Волоконно-оптический датчик перемещений - RU192790U1

Чертежи

Описание

Полезная модель (ПМ) относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам (ВОД) перемещений (ВОДП), и может быть использована, например, в системах мониторинга состояния несущих конструкций строительных сооружений. Важно подчеркнуть, что на основе ВОДП возможно создание целого ряда ВОД других физических величин [1] (угла наклона, вибраций, ускорений, температуры и др.), что обусловливает особый интерес к этому типу ВОД.

Цель полезной модели - повышение точности измерений и упрощение конструкции ВОД перемещений, которая достигается за счет использования в качестве чувствительного элемента (ЧЭ) ВОДП многомодового ступенчатого волоконного световода с квантовыми точками (МСКТ) и реализации в МСКТ особого режима многомодовой интерференции света за счет возбуждения его излучением одномодового волоконного световода.

Известен ВОД перемещений [2,3], основанный на измерении деформаций сегмента многомодового волоконного световода, вызванных контролируемыми перемещениями, содержащий источник когерентного света - лазер, излучение которого поступает на вход указанного сегмента многомодового волоконного осветительного световода и с его выхода излучение поступает через небольшой зазор в неподвижный волоконно-оптический жгут с приемными световодами, выходы которых подключены к матрице фотоприемников, выходные сигналы которых позволяют определить распределение интенсивности лазерного излучения в плоскости торца жгута приемных световодов. Принцип действия указанного ВОД перемещений основан на явлении интерференции когерентного излучения в многомодовом осветительном световоде, которое обеспечивает высокую чувствительность пространственного распределения интенсивности излучения в плоскости торца жгута (так называемой «спекл» - картины) к поперечным смещениям и деформациям осветительного световода. Основным недостатком известного ВОД является недостаточная точность измерений из-за высокой чувствительности интерференционных эффектов не только к измеряемым смещениям (деформациям), но также и к возмущающим факторам, таким как случайные изменения температуры, влияние электрических и магнитных полей-помех и др., оказывающим негативное (дестабилизирующее) действие вследствие термоэлектро- и магнитооптических свойств световодов. К недостаткам следует отнести также сложность конструкции ВОД из-за необходимости использования большого количества приемных световодов в жгуте и сложность алгоритма обработки сигналов.

Задачей настоящей ПМ является создание простого по конструкции ВОД перемещений, обладающего высокой чувствительностью и точностью измерения в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.

Технический результат - повышение точности измерений и упрощение конструкции ВОД перемещений достигается тем, что в отличие от известного устройства, в предлагаемом ВОДП, представленном на Фиг. 1, 2, 3:

1) в качестве чувствительного элемента ВОД используется сегмент специального многомодового ступенчатого волоконного световода с сердцевиной, содержащей квантовые точки (КТ);

2) оптическое возбуждение сегмента МСКТ осуществляется когерентным (лазерным) излучением моды (LP₀₁) одномодового волоконного световода (ОВС), соединенного (состыкованного) с входным торцом МСКТ;

3) длина волны импульсного лазерного излучения (λ_с), направляемого в МСКТ, находится в области возбуждения фотолюминесценции квантовых точек, что приводит к распространению в МСКТ наряду с лазерным излучением также излучения люминесценции КТ с длиной волны (λ_L), при этом длительность фронтов лазерных импульсов выбирается существенно меньшей длительности послесвечения люминесценции КТ (τ_L);

4) размеры МСКТ (радиус сердцевины (R) и длина сегмента (L)) выбираются в соответствии с соотношением:

где n - показатель преломления сердцевины МСКТ; N= 0, 1, 2, …, которое в условиях многомодовой интерференции в МСКТ обеспечивает формирование в плоскости его выходного торца специального профиля распределения интенсивности когерентного излучения в виде тонкого кольца с радиусом, равным радиусу сердцевины МСКТ и с шириной: (Фиг. 2.).

Фиг. 1. Структурная схема ВОДП: 1 - источник когерентного света, лазер; 2 - оптический модулятор; 3 - передающий волоконно-оптический кабель, одномодовый, одножильный; 4 - оптоволоконный преобразователь перемещений; 5 - волоконно-оптический кабель приемный, многожильный; 6,7 - фотоприемники, спектрально селективные; 8 - блок обработки сигналов и индикации результатов измерений.

Фиг. 2. Схема оптоволоконного преобразователя перемещений с чувствительным элементом на основе МСКТ, (s - s) - профиль торцевого свечения МСКТ (область концентрации лазерного излучения заштрихована).

Фиг. 3. Схема деформации МСКТ и смещения свободного торца относительно приемных световодов ВСП_1-3, в условиях наклона оптоволоконного преобразователя относительно местной вертикали.

В результате, достигается существенное упрощение структуры «спекл» - картины, которая обычно представляет собой множество «случайно» расположенных светящихся пятен неправильной формы. В данном случае для определения пространственного положения «спекл» - картины, имеющей вид тонкого кольца, требуется значительно меньшее количество приемных световодов в волоконном жгуте так, для измерения смещений МСКТ в произвольном направлении достаточно использовать волоконно-оптический жгут с двумя приемными световодами ВСП_1,2, центры которых находятся на перпендикулярных радиусах вблизи линии границы сердцевина - оптическая оболочка несмещенного (недеформированного) МСКТ (Фиг. 2). При этом использование дополнительного (третьего) приемного световода ВСП₃, расположенного в центре, принимающего излучение люминесценции, позволяет исключить (за счет нормировки на интенсивность излучения люминесценции) влияние на результаты измерений нестабильности мощности лазерного излучения. Таким образом, в приемные волоконные световоды ВСП_1,2,3 поступает как когерентное излучение, так и излучение люминесценции с соответствующими интенсивностями (P_c,i(t), P_L,i(t)), которые могут быть измерены с помощью спектрально селективных фотоприемников (миниспектрометров) (4), регистрирующих когерентное лазерное излучение (λ_с) и излучение люминесценции (λ_L) в достаточно широком спектральном диапазоне, позволяющем определить положение максимума в спектре излучения люминесценции (λ_L,max). Отметим, что зазор (Н) между торцами волоконного жгута и МСКТ следует выбрать, по возможности, минимальным, который на практике не должен превышать несколько длин волн: Н≤5λ_с.

В основе функционирования предложенного ВОДП лежат следующие физические явления и эффекты: известно [4-6], что время послесвечения люминесценции квантовых точек τ_L зависит, в основном, от температуры τ_L=τ_L(T), при этом положение максимума спектра люминесценции (λ_max) зависит наряду с температурой также от приложенного электрического поля

- эффект Штарка. Параметр τ_L может быть измерен путем регистрации продолжительности затухания интенсивности люминесценции (т.е. сигнала P_L(t)) сразу после выключения лазерного импульса, т.е. (при P_c(t)=0). Измеренные значения (τ_L, λ_max) позволяют определить характеристики основных дестабилизирующих факторов (температуру Т, напряженность электрического поля ), действующих на ЧЭ и влияющих посредством термооптических и электрооптических эффектов на процессы распространения излучения в ЧЭ - осветительном световоде. Это позволяет внести соответствующие поправки в результаты измерения поперечных смещений выходного осветительного световода МСКТ (ΔХ, ΔУ), определяемых с помощью соответствующих функций преобразования (F,G):

где

- средние значения интенсивностей лазерного излучения и люминесценции, полученные путем усреднения сигналов P_c,i(t) и P_L,3(t) по большому количеству импульсов, например, k=10. Так как интенсивность фотолюминесценции пропорциональна интенсивности возбуждающего лазерного излучения, вводимого в МСКТ (P_L~P_c), то благодаря использованию в выражениях (1) отношений сигналов (процедура нормировки интенсивностей) исключается влияние нестабильностей мощности лазерного источника на результаты измерений (ΔХ, ΔУ) (при этом предполагается, что в силу пространственной однородности распределения КТ в сердцевине МСКТ, распределение интенсивности излучения люминесценции вдоль сечения сердцевины МСКТ является равномерным, поэтому можно считать, что при смещениях и деформациях МСКТ ).

ВОДП работает следующим образом. Оптическое излучение от источника когерентного света - лазера (1) поступает в оптический модулятор (2), на выходе которого формируется модулированное по интенсивности (импульсное) лазерное излучение. С помощью передающего одномодового оптоволоконного кабеля (ОК) (3) лазерное излучение (с диной волны λ_с) направляется в оптоволоконный преобразователь перемещения (4), в котором осуществляется преобразование смещений (деформаций) сегмента осветительного многомодового световода с квантовыми точками (5), консольно закрепленного в корпусе преобразователя (4), в изменения интенсивностей излучения в приемных световодах (6,7) Обработка сигналов в соответствии с выражением (1) и индикация результатов измерений (ΔХ, ΔУ) осуществляются с помощью блока обработки и индикации данных (8).

Измерение многих физических (в особенности - кинематических) величин (ускорение; угол наклона; параметры вибраций, сейсмических колебаний; температуры и др.) может осуществляться на основе предложенных ВОД перемещений благодаря использованию преобразований вида: измеряемая величина → перемещение, которые могут быть реализованы, например, за счет действия сил инерции (измерение ускорения); собственного веса МСКТ (измерение угла наклона) и разницы коэффициентов теплового расширения МСКТ и окружающих тел, взаимодействующих с ним (измерение температуры). При этом важную роль наряду с оптическими свойствами МСКТ будут играть также его упруго-механические свойства. На Фиг. 3, приведена схема, иллюстрирующая метод измерения угла наклона с помощью ВОДП. В данном случае угловое отклонение корпуса ОВП от вертикали (α_x,y) приводит к возникновению деформации изгиба консольного сегмента МСКТ под действием собственного веса

что вызывает соответствующие смещения (ΔХ, ΔУ) выходного торца МСКТ относительно приемных световодов. При малых углах наклона где G - эффективный коэффициент «жесткости» (упругости) МСКТ, - вес МСКТ.

Литература

1) Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат. 1990. - 258 с.

2) Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П. Волоконная оптика и приборостроение. Л.: машиностроение, 1987. - 328 с.

3) Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.Д. Ланцов. «Корреляционный метод обработки спекловой картины сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров с использованием приборов с зарядовой связью». Квантовая электроника, 36, №4, с. 339-342 (2006).

4) A. Bueno, I. Suarez, R. Abarques, S. Sales, J.P. Martinez Pastor. «Temperature Sensor Based on Colloidal Quantum Dots - РММА». IEEE Sensors Jonrnal, v. 12, issue: 10, pp. 3069-3074 (2012).

5) J. Suriyaprakash, T.T. Qiao. «Exploiting the optical and luminescence characterictic of guantum dots for optical device fabriacation». Applied Nanoscience, v. 8, issue 4. pp. 609-616 (2018).

6) T. Nakabayashi, R. Ohshima and N. Ohta. «Electric Field Effects on Photoluminescence of CdSe Nanoparticles in a PMMA Film». Crystals 4(2)^ 152-167 (2014).

Реферат

Заявленное устройство относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам перемещений, деформаций, и может быть использовано, например, в системах мониторинга несущих конструкций строительных сооружений. В данном устройстве для измерения перемещений, деформаций используется тот факт, что интерференция когерентного излучения в сегменте многомодового ступенчатого волоконного световода, возбуждаемого излучением одномодового волоконного световода, при определенных размерах сегмента приводит к достаточно простой структуре «спекл» - картины, которая имеет вид тонкого кольца в плоскости выходного торца световода, при этом смещение (деформация) световода приводит к смещению (деформации) указанного кольца, определяемых по изменению интенсивностей световых потоков, поступающих в неподвижный волоконно-оптический жгут с приемными световодами. Использование сегмента многомодового волоконного световода с квантовыми точками в сердцевине, обладающими свойством фотолюминесценции, позволяет определить путем анализа характеристик излучения люминесценции степень влияния внешних дестабилизирующих факторов и внести соответствующие поправки при определении смещений (деформаций).Волоконно-оптический датчик перемещений содержит источник когерентного излучения - лазер, оптический модулятор, передающий одномодовый оптический кабель, оптоволоконный преобразователь перемещения с чувствительным элементом на основе многомодового ступенчатого световода с квантовыми точками, волоконно-оптический жгут с приемными световодами, спектрально селективные фотоприемники. Технический результат: повышение точности измерений с одновременным упрощением конструкции ВОД перемещений и алгоритма обработки сигналов.

Формула