[go: up one dir, main page]

SU1739228A1 - Fibre-optical pressure indicator - Google Patents

Fibre-optical pressure indicator Download PDF

Info

Publication number
SU1739228A1
SU1739228A1 SU914794827A SU4794827A SU1739228A1 SU 1739228 A1 SU1739228 A1 SU 1739228A1 SU 914794827 A SU914794827 A SU 914794827A SU 4794827 A SU4794827 A SU 4794827A SU 1739228 A1 SU1739228 A1 SU 1739228A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
fiber
cylinder
optic
sensor
core
Prior art date
Application number
SU914794827A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Михайлович Галстян
Юрий Сергеевич Чилингарян
Original Assignee
Ереванский государственный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ереванский государственный университет filed Critical Ереванский государственный университет
Priority to SU914794827A priority Critical patent/SU1739228A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1739228A1 publication Critical patent/SU1739228A1/en

Links

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и предназначено дл  измерени  давлений. Цель изобретени  - упрощение конструкции и уменьшение температурной погрешности. Интерферометрический волоконно-оптический датчик выполнен на двужильном волокне с двум  волоконно-оптическими каналами. Когерентное лазерное излучение вводитс  .одновременно в обе жилы волокна, на выходе которого образуетс  интерференционное поле. Волокно наматываетс  на полый эластичный изолированный цилиндр так, чтобы плоскость расположени  жил была перпендикул рна его оси. При подаче давлени  в цилиндр интерференционные полосы смещаютс  пропорционально величине давлени . 1 ил.This invention relates to a measurement technique and is intended to measure pressures. The purpose of the invention is to simplify the design and reduce the temperature error. The interferometric fiber-optic sensor is made on a two-core fiber with two fiber-optic channels. The coherent laser radiation is injected simultaneously into both strands of the fiber, at the output of which an interference field is formed. The fiber is wound on a hollow elastic insulated cylinder so that the plane of location of the veins is perpendicular to its axis. When pressure is applied to the cylinder, the interference fringes shift in proportion to the pressure. 1 il.

Description

Изобретение относитс  к волоконно-оптическому приборостроению, в частности к волоконно-оптическим датчикам физических величин, и может быть использовано в гидроакустике и других област х метрологии дл  измерени  давлени .The invention relates to fiber optic instrument making, in particular to fiber optic sensors of physical quantities, and can be used in hydroacoustics and other areas of metrology for measuring pressure.

Известны одномодовые двухволокон- ные интерферометрические датчики.Single-mode two-fiber interferometric sensors are known.

Схема типичного волоконно-оптического интерферометрического датчика на двух одномодовых волокнах представл ет собой модификацию классического интерферометра Маха-Цендера и включает в себ  источник излучени  (лазер), коллимирующие системы (линзы), светоделительные элементы , микрообъективы, и измеритель разности фаз. Дл  работы по такой схеме требуетс  выполнение услови  квадратур, откуда вытекает необходимость стабилизации фазы волны в опорном волокне (изол ции волокна от воздействи  внешних факторов). В лабораторных услови х стабилизаци  фазы опорного плеча достигаетс  термостатиро- ванием этого элемента, что лишает волоконно-оптические интерферометрические датчики одного из его основных преимуществ - компактности. Используютс  также другие методы стабилизации рабочей точки интерферометра, не привод щие к компактности . Наличие коллимирующих и свето- разделительных элементов усложн ет работу такого интерферометрического датчика (необходимость учета уровн  обратного отражени  в резонатор лазера от различных оптических элементов схемы) и увеличивает его массу по сравнению с волоконно-оптическим интерферометром в интегральном исполнении (волоконные разветвитель и объединитель). Отсутствие в схемах интерферометрических датчиков вышеуказанных элементов стабилизации фз- светоделительных и коллимирующих элементов приводит к уменьшению массыA typical fiber-optic interferometric sensor circuit on two single-mode fibers is a modification of the classical Mach-Zehnder interferometer and includes a radiation source (laser), collimating systems (lenses), beam-splitting elements, micro-lenses, and a phase difference meter. To work according to this scheme, the condition of quadrature is required, which implies the necessity of stabilizing the phase of the wave in the reference fiber (isolating the fiber from external factors). Under laboratory conditions, the stabilization of the phase of the support arm is achieved by thermostating this element, which deprives the fiber-optic interferometric sensors of one of its main advantages — compactness. Other methods of stabilizing the working point of the interferometer are also used that do not lead to compactness. The presence of collimating and light separating elements complicates the operation of such an interferometric sensor (the need to take into account the level of back reflection in the laser resonator from various optical elements of the circuit) and increases its mass compared to the fiber-optic interferometer in the integral design (fiber splitter and combiner). The absence in the circuits of interferometric sensors of the above elements of stabilization of the FZ-beam-splitting and collimating elements leads to a decrease in mass

х| СОx | WITH

оabout

Ю hO 00S hO 00

датчика, простоте конструкции и как следствие - к пригодности дл  промышленного применени . На работу волоконно-оптических интерферометрических датчиков вли ют внешние воздействи  (вибрации, тепловые флуктуации) на коммутационную часть волокон (участки волокна между чувствительным элементом, лазером и измерителем разности фаз), что также приводит к ограниченности практического применени  таких волоконно-оптических датчиков.sensor, simplicity of design and, as a consequence, suitability for industrial use. The operation of fiber-optic interferometric sensors is influenced by external influences (vibrations, thermal fluctuations) on the switching part of the fibers (fiber sections between the sensing element, laser and phase difference meter), which also leads to the limited practical application of such fiber-optic sensors.

Цель изобретени  - упрощение конструкции датчика и снижение температурной погрешности.The purpose of the invention is to simplify the design of the sensor and reduce the temperature error.

Поставленна  цель достигаетс  за счет того, что в волоконно-оптическом датчике давлени , содержащем источник когерентного излучени , чувствительный элемент с волокном и измеритель разности фаз оптических волн два волоконно-оптических канала передачи информации выполнены в виде двужильного оптического волокна, а чувствительный элемент выполнен в виде упругого цилиндра, при этом волокно намотано так, что плоскость расположени  жил перпендикул рна оси цилиндра.This goal is achieved due to the fact that in a fiber-optic pressure sensor containing a source of coherent radiation, a fiber sensing element and an optical phase difference meter for optical waves, two fiber-optic information transmission channels are made in the form of a two-core optical fiber, and the sensing element is in the form of an elastic cylinder, wherein the fiber is wound so that the plane of location of the cores is perpendicular to the axis of the cylinder.

На чертеже показана схема датчика.The drawing shows a diagram of the sensor.

Датчик содержит источник 1 когерентного излучени , микрообъектив 2, двужильное оптическое волокно 3, участок которого намотан на чувствительный к давлению элемент (упругий цилиндр) 4, и измеритель 5 разности фаз оптических волн.The sensor contains a source of coherent radiation 1, a micro-lens 2, a twin-core optical fiber 3, a portion of which is wound on a pressure-sensitive element (elastic cylinder) 4, and a meter 5 of the phase difference of optical waves.

Датчик работает следующим образом.The sensor works as follows.

Когерентное излучение источника 1 микрообъективом 2 вводитс  в двужильное волокно 3 в обе жилы. При распространении световых волн по волокну (в каждой жиле) сохран етс  их взаимна  когерентность. После выхода волн из волокна в области перекрыти  пучков образуетс  стабильное интерференционное поле.The coherent radiation of source 1 by micro-lens 2 is introduced into double-core fiber 3 into both cores. When light waves propagate through the fiber (in each core), their mutual coherence remains. After the waves exit the fiber in the region of the beam overlap, a stable interference field is formed.

На экране (плоскости расположени  щели измерител  разности фаз), расположенном на рассто нии I от выходного торца, наблюдаютс  интерференционные полосы, ширина которых определ етс  выражением х I Я d , где d - рассто ние между центрами жил, Я -длина волны оптического излучени . Наблюдаемые интерференционные полосы перпендикул рны плоскости расположени  жил на конце волокна. Таким образом определ етс  плоскость расположени  жил на каждом конце волокна. Участок волокна с определенной плоскостью расположени  жил с нат жением наматываетс  на полый упругий цилиндр так, чтобы плоскость расположени  жил была перпендикул рна оси цилиндра. При такой намоткеOn the screen (the slit plane of the phase difference meter), located at a distance I from the output end, interference bands are observed whose width is determined by the expression x I I d, where d is the distance between the core centers, and I is the wavelength of optical radiation. The observed interference bands are perpendicular to the plane of location of the veins at the fiber end. In this way, the plane of the cores at each end of the fiber is determined. The fiber section with a specific core plane is tensioned around a hollow elastic cylinder so that the core plane is perpendicular to the axis of the cylinder. With such a winding

двужильного волокна на цилиндр возникает статическа  разность фаз волн в жилах из-за их различной деформации. Давление, измен ющее радиус упругого цилиндра, приводит к изменению статической разности фаз волн что про вл етс  в смещении интерференционных полос пропорционально давлению или изменению радиуса Дг. Соотношение между Д г и Р определ етс A pair of fibers per cylinder causes a static phase difference of the waves in the cores due to their different deformations. The pressure, which changes the radius of the elastic cylinder, leads to a change in the static phase difference of the waves, which manifests itself in a shift of the interference fringes proportional to the pressure or a change in the radius Dg. The ratio between D g and P is determined by

выражениемby expression

Лг 7 Ґ 0-2г/) + (1+г;)-Lg 7 Ґ 0-2g /) + (1 + g;) -

где п, Г2 - внешний и внутренний радиусыwhere n, G2 - external and internal radii

цилиндра, Е, V- коэффициенты Юнга и Пуассона материала цилиндра. Полезный сигнал датчика, пропорциональный давлению, извлекаетс  из анализа наблюдаемой интерференционной картины, в частности изcylinder, E, V- Young coefficients and Poisson cylinder material. A useful sensor signal, proportional to pressure, is extracted from the analysis of the observed interference pattern, in particular from

измерени  смещени  интерференционных полос. Измерение смещени  интерференционных полос проводилось измерением смещени  интерференционного максимума с помощью подвижной щели с фотодиодомinterference fringe measurements. The measurement of the offset of the interference fringes was carried out by measuring the offset of the interference maximum using a moving slit with a photodiode

расположенных на микрометрическом столике . Изменение разности фаз равно Ду 2л:х/Дх где х - смещение полосы. Ширина щели (10-20 мкм) выбиралась во много раз меньше ширины интерференционных полос (1-2 см). Измерени  смещени  интерференционных полос проводились также с помощью системы технического зрени  СТ-3-1 с пространственным разрешением 20-25 мкм с выходом на ЭВМ. Температурные флуктуации не вли ют на работу датчика, так как обе жилы волокна наход тс  при одной температуре и изменени  разности фаз не происходит. Температурна  чувствительность такого датчикаlocated on the micrometer table. The change in the phase difference is equal to Dy 2l: x / dx where x is the displacement of the strip. The slit width (10–20 µm) was chosen many times smaller than the width of the interference fringes (1-2 cm). The measurement of the offset of the interference fringes was also carried out using the technical vision system ST-3-1 with a spatial resolution of 20-25 µm with access to a computer. Temperature fluctuations do not affect the operation of the sensor, since both strands of the fiber are at the same temperature and there is no change in the phase difference. Temperature sensitivity of such a sensor

определ етс  только температурным расширением цилиндра намотки волокна.is determined only by the temperature expansion of the fiber winding cylinder.

Пример. Реализаци  волоконно-оптического датчика давлени  на двужильном волокне. В датчике использовалось кварцевое волокно с внешним полимерным покрытием , радиус каждой жилы а 1,3 мкм, рассто ние между центрами жил d 28 мкм. Жилы волокна  вл лись одномодовыми дл  излучени  He-Ne лазера на длине волныExample. Implementing a fiber optic pressure sensor on a twin core fiber. The sensor used quartz fiber with an external polymer coating, the radius of each core was 1.3 µm, the distance between the core centers was d 28 µm. The fiber cores were single mode for emitting a He-Ne laser at a wavelength

Я 6328 А . Уч асток волокна длиной L 80 см наматывалс  на полый цилиндр радиуса г 9 см из резины и крепилс  на нем. За выходным торцом волокна располагалс  измеритель разности фаз оптических волн.I am 6328 Ah. Uch astok fiber with a length of L 80 cm was wound on a hollow cylinder of a radius of 9 cm of rubber and fastened on it. Behind the output end of the fiber, a phase difference meter for optical waves was located.

Относительна  чувствительность реализованного датчика показывающа  удельное изменение разности фаз определенна  выражением /J, 6 рад Измерение чувствительности проводилосьRelative sensitivity of the realized sensor showing the specific change in the phase difference determined by the expression / J, 6 rad The sensitivity measurement was carried out

при наматывании волокна на пьезокерами- ческий цилиндр того же радиуса.when winding fiber on a piezoceramic cylinder of the same radius.

Реализована модель интерферометри- ческого датчика в волоконном исполнении.A model of an interferometric sensor in fiber design has been implemented.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый датчик на двужильном волокне обладает р дом преимуществ.Thus, compared with the known, a dual core fiber sensor has several advantages.

Использование двужильного волокна приводит к упрощению конструкции и уменьшению массы датчика, так как в реализованной схеме отсутствуют светоразде- лительные и объединительные элементы, оптические коллимирующие системы. Реализаци  двух оптических каналов интерферометра в одном волокне, наход щихс  в одинаковых температурных услови х, приводит к повышению помехоустойчивости к температурным изменени м и отсутствию необходимости термостабилизации опорного волокна, что также упрощает конструкцию и уменьшает массу датчика,The use of a two-core fiber leads to a simplification of the design and a reduction in the mass of the sensor, since in the implemented scheme there are no light separating and combining elements, optical collimating systems. The implementation of two optical channels of the interferometer in one fiber, which are in the same temperature conditions, leads to an increase in noise immunity to temperature changes and the absence of the need for thermal stabilization of the reference fiber, which also simplifies the design and reduces the sensor mass,

Claims (1)

Формула изобретени  Волоконно-оптический датчик давлени , содержащий чувствительный элемент, источник когерентного излучени , два волоконно-оптических канала передачи излучени  и измеритель разности фаз оптических волн, отл и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью упрощени  и снижени  температурной погрешности , в нем два волоконно-оптических канала передачи информации выполнены в виде двужильного оптического волокна, а чувствительный элемент выполнен в виде цилиндра, при этом двужильное оптическое волокно намотано на чувствительный элемент с плоскостью расположени  жил перпендикул рно к оси цилиндра.Fiber Optic Pressure Transducer, containing a sensitive element, a source of coherent radiation, two fiber optic transmission channels and a phase difference meter for optical waves, in order to simplify and reduce the temperature error , there are two fiber-optic information transmission channels in the form of a twin-core optical fiber, and the sensing element is designed as a cylinder, while the two-core optical fiber is wound on a sensitive element positioning a plane perpendicular to the veins of the cylinder axis.
SU914794827A 1991-01-05 1991-01-05 Fibre-optical pressure indicator SU1739228A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU914794827A SU1739228A1 (en) 1991-01-05 1991-01-05 Fibre-optical pressure indicator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU914794827A SU1739228A1 (en) 1991-01-05 1991-01-05 Fibre-optical pressure indicator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1739228A1 true SU1739228A1 (en) 1992-06-07

Family

ID=21498014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU914794827A SU1739228A1 (en) 1991-01-05 1991-01-05 Fibre-optical pressure indicator

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1739228A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2213328C2 (en) * 1996-09-09 2003-09-27 Блю Роуд Рисерч, Инк. System of gauges of lateral strain based on fiber-optical grating

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР № 878534,кл. G 01 L11/00, 1970. Волоконна оптика и приборостроение. ,-Л.: Машиностроение, 1987, с. 110-124. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2213328C2 (en) * 1996-09-09 2003-09-27 Блю Роуд Рисерч, Инк. System of gauges of lateral strain based on fiber-optical grating

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0023345A2 (en) Optical sensing system
JP4083809B2 (en) Optical fiber grating lateral strain sensor system
US5591965A (en) Multiparameter sensor system using a multiple grating fiber optic birefringent fiber
US5448657A (en) Polarimetric fiber laser sensors
CN109238355A (en) The device and method of optical fiber distributed type sound state property while sensing measurement
JP4403674B2 (en) Optical fiber sensor
Harmer Principles of optical fibre sensors and instrumentation
CN101329168A (en) Twin Array Michelson Fiber White Light Interference Strain Gauge
SU1739228A1 (en) Fibre-optical pressure indicator
CN1760641A (en) Method and device for multiplexing and demodulating sensor based on optical fiber grating in long cycle
JPH03107702A (en) Photosensor having multimode interference
RU2082119C1 (en) Fiber-optical multiplexer which measures temperature
Bock et al. Characterization of highly birefringent optical fibers using interferometric techniques
JPH06241929A (en) Optical fiber sensor
Pelayo et al. Chromatic dispersion characterization in short single-mode fibers by spectral scanning of phase difference in a Michelson interferometer
Vylezich et al. The effect of the exposed length of a distributed fiber-optic polarisation sensor on the temperature measurement
WO1991013329A1 (en) Pressure sensor
Sinha et al. Acoustically scanned low-coherence interrogated simultaneous measurement of absolute strain and temperature using highly birefringent fibers
Bhatia et al. Optical fiber extrinsic Fabry-Perot interferometric strain sensor for multiple strain state measurements
Urbanczyk Selected applications of fiber optic sensors
Zheng Differential birefringent fiber frequency-modulated continuous-wave Sagnac gyroscope
Choban et al. A Distributed Acoustic Sensor Based on Dual-Sagnac Interferometer with Counter Loops
Chatterjee et al. Fiber-Optic Fabry-Perot Phase Shifted Interferometer Using Modal Demultiplexing
Zheng et al. FMCW birefringent fiber strain sensors based on Sagnac rings
Dakin Lead-insensitive optical fibre sensors