RU2231762C2 - Оптоэлектронный датчик давления - Google Patents
Оптоэлектронный датчик давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2231762C2 RU2231762C2 RU2002100561/28A RU2002100561A RU2231762C2 RU 2231762 C2 RU2231762 C2 RU 2231762C2 RU 2002100561/28 A RU2002100561/28 A RU 2002100561/28A RU 2002100561 A RU2002100561 A RU 2002100561A RU 2231762 C2 RU2231762 C2 RU 2231762C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- radiation
- photodetector
- trapezoidal prism
- membrane
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технической физике, а именно к исследованию характеристик газов и жидкостей, конкретно к измерению давления. В оптоэлектронном датчике давления, содержащем подвижную мембрану, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, синхронный детектор, первый и второй фотоприемники, по ходу луча установлены телескопическая оптическая система, делитель пучка, трапецеидальная призма, грань которой отделена от подвижной мембраны зазором, толщина которого d2 выбрана из условия: , где λ0 - длина волны излучения (м); n1- показатель преломления трапецеидальной призмы; αр - угол падения излучения на грань призмы (рад), при этом делитель пучка направляет световой поток от источника излучения на первый фотоприемник и трапецеидальную призму, а от призмы - на второй фотоприемник, а выходы фотоприемников подключены к синхронному детектору. Телескопическая система формирует оптический пучок с малой угловой расходимостью, форма трапецеидальной призмы обеспечивает определенный угол падения излучения на зазор и возвращение его на делитель пучка, а подвижная мембрана совместно с призмой образуют высокодобротную резонансную многослойную оптическую структуру. Технический результат - повышение чувствительности оптоэлектронного датчика давления и обеспечение дистанционности измерений. 1 ил.
Description
Изобретение относится к технической физике, а именно к исследованию характеристик газов и жидкостей, конкретно к измерению давления.
Известен оптический преобразователь давления (а.с. СССР №960561, МПК5 G 01 L 11/00, Б.И. №35, 1982), содержащий прозрачное основание в виде полусферы, мембрану с упругим светопоглощающим элементом, выполненным в форме эллиптического параболоида, установленную через прокладку на плоскости полусферы симметрично относительно ее вертикальной оси, источник излучения и фотоприемник.
Недостатком известного устройства является низкая чувствительность, обусловленная необходимостью сжатия упругого светопоглощающего элемента, что приводит к малым амплитудам колебаний мембраны и, соответственно, незначительным изменениям светового потока, попадающего на фотоприемник.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является известный оптоэлектронный датчик давления (патент РФ №2006016 от 15.01.94, G 01 L 11/00), содержащий подвижную мембрану, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, и два фотоприемника, связанные между собой с помощью оптического канала, включающего в себя конденсор, растр, объектив и два зеркала, при этом фотоприемники включены навстречу друг другу и подключены к синхронному детектору.
Работа оптического канала основана на расфокусировке светового потока при прогибах зеркальной мембраны и изменении части светового потока, поступающего на фотоприемник.
При работе оптоэлектронного датчика световой поток от источника излучения через верхнюю половину растра, верхнюю половину конденсора, объектив падает на зеркальную мембрану. Отразившись от зеркальной мембраны, этот поток проходит через нижнюю половину растра и конденсора и зеркалом собирается на первом фотоприемнике. Растр установлен в фокальной плоскости объектива, при прогибах зеркальной мембраны возникает расфокусировка и изменение светового потока, поступающего от источника на первый фотоприемник. Изменение светового потока и, соответственно, развиваемого фотоприемником сигнала пропорционально изменению действующего на зеркальную мембрану давления.
Для повышения стабильности схема снабжена вторым приемником светового потока, а источник питается от генератора переменного тока. От этого же генератора опорное напряжение поступает на синхронный детектор. На второй фотоприемник световой поток направляется вторым зеркалом, минуя оптическую систему. Развиваемый фотоприемником сигнал служит для стабилизации работы всей системы. Электрические сигналы от обоих приемников поступают через синхронный детектор на измерительный прибор.
Недостатком устройства является то, что его работа основана на расфокусировке излучения и перераспределении части излучения, поступающего на фотоприемник и поглощающегося на растре. Эффект модуляции интенсивности пучка на фотоприемнике полностью определяется относительным смещением Δ x/f (где Δ х - смещение зеркальной мембраны, f - фокусное расстояние линзы) отражающей мембраны из фокальной плоскости линзы. Следствием этого является необходимость использования линз с малым фокусным расстоянием (и, соответственно, малым диаметром), что существенно снижает часть оптической мощности, используемой для получения измерительной информации, уменьшает отношение сигнал-шум на входе фотоприемника и чувствительность датчика давления. Кроме того, становится практически невозможным проведение дистанционных (при значительном удалении от источника излучения и фотоприемника) измерений.
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности оптоэлектронного датчика давления и обеспечение дистанционности измерений.
Поставленная задача достигается тем, что в оптоэлектронном датчике давления, содержащем подвижную мембрану, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, синхронный детектор, первый и второй фотоприемники, по ходу луча установлены телескопическая оптическая система, делитель пучка, трапецеидальная призма, грань которой отделена от подвижной мембраны зазором, толщина которого d2 выбрана из условия:
где λ 0 - длина волны излучения (м);
n1 - показатель преломления трапецеидальной призмы;
α p - угол падения излучения на диагональную грань призмы (рад),
при этом делитель пучка направляет световой поток от источника излучения на первый фотоприемник и трапецеидальную призму, а от призмы - на второй фотоприемник, а выходы фотоприемников подключены к синхронному детектору.
Телескопическая система формирует оптический пучок с малой угловой расходимостью, форма трапецеидальной призмы обеспечивает определенный угол падения излучения на зазор и возвращение его на делитель пучка, а подвижная мембрана совместно с призмой образуют высокодобротную резонансную многослойную оптическую структуру.
Такое сочетание элементов обеспечивает получение высокой чувствительности и обеспечивает дистанционность измерений. Амплитуда разностного сигнала фотоприемников пропорциональна давлению или его изменению.
На чертеже дана схема предлагаемого оптоэлектронного датчика давлений: 1 - источник излучения, 2 - телескопическая система, 3 - делитель пучка, 4 - приемник излучения, 5 - трапецеидальная призма, 6 - подвижная мембрана, 7 - приемник излучения, 8 - синхронный детектор, 9 - схема обработки, 10 - генератор переменного тока.
Схема оптоэлектронного датчика состоит из источника излучения 1, расположенного перед телескопической оптической системой 2. За ними расположен делитель пучка 3, направляющий световой поток от источника излучения на фотоприемник 4 и трапецеидальную призму 5, грань которой отделена от подвижной мембраной 6 зазором, а от призмы - на фотоприемник 7. Выходы фотоприемников подключены к синхронному детектору 8, выход которого объединен с входом схемы обработки 9. Генератор переменного тока 10 подключен к источнику излучения и обеспечивает модуляцию оптического излучения.
Устройство работает следующим образом. Световой поток от источника излучения 1 через телескопическую систему 2, делитель пучка 3 направляется на трапецеидальную призму 5, на грани которой с зазором установлена мембрана 6. Мембрана и трапецеидальная призма образуют резонансный угловой фильтр с единственным резонансом, характеризующийся сильной зависимостью коэффициента отражения от угла падения излучения на фильтр. Резонансный угол падения определяется выражением
где n1 - показатель преломления трапецеидальной призмы;
n2- показатель преломления среды, заполняющей зазор между мембраной и гранью призмы (при воздушном заполнении n2=1);
d2 - величина зазора между мембраной и диагональной гранью трапецеидальной призмы (м).
Форма трапецеидальной призмы выбрана таким образом, чтобы обеспечивать двойное взаимодействие оптического излучения с подвижной мембраной и возврат его на делитель пучка.
При воздействии давления на мембрану она прогибается, как следствие изменяются зазор d2 и коэффициент отражения от системы, определяемый выражением
где y=KxL0Δαp - обобщенная угловая расстройка; (4)
Кx - продольное волновое число в зазоре (1/м);
L0- постоянная длины резонансной системы (м);
Δ α р- изменение резонансного угла падения (рад).
Величина изменения резонансного угла падения Δ α р зависит от величины изменения зазора Δ d2 при прогибе мембраны и определяется выражением
В результате появления угловой расстройки возникает амплитудная модуляция пучка.
Благодаря тому что оптический пучок дважды проходит через резонансный угловой фильтр, образованный мембраной и гранью призмы, глубина амплитудной модуляции увеличивается.
Пройдя через призму, пучок возвращается на делитель пучка 3 и направляется им на фотоприемник 7. Изменение светового потока и, соответственно, развиваемого фотоприемником сигнала пропорционально изменению действующего на мембрану давления.
Для повышения стабильности и помехозащищенности схема снабжена вторым фотоприемником светового потока 4, а источник излучения модулируется переменным током от генератора 10. На фотоприемник 4 пучок направляется делителем пучка 3.
Развиваемый фотоприемником 4 электрический сигнал является опорным и служит для стабилизации работы всего устройства.
Электрические сигналы с обоих фотоприемников поступают на синхронный детектор 8, где сигнал от фотоприемника 7 детектируется и поступает на схему обработки 9.
Схема обеспечивает существенное повышение чувствительности оптоэлектронного датчика давления, позволяет производить дистанционные измерения давления и может быть использована как датчик давления и как датчик акустических колебаний.
Пример. Для оптоэлектронного датчика давления с длинной волны оптического излучения λ о=0,63мкм, показателем преломления трапецеидальной призмы n1=1.51, зазором между мембраной и гранью призмы d2=10 мкм и воздушным заполнением зазора (n2=1) резонансный угол падения, определяемый выражением (2), составляет α p=41,446° .
При смещении мембраны на величину Δ d2=0.1 мкм резонансный угол α p изменяется на величину, определяемую выражением (5), и составляет Δ α р=8.7709· 10-6 рад.
Для нашего случая Kx=105 1/cм, L0=1 cм, и обобщенная расстройка, вычисленная по (4), равна у=0.87709.
Коэффициент отражения от системы, определяемый выражением (3), равен R(0.87709)=0.18945.
Для системы при отсутствии давления на мембрану y=0, R(0)=0. Отсюда видно, что незначительному смещению мембраны соответствует большое изменение коэффициента отражения от системы и, как следствие, выходного сигнала.
Кроме того, данное устройство имеет дополнительное достоинство - скрытность получения информации. Это обеспечивается тем, что оптическое излучение, несущее полезную информацию направляется только в ту точку, откуда поступает зондирующий луч. Удаление трапецеидальной призмы совместно с подвижной мембраной, отделенной зазором, от остальных элементов устройства может доходить до десятков и сотен метров.
Claims (1)
- Оптоэлектронный датчик давления, содержащий подвижную мембрану, источник излучения, модулируемый генератором переменного тока, синхронный детектор, первый и второй фотоприемники, отличающийся тем, что по ходу луча установлены телескопическая оптическая система, делитель пучка, трапецеидальная призма, грань которой отделена от подвижной мембраны зазором, толщина которого d2 выбрана из условияλ0 - длина волны излучения, м;n1 - показатель преломления трапецеидальной призмы;αр - угол падения излучения на грань призмы, рад,при этом делитель пучка направляет световой поток от источника излучения на первый фотоприемник и трапецеидальную призму, а от призмы - на второй фотоприемник, а выходы фотоприемников подключены к синхронному детектору.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002100561/28A RU2231762C2 (ru) | 2002-01-03 | 2002-01-03 | Оптоэлектронный датчик давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002100561/28A RU2231762C2 (ru) | 2002-01-03 | 2002-01-03 | Оптоэлектронный датчик давления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002100561A RU2002100561A (ru) | 2003-09-27 |
RU2231762C2 true RU2231762C2 (ru) | 2004-06-27 |
Family
ID=32845444
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002100561/28A RU2231762C2 (ru) | 2002-01-03 | 2002-01-03 | Оптоэлектронный датчик давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2231762C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456563C2 (ru) * | 2010-06-02 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) | Волоконно-оптический преобразователь давления с динамически настраиваемым диапазоном |
-
2002
- 2002-01-03 RU RU2002100561/28A patent/RU2231762C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Справочник конструктора оптико-механических приборов. /Под общ. ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980, с.170. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456563C2 (ru) * | 2010-06-02 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) | Волоконно-оптический преобразователь давления с динамически настраиваемым диапазоном |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5080491A (en) | Laser optical ultarasound detection using two interferometer systems | |
US7242481B2 (en) | Laser vibrometry with coherent detection | |
US3335285A (en) | Photoelectric system for detecting objects in a zone including vibrating light source | |
US10310085B2 (en) | Photonic integrated distance measuring pixel and method of distance measurement | |
US3860342A (en) | Dual-wavelength scanning doppler velocimeter | |
CN101907513B (zh) | 声光可调谐滤光器衍射性能弱光测试***和方法 | |
FR2516233A1 (fr) | Gyroscope a laser en anneau utilisant un detecteur de phase pour minimiser le verrouillage entre faisceaux | |
RU2171482C1 (ru) | Гравитационно-волновой детектор | |
JPS5839931A (ja) | 赤外線を使用してプラスチツクフイルムの特性を測定する方法 | |
JPS6162885A (ja) | 距離速度計 | |
US7608827B2 (en) | Near-field terahertz imaging | |
RU2231762C2 (ru) | Оптоэлектронный датчик давления | |
JP2014098668A (ja) | 測定装置 | |
RU143347U1 (ru) | Оптоэлектронный датчик давления на основе периодической интерференционной структуры | |
KR101515980B1 (ko) | 바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치 | |
US20230097296A1 (en) | Fmcw heterodyne-detection lidar imager system with improved distance resolution | |
JP2009063311A (ja) | ガス検知装置 | |
RU2367984C1 (ru) | Гравитационно-волновой детектор | |
CN113687379B (zh) | 降低接收光路背景杂散光干扰的***及其降扰方法 | |
CN109489939B (zh) | 一种高反光学元件的s、p偏振反射率及相位差高精度同时测量方法 | |
JP2024056589A (ja) | 光学式距離計 | |
RU2177605C1 (ru) | Способ спектрометрии и устройство для его осуществления (варианты) | |
RU2006016C1 (ru) | Оптоэлектронный датчик давления | |
JP3096795B2 (ja) | 追尾測距システム | |
SU1091076A1 (ru) | Оптический доплеровский измеритель напр жений Рейнольдса в потоке жидкости или газа |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040104 |