SU1739228A1 - Fibre-optical pressure indicator - Google Patents
Fibre-optical pressure indicator Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 claims abstract description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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)
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)
| 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 |
-
1991
- 1991-01-05 SU SU914794827A patent/SU1739228A1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Авторское свидетельство СССР № 878534,кл. G 01 L11/00, 1970. Волоконна оптика и приборостроение. ,-Л.: Машиностроение, 1987, с. 110-124. * |
Cited By (1)
| 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 |