FI77327C - Foerfarande foer framstaellning av en tryckgivarfiber. - Google Patents

Description

77327

Menetelmä paineanturikuidun valmistamiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä paineanturikuidun valmistamiseksi.

Keksintö liittyy paineelle herkkään optiseen kapillaarikui-tuun, jonka seinämän sisään on valmistettu yksimuotoinen va-loaaltojohde. Kuidun toiminta perustuu ulkoisen ja sisäisen paine-eron aiheuttamaan jännitykseen kapillaarin seinämässä, mikä vaikuttaa kapillaarikuidun seinämän sisään valmistetun valoa johtavan yksimuotoisen ytimen kahtaistaittuvuuteen. Aikaisemmin on tunnettu tämän kaltaisia anturikuituja, joissa on kuidun ytimen vierelle valmistusvaiheessa jätetty kaksi reikää.

Paineanturikuitua voidaan käyttää hankalissa kohteissa, joissa konventionaalisia paineantureita ei voida käyttää, mm. veden alla suoritettavissa paineaaltojen mittauksissa (hydrofoni) ja voimakkaassa sähkö- tai magneettikentässä suoritettavissa painemittauksissa. Tämän lisäksi kapillaari-kuitu voidaan päällystää tai reikä voidaan täyttää materiaalilla, joka jonkin muun fysikaalisen suureen ansiosta ai-. . heuttaa painetta kapillaarin sisä- ja/tai ulkopuolelle. Täl- ‘ ' laisia aineita ovat mm. magnetostriktiiviset materiaalit (herkkiä magneettikentälle) ja kvartsista poikkeavan lämpö-laajenemiskertoimen omaavat materiaalit (herkkiä lämpötilalle ) .

; Kirjallisuudesta tunnetaan kaksi samantyyppistä paineanturi- ratkaisua kuituoptisesti toteutettuna. Toinen näistä on kui-tuoptinen interferometri, jollainen on kuvattu mm. julkai-- - sussa B. Culshaw: "Optical fibre sensing and signal proces sing", Peter Peregrinus Ltd., London, UK, 1984, sivuilta 87 - 112. Tässä ratkaisussa on hyödynnetty tavallisen kuidun optisen pituuden riippuvuutta kuidun ulkoisesta paineesta. Esitetyssä ratkaisussa on käytetty kahta eri kuitua, joista 2 77327 toinen toimii itse anturina ja toinen referenssinä. Kun ko-herentista valolähteestä säteenjakajan avulla kytketään molempiin kuituihin valoa ja yhdistetään molempien kuitujen läpi menneet säteet, muodostuu interferenssikuvio, josta voidaan päätellä optisen matkaeron muutos anturikuidun ja referenssikuidun välillä. Toinen ratkaisu, joka on vielä lähempänä tässä kuvattua paineanturikuitua, on julkaisussa H.

M. Xie, Ph. Dabkiewicz, R.Ulrich and K. Okamoto: "Sidehole fiber for fiber-optic pressure sensing", Optics Letters, voi. 11, No. 5, May 1986, sivuilla 333 - 335 kuvattu eri-koiskuitu. Tässä molemmat polarisaatiomoodit etenevät samaa kuitua myöten. Kuitu on tavallinen yksimuotokuitu, johon valmistuksen aikana on jätetty kaksi reikää yksimuotoisen valokanavan molemmille puolille. Reiät on tyypillisesti valmistettu poraamalla. Ero ulkoisen ja sisäisen paineen välillä aiheuttaa jännityksiä ytimeen ja siten muuttaa ytimen kahtaistaittavuutta. Tämä voidaan mitata esim. kytkemällä ympyräpolarisoitunutta valoa tähän erikoiskuituun, jolloin molempiin polarisaatiomuotoihin kytkeytyy yhtä paljon valoa, i. Asettamalla polarisaattori 45 asteen kulmassa polarisaatio- muotojen suhteen kuidun ulostuloon, ilmenee näiden muotojen vaihe-ero intensiteettimuutoksena polarisaattorin jälkeen.

Interferometrisessä ratkaisuissa epäkohtana on ollut muiden fysikaalisten muutosten kuin paineen vaikuttaminen sekä itse anturikuituun että referenssikuituun. Ongelmana onkin lähinnä ollut se, miten saada nämä muut tekijät vaikuttamaan juuri samalla tavalla molempiin kuituihin. Julkaisussa kuvattu ratkaisu, jossa molemmat polarisaatiomoodit kulkevat samassa kuidussa, on valmistusteknisesti hankala, ja pitkien kuitujen valmistaminen on lähes mahdotonta.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen menetelmä paineanturikuidun valmistamiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että valoa läpäisevän ensimmäisen putken ulkopintaan tehdään putken suuntainen ura, uraan so- 3 77327 vitetaan kiinteästi yksimuotokuidun aihio, jonka läpimitta on olennaisesti uran leveyden suuruinen, ensimmäisen putken ja yksimuotokuidun aihion päälle sovitetaan toinen putki, ensimmäinen ja toinen putki sulatetaan toisiinsa kiinni, putki-yksimuotokuituaihio-sovitelma vedetään paineanturikui-duksi, ja putken päät tarvittaessa suljetaan.

Näin anturin muodostaa esimerkiksi kvartsilasista valmistettu kapillaarikuitu, jonka seinämän sisälle on valmistettu valoa johtava yksimuotoinen ydin. Kapillaarin sisäisen ja ulkoisen paineen ero aiheuttaa kapillaarin seinämään jännityksen, joka on pääasiassa kapillaarin kehän suuntainen. Tämä jännitys vaikuttaa seinämän sisälle valmistettuun ytimeen siten, että ytimessä etenevä valon polarisaatiotila muuttuu kahtaistaittavuuden muutoksen vuoksi.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle paineanturikuidun valmistamiseksi on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Erikoisanturikuidut, kuten H. M. xie et. ai. kirjoittaman julkaisun mukainen kuitu ja keksinnön mukainen kuitu, tuovat ratkaisun interferometrisen kuituanturien epäkohtaan. Näissä ratkaisuissa molemmat polarisaatiomoodit etenevät samaa fyysistä kuitua myöten. Tällöin muut ulkoiset fysikaaliset muuttujat, kuten lämpötila, vaikuttavat lähes samalla tavalla molempiin muotoihin, joten niiden vaikutus on huomatta-vasti pienempi kuin interferometrisissä kuituantureissa. An-' turikonstruktiosta tulee myös yksinkertaisempi kuin käytet täessä interferometristä lähestymistapaa. H. M. Xie et.

ai.:in esittämään ratkaisuun nähden eroaa keksinnön mukainen k kapillaari huomattavasti ja kuidun valmistus on yksinkertai- : sempaa. Myös kuidun (kapillaarin) reikä on huomattavasti suurempi kuin mainitussa viitteessä kuvattu, joten esim. kapillaarin täyttäminen on helpompaa.

4 77327

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisen sovellutusesimerkin avulla.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen paineanturikuidun valmistusmenetelmän eri vaiheita perspektiivikuvantoina.

Kuvio 2 esittää poikkileikattuna päätykuvantona keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettua paineanturikuitua.

Kuvio 3 esittää kaaviollisesti järjestelmää paineen mittaamiseksi keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetulla pai-neanturikuidulla.

Kuvio 4 esittää halkileikattuna perspektiivikuvantona voimien vaikutusta keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettuun paineanturikuituun.

Keksinnön mukainen anturikuitu voidaan valmistaa esimerkiksi kuvion 1 esittämällä tavalla. Kvartsiputken 1 pintaan hio-". taan esimerkiksi timanttisahalla ura 3, jonka koko vastaa tarkoitukseen sopivan yksimuotokuidun aihion 2 halkaisijaa, ··. joka voi olla esim. 0,6 mm. Tällöin sopivan putken 1 ulko- halkaisija on 14 mm ja seinämän paksuus 1 mm. Yksimuotokuidun aihion 2 ytimen 15 halkaisija on tällöin n. 0,3 mm ja taitekerroin-ero on ytimen 15 ja kuoriosan välillä n. 4*10-3. Yksimuotokuidun aihio 2 voidaan tämän jälkeen sulattaa kiinni putkessa 1 olevaan uraan 3 pienen käsipolttimen avulla. Tämän jälkeen asetetaan suurempi kvartsiputki 4 pie-nemmän putken 1 päälle, ja suurempi putki 4 edelleen luhis-tetaan kuumentamalla pienemmän putken 1 päälle kiinni. Luhistaminen voidaan suorittaa esimerkiksi pyörittämällä put-kiyhdistelmää sorvissa ja lämmittämällä kaasuliekillä suu-"· rempaa putkea 4. Tällä tavoin saatu putki, jonka seinämän sisällä on yksimuotokuidun aihio 2, voidaan vetää kapillaariksi, jonka seinämässä 5 on yksimuotoinen valoaaltojohde 6.

Pienempi 1 ja suurempi 4 kvartsiputki voidaan yhdistää toisiinsa myös vetämällä nämä yhdessä lämpökäsittelyn yhteydes 5 77327 sä, jolloin lämpökäsittely sulattaa päällimmäisen putken 4 pienemmän, sisemmän putken 1 ulkopintaan kiinni.

Saadun kapillaarin periaatekuva on esitetty kuviossa 2. Kuviossa näkyy kapillaarin.reikä 7, seinämä 5 ja yksimuotoinen valoaaltojohde 6.

Tarvittaessa valoaaltojohteita 6 voidaan sijoittaa anturi-kuituun useampiakin.

Putkien 1 ja 4 materiaalina voidaan käyttää kvartsinlasin sijasta muitakin lasilaatuja.

Kuviossa 3 on esitetty, miten kyseessä olevaa anturikuitua voidaan hyödyntää. Valo kytketään koherentista valolähteestä, kuten HeNe-laserista 8, 1/4-aaltolevyn 9 kautta linssin 10 avulla ko. anturikuidun 11 yksimuotoiseen valokanavaan. l/4-aaltolevyn 9 tehtävänä on varmistaa, että molempiin po-:'· larisaatiomuotoihin kytkeytyy suunnilleen yhtä paljon valo tehoa. Anturikuidun li ulostulossa on linssi 12, joka yhdensuuntaistaa kuidusta 11 tulevan valon, ja polarisaattori 13 siten, että se päästää läpi lineaarisesti polarisoituneen valon, joka on 45° kulmassa anturikuidun 11 polarisaatiomuo-. . töihin nähden. Tällöin näiden muotojen välinen vaihe-ero nä kyy intensiteettimuutoksina polarisaattorin 13 läpäisevässä valossa. Täten anturikuidussa 11 kahdelle eri polarisaatio-muodolle syntyvä vaihe-ero (= kahtaistaittavuus) muuttuu in-tensiteettieroksi, joka voidaan mitata valoanturilla 14.

Anturikuidun 11 kahtaistaittavuus taasen riippuu paine-eros-:\ ta kapillaariputken sisä- ja ulkopuolella. Tämä voidaan se- littää esimerkiksi seuraavalla tavalla: Kuviossa 4 on esi- • - tetty putken puolisko, jonka ulkoseinämään kohdistuu ei-esi- tetty hydrostaattinen paine p. Tämä aiheuttaa putken kutis-tumisen putken säilytäessä muotonsa. Jos putken seinämän 5 paksuus t on pieni verrattuna putken halkaisijaan 2r, voidaan todeta seuraavaa: putken ympyräpoikkileikkauksen takia 6 77327 tämän seinämään 5 ei synny taivutusmomenttia ja vetojännitys jakaantuu tasaisesti seinämän paksuuden yli, ts.

-2rlp =σ 211t => σ = -pr/t (1) tässä r = putken säde 1 = putken pituus p = hydrostaattinen paine σ = kehän suuntainen jännitys

Kapillaartiputken seinämässä vaikuttava epähomogeeninen jännitys taas aiheuttaa kahtaistaittavuuden muutoksen, joka voidaan mitata hyödyntämällä putken seinämään valmistettua .. yksimuotoista valokanavaa.

Il

Claims (6)

7 77327

1. Menetelmä paineanturikuidun (11) valmistamiseksi, tunnettu siitä, että - valoa läpäisevän ensimmäisen putken (1) ulkopintaan tehdään putken suuntainen, olennaisen tasalevyinen ura (3), - uraan (3) sovitetaan kiinteästi yksimuotokuidun aihio (2), jonka läpimitta on olennaisesti uran (3) leveyden suuruinen, - ensimmäisen putken (1) ja yksimuotokuidun aihion (6) päälle sovitetaan toinen, materiaaliltaan ainakin likimain ensimmäisen putken kaltainen toinen putki (4), - ensimmäinen (1) ja toinen (4) putki sulatetaan toisiinsa kiinni, - putki-yksimuotokuituaihio-sovitelma (1, 6, 4) vedetään esimerkiksi lämpökäsittelyn avulla paine-anturikuiduksi (11), ja - putken (5) päät tarvittaessa suljetaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ura (3) tehdään timanttisahalla.

3. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen putki (4) sovitetaan ensimmäisen putken (1) päälle pyörittämällä ensimmäisen putken (1), yksimuotokuidun aihion (6) ja toisen putken (4) muodostamaa yhdistelmää sorvissa ja lämmittämällä toista putkea (4) tämän luhistamiseksi ensimmäisen putken (1) päälle. β 77327

4. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen putken (1) ja yksimuoto-kuidun aihion (4) yhdistelmä vedetään lämpökäsittelyn yhteydessä yhdessä toisen putken (4) kanssa, jolloin lämpökäsittely sulattaa toisen putken (4) yhteen ensimmäisen putken (1) kanssa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että putkien (1 ja 4) materiaalina käytetään lasia.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että putkien (1 ja 4) materiaalina käytetään kvartsilasia. 77327 9