытаниях, представляли собой волокна на основе стержней для создания воздействия, где оболочка волокна создавалась с парой продольных, создающих напряжение стержней, которые приводят к появлению двойного лучепреломления в сердцевине. Испытания также осуществлялись с поддерживающими поляризацию волокнами с эллиптическими сердцевинами и цилиндрической оболочкой, что дало идентичные результаты. Дополнительные испытания осуществлялись при использовании поддерживающего поляризацию волокна на основе стрежня, которое промышленно выпускалось без стержней, для формирования волокна с двумя заполненными воздухом боковыми отверстиями. Было обнаружено, что для этого типа волокна изменение пикового значения длины волны было намного меньше, чем изменение интервала между пиками, приблизительно в 4,5 раза. Эти результаты для модифицированного Corning SH4 волокна показаны на фиг.6, где крутой график представляет собой изменение интервала от пика к пику и плоский график представляет собой изменение пикового значения длины волны. Однако также наблюдалось, что волокна с боковыми отверстиями не создают два различаемых спектральных пика ниже 20, 69 МПа при использовании демодуляционного оборудования, дающего возможность в то же время проводить испытания.

Фиг. 7а-7d иллюстрируют спектр светового излучения, отраженного одной брэгговской решеткой в волокне с боковым отверстием, подвергавшимся воздействию гидростатических давлений 55,16 кПа, 20 МПа, 40,54 МПа и 68,09 МПа соответственно. Из этих чертежей будет понятно, что при давлениях, меньших или равных 20 МПа, спектральный состав отраженного излучения не проявляет два различных пика. Эксперименты осуществлялись при использовании анализатора спектра Ando Optical Spectrum Analyzer и демодулятора на основе волоконного эталона Фабри-Перо Queennsgate Fabry-Perot. Несмотря на то, что возможно, чтобы демодуляторы с более высоким разрешением были способны обнаруживать два различных пика, целью экспериментов и настоящего изобретения было обнаружение способа улучшения разрешения и динамического диапазона волоконно-оптического датчика давления, при использовании в то же время легкодоступной техники демодуляции. Тем не менее, было отмечено, что по мере возрастания давления к точке, где обнаруживается вызываемое двойное лучепреломление, ширина отдельного пика увеличивается. Следовательно, также можно осуществить точные измерения в отсутствие двух различных пиков за счет измерения ширины (уширения или сужения) отдельного пика.

Сравнительные результаты были получены для абсолютного значения сдвига длины волны в зависимости от давления для трех различных типов волокон, каждое из которых имеет брэгговскую решетку одной и той же длины волны. Фиг.8 показывает результаты экспериментов со стандартным SMF-28 волокном, поддерживающим поляризацию волокном и не поддерживающим поляризацию волокном с боковым отверстием. Как показано с помощью возрастающих наклонов (сдвиг длины волны в мм/пси), поддерживающее поляризацию волокно проявляет лучший отклик (разрешение или чувствительность), чем стандартное волокно, имеющее тот же самый тип брэгговской решетки. Кроме того, волокно с боковыми отверстиями проявило заметно более хороший отклик, чем отклик поддерживающего поляризацию волокна, имеющего тот же самый тип брэгговской решетки. Эти результаты испытаний привели к выводу, что волокна с боковыми отверстиями предлагают большее разрешение в измерении давления и что стандартное одномодовое волокно с решеткой демонстрирует лучший динамический диапазон по сравнению с волокном с боковыми отверстиями (вниз до 0 кПа), но обеспечивает только очень грубое разрешение давления, потому что измерения должны проводиться при использовании отдельного спектрального пика.

Со ссылкой теперь на фиг.9 и 10 первая реализация волоконно-оптического датчика давления 122 в соответствии с изобретением включает сердцевину 123, которая обеспечивается одной или более решетками (не показаны). Сердцевина окружается первой эллиптической оболочкой 126, которая вызывает появление двойного лучепреломления. Первая оболочка 126 окружается второй цилиндрической оболочкой 128, которая снабжается двумя продольными цилиндрическими боковыми отверстиями 130, 132, которые преобразуют изотропные силы давления в анизотропные силы. В соответствии с вариантом реализации, показанным на фиг. 9, сердцевина 123, первая оболочка 126, вторая оболочка 128 и боковые отверстия 130, 132 располагаются с продольными осями, лежащими в общей плоскости и со второстепенной осью первой оболочки 126, лежащей в общей плоскости. Альтернативный первый вариант реализации 122а, показанный на фиг. 10, по существу является тем же самым вариантом реализации 122 с аналогичными ссылочными позициями, относящимися к аналогичным частям, но с главной осью первой оболочки 126а, лежащей в общей плоскости. Волоконные оптические системы 122, 122а проявляют улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показана на фиг.1. В частности, волоконные оптические системы 122, 122а способны создать хорошее разрешение давления с динамическим диапазоном от 0 кПа, по крайней мере, до 68,95 МПа.

Со ссылкой теперь на фиг.11 второй вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 222 в соответствии с изобретением включает сердцевину 223, которая обеспечивается одной или более решетками (не показаны). Сердцевина 223 обеспечивается оболочкой 228, которая имеет пару вызывающих двойное лучепреломление стержней 226, 226', так же, как и пару продольных цилиндрических боковых отверстий 230, 232, которые преобразуют изотропные силы давления в анизотропные силы давления. Как показано на фиг.11, сердцевина 223, оболочка 228 и вызывающие напряжение стержни 226, 226' располагаются с продольными осями, лежащими в общей первой плоскости; и продольные оси сердцевины 223, оболочки 228 и продольных боковых отверстий 230, 232 лежат во второй плоскости, которая является ортогональной к первой плоскости. Волоконно-оптический датчик давления 222 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Со ссылкой теперь на фиг.12 третий вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 322 аналогичен варианту реализации 222 с аналогичными ссылочными позициями, относящимися к аналогичным частям. Однако в соответствии с этим вариантом реализации боковые отверстия 330, 332 не являются цилиндрическими, а имеют поперечное сечение С-формы, которое преобразует изотропные силы в анизотропные силы, которые концентрируются на сердцевине 323. Третий альтернативный вариант реализации 322а, показанный на фиг. 13, является аналогичным варианту реализации 322 с аналогичными ссылочными позициями, относящимися к аналогичным частям. В соответствии с этим вариантом реализации, боковые отверстия 330а, 332а имеют поперечное сечение V-формы, которое преобразует изотропные силы в анизотропные силы, которые концентрируются на сердцевине 32За. Волоконно-оптические датчики давления 322, 322а проявляют улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Фиг.14 показывает четвертый вариант реализации волоконно-оптического датчика 422, который является аналогичным второму варианту реализации 222 с аналогичными ссылочными позициями, относящимися к аналогичным частям. Однако в соответствии с этим вариантом реализации, боковые отверстия 430, 432 являются симметричными по размеру и расположению. В частности, боковое отверстие 432 имеет меньший диаметр поперечного сечения, чем боковое отверстие 430. Кроме того, продольная ось бокового отверстия 432 не лежит в общей плоскости с боковым отверстием 430 и сердцевиной 423. Волоконно-оптический датчик давления 422 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг. 1.

Обращаясь к фиг. 15, пятая реализация волоконно-оптического датчика давления 522 в соответствии с изобретением включает поддерживающую поляризацию волоконно-оптическую систему 521, имеющую сердцевину 523, которая снабжается одной или более решетками 524 и парой создающих напряжение стержней (не показаны). Поддерживающая поляризацию волоконно-оптическая система 521 вставляется в капиллярную трубку 525, которая снабжается двумя продольными цилиндрическими боковыми отверстиями 530, 532, которые преобразуют изотропные силы давления в анизотропные силы. Концы боковых отверстий закупориваются эпоксидной смолой 531а, 531b, 533a, 533b или герметизируются любым другим подходящим способом. Волоконно-оптический датчик давления 522 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Шестой вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 622 показан на фиг.16. В соответствии с этим вариантом реализации поддерживающее поляризацию волокно 621, имеющее сердцевину 623 с записанными одной или более решетками 624, снабжается оболочкой завышенного размера 628, которая имеет боковые отверстия завышенного размера 630, 632. Боковые отверстия загерметизированы за счет подсоединения волокна 621 к двум частям одномодового волокна 640, 642, которые имеют один и тот же диаметр завышенного размера. Концы одномодовых волокон затем подсоединяются к волокнам дальней связи с изменяющимся показателем преломления 644, 646. Волоконно-оптический датчик давления 622 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Обращаясь теперь к фиг.17, седьмой вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 722 включает поддерживающее поляризацию волокно 721, имеющее сердцевину с одной или более решетками (не показаны), первую эллиптическую оболочку 726, окружающую сердцевину, и вторую оболочку 728, окружающую первую оболочку. Вторая оболочка снабжается
асимметричными боковыми отверстиями 730, 732 и монтируется в жестком поддерживающем материале 750 с частью поверхности, которая подвергается внешнему воздействию. Гибкая диафрагма 752 прикрепляется к поддерживающему материалу 750 и покрывает подвергающуюся воздействию часть оболочки 728. Давление, прикладываемое к диафрагме 752, преобразуется в поперечную деформацию в сердцевине 723. Волоконно-оптический датчик давления 722 проявляет - улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Фиг. 18 показывает восьмой вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 822, который включает однотипное волокно 821, имеющее сердцевину 823 с одной или более решетками (не показаны) и оболочку 828 с парой боковых отверстий 830, 832. Оболочка 828 монтируется на жестком поддерживающем материале 850 с частью поверхности, которая подвергается воздействию. Гибкая диафрагма 852 прикрепляется к поддерживающему материалу 850 и покрывает подвергающуюся воздействию часть оболочки 828. Поддерживающий материал 850 монтируется в механической конструкции 854 (такой, как струбцина или тиски), которая создает напряжение в поддерживающем материале 850, оболочке 828 и сердцевине 823 для появления двойного лучепреломления в сердцевине. Давление, прикладываемое к диафрагме 852, преобразуется в поперечную деформацию в сердцевине 823. Волоконно-оптический датчик давления 822 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Обращаясь теперь к фиг.19, девятый вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 922 включает в себя одномодовое волокно 921, имеющее сердцевину 923 с одной или более решетками (не показаны) и оболочку 928 с парой боковых отверстий 930, 932. Оболочка 928 заворачивается в кусок стекла 950, имеющего низкую температуру плавления по отношению к оболочке, оставляя часть поверхности оболочки, подвергающейся воздействию. Стекло действует как элемент, индуцирующий деформацию, которая приводит к появлению двойного лучепреломления в сердцевине 923. Давление, прикладываемое к подвергающейся воздействию поверхности оболочки, преобразуется в поперечную деформацию в сердцевине 923. Диафрагма (не показана) может быть прикреплена к стеклу, покрывающему подвергающуюся воздействию поверхность оболочки. Волоконно-оптический датчик давления 822 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Фиг.20 показывает десятый вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 1022, который включает в себя одномодовое волокно 1021, имеющее сердцевину 1023 с одной или более решетками (не показаны) и оболочку 1028 с парой боковых отверстий 1030, 1032. Оболочка 1028 содержится на жестком поддерживающем материале 1050, таком, как пластина с V-образной выемкой 1051, и плечо рычага 1052 монтируется над оболочкой 1028. Давление, прилагаемое к свободному концу плеча рычага 1052, преобразуется в поперечную деформацию в сердцевине 1023. Волоконно-оптический датчик давления 1022 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Обращаясь теперь к фиг.21, одиннадцатый вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 1122 включает в себя одномодовое волокно 1121, имеющее сердцевину 1123 с одной или более решетками (не показаны) и оболочку 1128 с парой боковых отверстий 1130, 1132. Оболочка 1128 вставляется в капиллярную втулку из стекла 1150, имеющую низкую температуру плавления по отношению к оболочке. Стекло 1150 нагревается и сворачивается для формирования эллиптического внешнего стеклянного кожуха. Стеклянный кожух действует как элемент, индуцирующий деформацию, которая приводит к появлению двойного лучепреломления в сердцевине 1123, которая, как предполагается, имеет эллиптическое поперечное сечение. Предполагается, что боковые отверстия 1130, 1132 также имеют эллиптическое поперечное сечение после того, как стеклянный кожух нагревается и сворачивается. Давление, прикладываемое к кожуху 1150, преобразуется в поперечную деформацию в сердцевине 1123. Как показано на фиг. 21, кожух 1150 формируется таким образом, что главная ось его эллиптического поперечного сечения лежит в общей плоскости, которая включает продольные оси сердцевины 1123 и боковых отверстий 1130, 1132. На фиг.22 показан альтернативный одиннадцатый вариант реализации 1122а, где аналогичные ссылочные позиции относятся к аналогичным частям. Как показано на фиг.22, кожух 1150а формируется таким образом, что второстепенная ось его эклиптического поперечного сечения лежит в общей плоскости, которая включает продольные оси сердцевины 1123а и боковых отверстий 1130а, 1132а. Волоконно-оптические датчики давления 1122, 1122а проявляют улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Фиг. 23 показывает двенадцатый вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 1222, который включает поддерживающее поляризацию волокно 1221, имеющее сердцевину 1223 с одной или более решетками (не показаны) и оболочку 1228 с парой продольных стрежней, индуцирующих напряжение 1226, 1226'. Пара капиллярных трубок 1260, 1262, каждая из которых имеет наконечник 1260а, 1260b, 1262а, 1262b, присоединяется к боковым поверхностям оболочки 1228. Волоконно-оптический датчик давления 1222 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Обращаясь теперь к фиг.24 и 25, тринадцатый вариант реализации волоконно-оптического датчика давления 1322 включает волокно 1321, поддерживающее поляризацию, имеющее сердцевину 1323 с одной или более решетками 1324 и оболочку 1328 с парой продольных, индуцирующих напряжение стержней 1326, 1326'. Две части 1331, 1333 оболочки 1328 измельчаются или вытравливаются и наполняются чувствительным к давлению материалом 1330, 1332, т.е. материалом, более чувствительным к давлению, чем оболочка, таким, как нейлон. Давление, прилагаемое к материалу 1330, 1332, преобразуется в поперечную деформацию сердцевины 1323. Волоконно-оптический датчик давления 1322 проявляет улучшенное разрешение и динамический диапазон при использовании в такой системе измерения давления, как показанная на фиг.1.

Здесь были описаны и проиллюстрированы несколько вариантов реализации волоконно-оптического датчика давления, имеющего улучшенное разрешение и динамический диапазон и волоконно-оптической системы измерения давления, использующей этот датчик. Хотя были описаны конкретные варианты реализации изобретения, не подразумевается, что изобретение ими ограничивается, поскольку подразумевается, что изобретение является настолько широким в своем объеме, насколько позволит техника, и что описание читается подобным образом.

Например, описанная система измерения давления является просто примером системы, в которой может быть использован волоконно-оптический датчик давления. Квалифицированные специалисты оценят, что волоконно-оптический датчик давления в соответствии с изобретением может быть преимущественно использован в других типах систем измерения давления. Кроме того, будет понятно, что множество решеток может использоваться в отдельном оптическом волноводе для обеспечения измерения давления из отдельных точек в отдельном волноводе. Квалифицированные специалисты также поймут, что маленькие волоконно-оптические датчики давления в соответствии с изобретением могут присоединяться к волоконным оптическим системам связи с переменным показателем преломления и располагаться в точке детектирования относительно далеко от спектрального анализатора(ов).

Следовательно, квалифицированные специалисты оценят, что и другие модификации могут быть сделаны для созданного изобретения без отступления от его сути и объема, таким образом, как это сформулировано в формуле изобретения.

Реферат

Изобретение используется в системах контроля состояния окружающей среды. Волоконно-оптический датчик содержит сердцевину оптического волокна, имеющую, по меньшей мере, одну решетку, сформированную вдоль, по меньшей мере, одной ее части, первую оболочку, окружающую указанную сердцевину и содержащую средство, воспринимающее давление, для преобразования изотропных сил давления в анизотропные силы давления на указанную сердцевину, двулучепреломляющее средство для улучшения двойного лучепреломления в указанной сердцевине. Двулучепреломляющее средство может включать в себя вторую эллиптическую оболочку между указанной сердцевиной и указанной первой оболочкой или средство, имеющее пару продольных стержней, встроенных в первую оболочку. Средство, воспринимающее давление, включает в себя пару продольных отверстий или чувствительный к давлению материал, или капиллярную трубку, окружающую указанную первую оболочку, причем указанная капиллярная трубка имеет пару продольных отверстий, по существу параллельных указанной оболочке. Способ измерения давления или поперечной деформации включает в себя направление света от источника света в сердцевину волоконно-оптического датчика с решеткой на сердцевине волокна, оптическое присоединение анализатора спектра к волоконно-оптическому датчику с решеткой, измерение расстояния между двумя спектральными пиками, детектируемыми анализатором спектра. Обеспечено повышение разрешения и динамического диапазона. 7 с. и 20 з.п. ф-лы, 28 ил.

Формула