ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРА ПОПЕРЕЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
FIBRE-OPTIC DEVICE FOR MEASURING TRANSVERSE DEFORMATION VECTOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля механических деформаций конструкций летательных аппаратов, сооружений в различных областях промышленности, особенно в тех случаях, когда необходимо знать не только модуль величины деформации, но и ее направление в пространстве.
Известны волоконно-оптические устройства (см. патенты РФ №2248540, МПК G01D 5/353, опубл. 2005.03.20; №2282142, МПК G01B 11/16, опубл. 2006.08.20) для контроля деформаций, содержащие формирователь оптических импульсов, чувствительные элементы в виде секций волоконно-оптического кабеля и анализатор временного спектра сигнала обратного рассеяния. Механические напряжения приводят к деформации волокна и изменению показателя преломления, за счет чего меняется задержка оптического сигнала и резонансные частоты сигнала обратного рассеяния. Измерение механических деформаций осуществляется анализатором временного спектра.
Такое устройство не может быть использовано для определения направления деформации объекта, так как разнонаправленные деформации могут вызывать одинаковые изменения сигнала обратного рассеяния. Кроме того, сигнал обратного рассеяния является весьма слабым, что затрудняет измерение малых деформаций.
Известны также устройства (см. патент PCT/US 94/13628, МПК G01D 5/353, опубл. 1999.11.10, № публ. 2141102; патент 08/707,861, МПК G01D 5/38, опубл. 2003.09.27, № публ. 2213328) на основе волоконно-оптических решеток, содержащие источник светового излучения, одну или несколько дифракционных решеток по длине волокна и детектор для измерения хроматического спектра выходного излучения. Спектральные свойства волоконных решеток меняются под действием поперечного механического напряжения. При этом путем обработки сигнала с детектора может быть измерена поперечная деформация, а также градиент поперечной деформации.
Основным недостатком такого устройства является отсутствие возможности сделать волоконно-оптические решетки достаточных размеров для контроля деформаций крупных объектов по всей длине волоконно-оптического тракта.
Наиболее близко по сущности к заявляемому «Устройство для измерения физических параметров» (см. патент РФ №2186351, МПК G01K 11/12, опубл. 2002.07.27.) Оно содержит последовательно расположенные и оптически связанные между собой общий источник оптического излучения, несколько волоконно-оптических трактов с чувствительными элементами и общий приемник оптического излучения с электронным блоком обработки сигналов.
Такое устройство обеспечивает контроль параметров объекта в нескольких точках одновременно. Однако устройство не обеспечивает измерение направления поперечной деформации, поскольку спектральные свойства чувствительных элементов меняются независимо от направления деформации.
В основу изобретения поставлена задача измерения величины и направления поперечной деформации объекта.
Данная задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем последовательно расположенные и оптически связанные между собой общий источник оптического излучения несколько волоконно-оптических трактов с чувствительными элементами и общий приемник оптического излучения с электронным блоком обработки, волоконно-оптические тракты объединены в кабель, содержащий три световода, закрепленный на исследуемом объекте, причем световоды являются маломодовыми, на входных торцах световодов выполнены ступеньки по центру световодов, обеспечивающие оптическую разность хода λ/2, где λ - длина волны, и ориентированные относительно друг друга под углами 120°, перед торцами световодов установлены поляризационные фильтры, обеспечивающие направление плоскости поляризации излучения перпендикулярно ступенькам на торцах световодов, а приемник оптического излучения выполнен из отдельных элементов, каждый из которых оптически связан с отдельным световодом в кабеле.
На фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2 - расположение световодов со ступеньками на торцах в кабеле, на фиг.3 зависимость светового потока на выходе первого световода от глубины микроизгиба, на фиг.4 - зависимость светового потока на выходе второго световода от глубины микроизгиба, на фиг.5 - зависимость светового потока на выходе третьего световода глубины микроизгиба, на фиг.6 - перераспределение световых потоков в световодах в зависимости от направления микроизгиба.
1
2
3
1
2
3
Принцип действия устройства основан на анизотропии полей некоторых поперечных мод световодов. Деформации световода вызывают изменения показателя преломления, влияние которых на такие моды зависит от взаимной ориентации вектора поперечной деформации и поля поперечной моды. Ступеньки, обеспечивающие разность хода λ/2 и ориентированные относительно друг друга под углами 120°, выполненные на торце маломодового световода, при соответствующей поляризации освещающего излучения приводят к преимущественному возбуждению поперечной моды LP-11. Мощность этой моды после прохождения деформированного (например, изогнутого) участка световода меняется по-разному в зависимости от взаимной ориентации ступеньки на входном торце световода и направления изгиба. В качестве маломодового световода может быть взят одномодовый световод для ближнего ИК-диапазона, освещаемый источником в красной области спектра. На фиг.3, 4, 5 приведены примеры изменений светового потока на выходе отдельных световодов 1, 2, 3, объединенных в кабель (см. фиг.2) после прохождения изогнутого участка световодного кабеля в зависимости от глубины изгиба кабеля в плоскости, проходящей через ось кабеля и расположенной под углом ά1=20° относительно ступеньки на торце световода 1. Для световода 2 плоскость изгиба образует угол ά2=40° к плоскости ступеньки этого световода. Для световода 3 плоскость изгиба образует угол ά3=80° к плоскости ступеньки этого световода. Здесь указаны значения острых углов, поскольку для тупых углов 180° - ά результат будет аналогичным представленному выше. Это связано с тем, что указанные острый и тупой углы имеют одинаковое по модулю отклонение от нормали к ступеньке на торце световода и, следовательно, дадут одинаковый результат. Таким образом, чувствительность светового потока в световоде к изгибу максимальна при изгибе в плоскости, перпендикулярной ступеньке на торце, и минимальна, если плоскость изгиба параллельна ступеньке на торце. На фиг 6 показано перераспределение световых потоков в световодах в зависимости от направления микроизгиба. Величина изгиба на всех графиках одинакова, меняется лишь ориентация его плоскости в пределах от 0° до 180°. Угол отсчитывается от плоскости ступеньки на торце световода 1. Световые потоки I, I I в световодах 1, 2, 3 меняются в соответствии с отмеченной выше закономерностью. Из фиг.6 видно, что каждому значению угла соответствует единственное соотношение между собой световых потоков I, I, I. Отсюда следует, что вычислив это соотношение, можно однозначно определить угол между плоскостью изгиба и плоскостью ступеньки на торце световода 1. Далее, используя зависимости на фиг.3-5, можно определить и величину изгиба или связанной с ним деформации объекта. По сути, здесь мы имеем разложение вектора поперечной деформации по системе трех векторов, ориентированных относительно друг друга под 120°. Легко видеть, что при таком разложении вектор поперечной деформации может быть вычислен однозначно.
Работает устройство следующим образом: общий источник оптического излучения 1 освещает торцы световодов 3, объединенных в кабель через поляризационные фильтры 2. За счет ступенек на торцах в световодах 3 формируются преимущественно поля поперечных мод LP-11, ориентированные под равными углами друг относительно друга. Это излучение проходит через световод и в месте изгиба под действием объекта 4 частично покидает световод, причем доля света, покинувшего световод, различна для разных световодов в кабеле. Далее пучки света выходят из каждого световода, регистрируются отдельными фотоприемниками 5 и после обработки зарегистрированных данных электонным блоком 6 получаем величину и направление деформации световода и, соответственно, связанного с ним объекта 4.