оптоэлектронный датчик давления

Формула изобретения

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий мембрану, источник излучения и первый фотоприемник, связанные между собой с помощью оптического канала, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности датчика и повышения точности измерений малых изменений давления на любом уровне давлений, оптический канал содержит конденсор, растр, объектив, два зеркала и второй фотоприемник, при этом фотоприемники включены навстречу друг к другу и подключены к введенному синхронному детектору, а источник излучения подключен к введенному генератору переменного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике, а именно к исследованию характеристик газов и жидкостей, конкретно к измерению давления.

Известен оптоэлектронный датчик давления, содержащий источник и приемник излучения, подводящие и отводящие свет волокна, оптический канал, выполненный в виде треугольной призмы, мембрану, установленную с зазором относительно призмы, и блок выделения полезного сигнала.

Недостатком известного устройства является существенная нелинейность его статической характеристики и, следовательно, узкий линейный диапазон измерения давления. Кроме того, температурная нестабильность параметров источника и приемника излучения приводит к дрейфу нуля измерительного преобразователя, что снижает точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является известный оптоэлектронный датчик давления, содержащий источник и приемник получения, соединенные световодами с оптическим каналом, выполненным в виде треугольной призмы, мембрану, установленную с зазором относительно призмы, и блок выделения сигнала, соединенный с приемником излучения, введен пьезорезонатор с электродами, выполненный в виде кольца и подключенный к автогенератору, при этом пьезорезонатор установлен между мембраной и треугольной призмой на ее поверхности, а мембрана выполнена в виде жесткого диска.

Работа оптического канала основана на перераспределении энергии светового луча, испытывающего полное внутреннее отражение от рабочей поверхности оптического канала, между собственно оптическим каналом и мембраной, когда расстояние между ними становится меньше длины волны используемого света.

При работе оптоэлектронного датчика световой поток от источника излучения через волоконный световод вводится в оптический канал под углом, большим угла полного внутреннего отражения и распространяется в нем, испытывая полное внутреннее отражение от его рабочей поверхности. На выходе из оптического канала через волоконный световод световой поток подводится к приемнику излучения и, преобразуясь в приемнике в электрический сигнал, подается на блок выделения полезного сигнала. При включении автогенератора возбуждается пьезорезонатор, при этом зазор между рабочей поверхностью оптического канала и мембраной изменяется по гармоническому закону с частотой механического резонанса пьезорезонатора. Изменение величины зазора приводит к амплитудной модуляции светового потока, распространяющегося через оптический канал с частотой колебаний пьезорезонатора.

При изменении давления окружающей среды, воздействующего на мембрану, изменяются механические параметры пьезорезонатора, поскольку возникают дополнительные механические напряжения, а следовательно, изменяется и его резонансная частота, что приводит к перестройке автогенераторной схемы. При этом частота сигнала с выхода приемника излучения является функцией величины давления окружающей среды. Блок выделения полезного сигнала осуществляет частотную демодуляцию выходного напряжения и выдает на выходе сигнал, пропорциональный величине давления. Так как устройство не содержит компенсационных элементов, то в нем не исключается температурная погрешность изменения упругих свойств подвижной системы мембраны, вызванные изменениями температуры создадут частотный сигнал, пропорциональный этому изменению и равнозначный сигналу от измеряемого давления. В рассмотренном оптоэлектронном датчике нет оптического усиления, поэтому малым колебаниям мембраны соответствуют малые изменения светового потока, попадающего на фотоприемник - первоисточник генерации измерительного частотного сигнала, это ведет к уменьшению чувствительности оптоэлектронного датчика. Для решения ряда задач науки и техники требуется измерять давление и его изменение на уровне, граничащем с термодинамическими флуктуациями давления.

Целью изобретения является повышение чувствительности оптоэлектронного датчика давления и увеличение точности измерения давления и его изменения.

Указанная цель достигается тем, что в оптоэлектронном датчике, содержащем источник и приемник излучения, мембрану и оптический канал, соединяющий источник и приемник, в оптическом канале установлены конденсор, растр, объектив, два зеркала и два включенных навстречу фотоприемника.

Источник излучения подключен к специальному генератору переменного тока. Такое сочетание элементов обеспечивает получение большой чувствительности и температурную стабильность оптоэлектронного датчика давления. Амплитуда разностного сигнала фотоприемников пропорциональна давлению или его изменению.

Автору неизвестны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели - существенного увеличения чувствительности оптоэлектронного датчика давлений и повышение точности измерений малых изменений давления с его помощью.

На чертеже дана схема предлагаемого оптоэлектронного датчика давлений: 1 - зеркальная мембрана, 2 - линза, 3 - растр, 4 - конденсор, 5 - приемник излучения, 6 - источник излучения, 7 - генератор переменного тока, 8 - предусилители, 9 - измерительный прибор, 10 - синхронный детектор, 11 - приемник излучения, 12 - два зеркала.

Устройство работает следующим образом. На зеркальную мембрану 1 объективом 2 и верхней половиной конденсора 4 через верхнюю половину растра 3 от источника света 6 направляется световой поток. Отразившись от зеркальной мембраны, этот поток проходит через нижнюю половину растра и конденсатором и зеркалом 12 собирается на приемнике 11. Растр установлен в фокальной плоскости объектива, при прогибах зеркальной мембраны возникает расфокусировка и изменение светового потока, поступающего от источника 6 на приемник 11. Изменение светового потока и, соответственно, развиваемого приемником 11 сигнала пропорциональны изменению действующего на зеркальную мембрану давления. Благодаря тому, что свет проходит через растр при малых прогибах мембраны, возникают большие изменения светового потока от источника к приемнику, т. е. имеет место большое оптическое усиление развиваемого сигнала.

Для повышения стабильности схема снабжена вторым приемником светового штока 5, а источник питается от генератора переменного тока 7. От этого же генератора опорное напряжение поступает на синхронный детектор 10. На приемник 5 световой поток направляется зеркалом 12, минуя оптическую систему оптического усилителя. Развиваемый приемником 5 электрический сигнал служит для стабилизации работы всей системы. Электрические сигналы от обоих приемников поступают на предусилители 8 и через синхронный детектор 10 на измерительный прибор 9. В результате оптическое усиление осуществляется на модулированном световом потоке, а электрическое усиление - на переменном токе с синхронным детектированием. Схема обеспечивает существенное повышение чувствительности оптоэлектронного датчика давления, повышает точность и стабильность получаемых результатов. (56) Пpиборы и системы управления. 1981, N 5, с. 21-22.

Авторское свидетельство СССР N 1150504, кл. G 01 L 11/00, 1984.