Волоконно-оптические датчики. Измерение давления

Разработано несколько волоконно-оптических датчиков на основе интенсивности, предназначенных для измерения давления в промышленных условиях. Такие датчики могут применяться для наблюдения за давлением в котлах (рис. 13.1), химических реакторах, двигателях и в теле человека. Компанией Heise выпускается высокоточный чувствительный элемент для измерения давления, в котором мембрана подсоединена к пропускающей дифракционной решетке, расположенной между передающим и принимающим волокнами. В преобразователях компаний Litton и Metricor обеспечивается двуволновая и многоволновая коррекция потерь в соединителях волоконных световодов и самих волокнах.

Волоконно-оптические датчики для измерения давления интенсивно совершенствуются. В особенности датчики, предназначенные для акустических приложений, разрабатываются рамках программы Военно-морских сил США «Системы с использованием волоконно-оптических датчиков» [16]. Для измерения переменных флуктуаций давления применяются как датчики с внешним чувствительным элементом, так и «чистоволоконные» датчики, как датчики интенсивности, так и датчики интерферометрического типа. Для измерения статического давления может быть измерена величина интенсивности излучения, отражаемого от тонкой мембраны, которая прогибается под воздействием прилагаемого давления. Калибровочная кривая такого датчика давления приведена на рис. 13.8. Такой датчик, разработанный ОРТЕСН, включает в себя волоконно-оптический отражательный чувствительный элемент. Если раздвоенный жгут применяется так, как показано на врезке на рис. 13.8, то половину волокон можно использовать для передачи излучения к волокну, а вторую половину волокон использовать для передачи излучения к фотодетектору. Свет выходящих из входных волокон образует массив пятен, диаметр которых увеличивается при увеличении расстояния от конца жгута пропорционально числовой апертуре волокна. Количество излучения, которое попадает в выходные волокна после отражения от мембраны, зависит от приложенного давления, поскольку в зависимости от давления изменяется расстояние от мембраны до конца жгута.

Разработаны волоконно-оптические датчики для измерения статического давления при высоких температурах [17]. Они могут использоваться для измерения давления в газовых трактах в авиационных двигателях с высокими эксплуатационными характеристиками и для наблюдения за

давлением в технологическом процессе на предприятиях, осуществляющих сжижение угля.

Металлические мембраны, используемые в обычных датчиках давления, при высоких температурах начинают деформироваться, и измерители деформации или емкостные тензодатчики перестают функционировать. Кроме того, гидросмесь, используемая при технологическом процессе сжижения угля, обладает чрезвычайной едкостью. Чтобы избежать проблем, связанных с деформацией и разъеданием, в качестве материала мембраны используется высокопрочный сплав инконель; а для измерения прогиба мембраны под воздействием приложенного давления используется волоконно-оптический датчик [18] на основе микроизгибов (см. рис. 13.9). Было продемонстрировано, что этот датчик способен измерять давление при температуре до 425 °С, при этом он показывает повторяемость, не превышающую 1% точности измерений [17]. Фотография датчика приведена на рис. 13.10. Для достижения такого уровня точности и долговременной повторяемости выходной сигнал датчика на основе микроизгибов должен быть нормализован, что позволяет исключить влияние вибрации и теплового дрейфа.

Рис. 13.9. Выходной сигнал преобразователя в зависимости от приложенного давления для датчика давления, включающего в себя чувствительный элемент на основе микроизгибов, показанный на врезке

Благодаря применяемому методу коррекции статического сигнала датчик на основе микроизгибов становится невосприимчивым к воздействиям неблагоприятной внешней среды, но не к препятствиям на пути излучения между чувствительным элементом и источником или приемником.

Волоконно-оптический датчик на основе микроизгибов представляет собой покрытое защитной металлической оболочкой многомодовое оптическое волокно со ступенчато изменяющимся показателем преломления, сдавливаемое двумя гофрированными поверхностями, как показано на рис. 13.9. Гофрированная поверхность мембраны смещается под воздействием вызванного давлением прогиба мембраны. Прогиб служит причиной изменения амплитуды периодических искривлений волокна между складками поверхности. Оптическая мощность в сердцевине волокна затухает пропорционально амплитуде искривлений из-за превращения распространяющихся мод в излучаемые.