Концевой оптоволоконный извещатель

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к оптоволоконной технике, а именно к концевым оптоволоконным извещателям (далее - КОИ), принцип работы которых основан на использовании свойств оптического волокна изменять пропускную способность к прохождению зондирующего лазерного излучения в зависимости от геометрической формы оптического волокна, изменяемого рабочим органом КОИ. Сбор информации о положениях рабочих органов КОИ производится при помощи устройства обработки информации, рефлектометра и разветвленной на сплиттерах оптоволоконной кабельной сети. Дальность размещения КОИ может достигать 50 000 м и более, при обеспечении требуемой величины энергии зондирующего импульса, отводимого к КОИ.
КОИ может быть использован в системах охранной сигнализации, кнопок тревожно-вызывной сигнализации, состояния датчиков положения ворот и калиток периметров малых и протяженных территорий, положения крышек люков колодезного пространства, а также состояния дверей сооружений и помещений, датчиков положения решеток водопропусков, сигнализации состояния стен на наличие трещин, разрушений и проломов, датчиков уровней жидкостей, датчиков предельного давления и др. без использования электрической энергии на расстоянии от 100 до 50 000 метров, в том числе применение КОИ во взрывоопасных средах, в условиях 100% влажности, повышенной загазованности и пыли, при работе в воде, включая фекальные стоки, в условиях повышенной радиации, в условиях исключающих возможность применения электрических приборов, в условиях электромагнитных помех высокой мощности.
Уровень техники
Из уровня техники известны конструкции устройств, использующие оптоволокно для регистрации состояния различных систем (см., например, RU 2467397, 20.11.2012).
Недостатками данной конструкции является отсутствие возможности сбора распределенной на значительные расстояния информации о состоянии подвижных частей конструкций, на которых установлены оптоволоконные датчики, основанные на принципе изменения уровня сигнала отражения (возвращения) в зависимости от положения рабочего органа датчика.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в том, что обеспечивается возможность гарантированного получения четких сведений о сигнале отражения, зависящего от положения рабочего органа КОИ.
Эта задача решается путем создания концевого оптоволоконного извещателя (КОИ), содержащего корпус с рабочим органом, обеспечивающим изменение положения оптических волокон чувствительной части КОИ, чувствительную часть, которая установлена в корпусе КОИ и соединена с транспортной частью, обеспечивающей подключение КОИ к разветвленной оптической сети и транспортировку лазерных импульсов в прямом и обратном направлении, чувствительная часть КОИ выполнена из оптических волокон и сплиттера, выходы которого замкнуты между собой оптическим волокном и образуют замкнутую петлю для формирования сигнала отражения, изменение геометрического положения волокон в чувствительной части КОИ в упругом диапазоне деформаций вследствие изменения положения рабочего органа таковы, что приводят к изменению возможности формирования и прохождения сигналов отражения.
В одном из вариантов заявленного решения чувствительная часть КОИ представляет собой замкнутую петлю в виде колец с радиусом изгиба в упругом диапазоне деформаций, допускающем свободное прохождение сигнала отражения зондирующего импульса в одном из положений рабочего органа и радиусом изгиба колец в упругом диапазоне деформаций во втором положении рабочего органа до формы, при которой сигнал зондирующего импульса частями поглощается в оболочке оптического волокна чувствительной части КОИ в местах с наименьшими радиусами до необходимого минимального значения сигнала отражения.
В другом из вариантов заявленного решения чувствительная часть КОИ представляет собой замкнутую петлю в виде оптических волокон свернутых в кольца и установленных в корпусе КОИ таким образом, что в одном из положений рабочего органа одни кольца находятся в состоянии, допускающем свободное прохождение сигнала зондирующего импульса, а другие кольца в состоянии, при котором сигнал зондирующего импульса частями поглощается в оболочке оптического волокна чувствительной части КОИ в местах с наименьшими радиусами до необходимого минимального значения сигнала отражения, а во втором положений рабочего органа положения колец изменяются на противоположное, обеспечивая инверсное состояние сигналов отражения.
В другом из вариантов заявленного решения чувствительная часть КОИ представляет собой замкнутую петлю в виде оптических волокон, свернутых в кольца и установленных в корпусе КОИ таким образом, что две группы колец закреплены с одной стороны на неподвижной части корпуса, а вторые стороны колец соединены друг с другом и с свободно висящим подвижным рабочим органом, при этом плоскости групп колец располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях, обеспечивающих возможность автоматического удержания колец в упругой деформации во встречном усилии без отведения в стороны положения подвижного груза, сжатых до степени среднего уровня поглощения энергии зондирующего импульса в каждых группах колец, обеспечивая динамическое изменение сигналов отражения в зависимости от величины ускорения передаваемого на корпус КОИ.
В другом из вариантов заявленного решения изменение пространственной формы оптического волокна чувствительной части КОИ производится через захваты, расположенные на разных сторонах колец чувствительного элемента, одни из захватов соединены с подвижной частью рабочего органа КОИ, другие - с основанием корпуса КОИ.
В другом из вариантов заявленного решения захваты выполнены в виде отрезков термоусадочных труб разных диаметров, вставленных друг в друга, одни предназначены для удержания оптических волокон, свернутых в кольца, - оптической бухты, другие - для захвата первых и формирования монтажного отверстия, предназначенного для прикрепления оптической бухты к подвижной и неподвижной частям КОИ.
Таким образом, заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет обеспечить возможность гарантированного получения четких сведений о сигнале отражения, зависящего от положения рабочего органа КОИ.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено положение чувствительной части датчика - радиус изгиба волокна более минимального критического значения, зондирующий импульс и отраженный сигнал свободно движутся в сердцевине волокна в обоих направлениях.
На фиг. 2 представлено положение чувствительной части датчика - радиус изгиба волокна менее критического значения, при котором зондирующий импульс, достигая места изгиба волокна, проникает в оболочку волокна и поглощается в ней, в результате чего не образуется сигнал отражения.
На фиг. 3 показана чувствительная часть датчика, выполненная в виде бухты оптического волокна с захватами, прикрепленными к корпусу датчика и к подвижной части рабочего органа.
На фиг. 4 показана чувствительная часть датчика, выполненная в виде двух бухт оптического волокна с захватами, прикрепленными к корпусу датчика и к подвижной части рабочего органа.
На фиг. 5 приведен пример работы датчика, в котором чувствительный элемент датчика выполнен в виде двух бухт оптического волокна с двумя общими захватами по краям.
На фиг. 6 показан общий вид датчика КОИ.
Осуществление полезной модели
Сигналы отражения формируются на входе премного устройства в результате прохождения зондирующего импульса в обратном направлении через разветвленную оптическую сеть, на ответвлениях которой размещены КОИ.
Необходимая величина ответвляемой мощности к КОИ, как правило, должна быть значительно меньше исходного значения мощности на выходе рефлектометра и зависит от характеристик излучателя, чувствительности приемного устройства рефлектометра и дальности размещения КОИ от измерительного устройства, что позволяет на одном транспортном кабеле размещать множество ответвлений к КОИ.
Величина ответвляемой мощности на каждый КОИ по принципу работы устройства может отличаться между собой в несколько раз, не ухудшая работы устройства, что позволяет использовать ответвители с широким диапазоном ветвления. Мощность возвращенного сигнала на входе приемного устройства, как правило, не должна превышать пределов насыщения для применяемого приемного устройства и не должна быть ниже допустимого уровня, сопоставимого с уровнем шумов. Превышение величины мощности отраженного сигнала пределов насыщения приемного устройства не нарушает работу устройства.
Основным результатом сбора информации от КОИ является соотношение величины мощности возвращенного сигнала в одном из положений датчика к величине мощности возвращенного сигнала в другом положении. Соотношение величины мощности возвращенного сигнала в разных состояниях КОИ может достигает десятки и более раз и рассматривается системой измерений как дискретный сигнал - "есть сигнал" или "нет сигнала".
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что КОИ содержит корпус (1) с рычажным механизмом (4), обеспечивающим перемещение оптических волокон чувствительной части КОИ, отрезок оптоволоконного транспортного кабеля для подключения к разветвленной оптической сети и транспортировки лазерных импульсов в прямом и обратном направлении и чувствительную часть, изменения положения которой приводят к изменению своей пропускной и отражательной способности.
КОИ представляют собой оптико-механические конструкции, в которых вследствие изменения положения рабочего органа датчика происходит изменение величины мощности возвращаемых сигналов. Изменение положения рабочего органа производится при воздействии на элементы рабочего органа.
Способность датчика изменять величину импульса возвращения производится путем изменения величины радиуса изгиба и ориентации оптического волокна чувствительной части датчика меньше значения, при котором целостность и упругие свойства оптического волокна сохраняются, а оптический луч зондирующего импульса в местах изгиба проникает в оболочку волокна и в ней поглощается (см. фиг. 1, 2).
Построение многоточечной оптической схемы возвращения сигналов от датчиков позволяет обеспечить максимально эффективную с малыми потерями энергии сигналов возвращения к приемному устройству, обеспечивая максимальное количество датчиков на одной линии устройства.
При построении системы должны учитываться длительность зондирующего импульса, линейные размеры чувствительных элементов и транспортного кабеля с целью предотвращения конкуренции (наложения) возвращаемых сигналов во времени. Регулирование конкуренции сигналов возвращения производится корректирующими катушками, состоящими из однотипного оптического волокна требуемой длины.
Работа КОИ с использованием рефлектометрического метода измерения.
В основе работы устройства лежит принцип:
- получение сигнала отражения от конца линии, отводимой к датчику(ам), достаточной мощности для уверенной идентификации его места и величины отражения;
- возможность изменения величины мощности сигнала отражения, изменением геометрических размеров оптического волокна:
- соотношение мощности сигнала отражения в состоянии максимальной пропускной способности датчика и линии к величине мощности сигнала отражения в состоянии минимальной пропускной способности датчика и линии, должно обеспечивать однозначное определение состояния датчика при любых обозначенных значениях помеховых факторов, воздействующих на линию и датчик (температура, давление, влажность, загазованность, погружение в воду и др.).
В целях обеспечения работы датчика (датчик КОИ) в диапазоне больших радиусов изгиба на фиг. 3 приведен пример работы датчика, в котором чувствительный элемент датчика выполнен в виде бухты (2) оптического волокна с двумя захватами (3), расположенных по краям бухты. Один из захватов закреплен на неподвижной части корпуса датчика, а второй - на подвижной части, перемещаемой рабочим органом датчика.
В данной конструкции поглощение энергии зондирующего импульса при сжатии бухты происходит дважды в каждом витке эллипсовидной формы деформации оптического волокна ЧЭ датчика, что позволяет значительно увеличить минимальное значение радиуса изгиба эллипса, при котором достаточно полно поглощается энергия зондирующего импульса. Захваты выполнены в виде двух термоусадочных труб разных диаметров, вставленных друг в друга, которые предназначены: одна для удержания бухты, вторая для захвата первой и формирования монтажного отверстия, предназначенного для прикрепления бухты к подвижной и неподвижной частям датчика.
На фиг. 4 приведен пример работы датчика, в котором чувствительный элемент датчика выполнен в виде двух бухт (2) оптического волокна с тремя захватами (3) - два по краям на каждой и одного общего в середине. Общий захват закреплен на неподвижной части корпуса датчика, а два других - на подвижной части, перемещаемой рабочим органом датчика. Расстояние между крайними захватами должно обеспечивать полное освобождение одного кольца до размеров круга и сжатие второго кольца до эллипса требуемой формы и наоборот в другом положении датчика. Работа датчика аналогична работе датчика предыдущего исполнения, за исключением того, что сигналы отражения от разных колец датчика находятся в инверсном отношении друг к другу, что обеспечивает непрерывную диагностику исправности датчика по двум сигналам отражения. Дополнительно состояние датчика может считываться двумя независимыми рефлектометрами с учетом инверсии сигналов. Согласно фиг. 4. чувствительная часть датчика выполнена в виде двух бухт оптического волокна с захватами, прикрепленными к корпусу датчика и к подвижной части рабочего органа для получения динамической информации о колебаниях инерционного рабочего органа.
На фиг. 5 приведен пример работы датчика, в котором чувствительный элемент датчика выполнен в виде двух бухт оптического волокна с двумя общими захватами по краям. Один захват закреплен на неподвижной части корпуса датчика, а другой - на подвижной части, перемещаемой рабочим органом датчика. Расстояние между крайними положениями захватов должно обеспечивать полное освобождение колец до размеров круга и сжатие обоих колец до размеров эллипса требуемой формы. Работа датчика аналогична работе датчика с одним кольцом, но с двумя независимыми кольцами, что обеспечивает непрерывную диагностику исправности датчика по двум сигналам отражения. Дополнительно состояние датчика может считываться двумя независимыми рефлектометрами. Согласно фиг. 5 чувствительная часть датчика выполнена в виде двух бухт оптического волокна с захватами, прикрепленными к корпусу датчика и к подвижной части рабочего органа с независимыми выводами оптического волокна для параллельной работы с одним датчиком.
Построение нескольких КОИ в последовательную цепочку позволяет использовать малую часть мощности зондирующего импульса и максимально эффективно доставлять энергию сигналов возвращения к приемному устройству, обеспечивая возможность подключения максимального количества датчиков на одной линии устройства.
Описание работы чувствительной части КОИ.
В качестве чувствительной части КОИ с изменяемым радиусом изгиба волокна служат оптические жилы кабеля, пигтейлов или патчкордов. Волокна кабеля и возвратные движения рабочего органа обеспечивают требуемую долговременную упругость, необходимую при восстановлении исходной формы жилы чувствительной части оптического датчика.
Принцип действия датчика поясняется на фиг. 1 и 2.
Описание принципа действия КОИ.
Зондирующий импульс от рефлектометра проходит через транспортную часть оптоволоконной схемы к чувствительной части КОИ. В одном из положений рабочего органа КОИ, при значениях радиусов изгибов волокна чувствительной части более критических значений, при которых энергия лазерного импульса начинает частично проникать в оболочку волокна, лазерный импульс распространяется в волокне практически без дополнительных потерь (без учета естественного затухания в среде волокна).
При любом способе формирования сигнала отражения или возвращения, описанных на чертежах в этом положении рабочего органа КОИ, сигнал отражения поступит на вход приемного устройства, сигнализируя о наличии сигнала отражения с определенного датчика с определенной задержкой по времени. При изменении положения рабочего органа КОИ и достижении радиуса изгиба волокна в упругом диапазоне менее критического значения, при котором зондирующий импульс, достигая места изгиба волокна, начинает проникать в оболочку волокна и поглощаться в ней, в результате чего сигнал не проходит по замкнутой петле и отражения не образуется.