ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЫ
FIBER OPTICAL FORCE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам (ВОД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля (измерения), силы, давления и деформации.
Известен датчик силы, содержащий корпус, в виде параллелограмма, образованного верхней и нижней гранями и двумя сквозными поперечными отверстиями с упругой перемычкой - чувствительным элементом между ними, тензорезисторы размещены в зонах максимальных деформаций на прилегающих поверхностях отверстий выше и ниже нейтральной оси корпуса датчика [Патент №2437070, РФ, МПК G01L 1/22, «Тензорезисторный датчик силы», Панькин А.М., Ткаченко М.В., Шелковников С.А., Заявитель-патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Тензоприбор", №2010102390/28; заявл. 25.01.2010; опубл. 20.12.2011; Бюл. №21, 8 с.].
Известно также изобретение волоконно-оптического датчика давления (прототип), выполненного на основе оптического волокна, содержащий участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения, при этом участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав, а пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании, причем оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины [Патент №2420719, РФ, МПК G01L 11/02, «Волоконно-оптический датчик давления», Гапанович В.А., Григорьев К.В., Комиссаров А.Ф. и др., Заявитель-патентообладатель Открытое акционерное общество "Российские железные дороги", №2010106417/28, заявлено 25.02.2010, опубликовано: 10.06.2011, бюл. №16, 7 с.].
Недостатками аналога и прототипа является устаревшая тензорезистивная технология, чувствительная к помехам разного рода (относится к аналогу), применение составных частей, отсутствующих в массовом производстве, работа только на сжатие, отсутствие возможности применения датчика в составе силоизмерительной машины.
Технический результат заключается в возможности применения датчика для измерения разрывных и сжимающих нагрузок без усложнения конструкции при сохранении надежности датчика, возможность использования в составе силоизмерительной машины любой конфигурации.
Указанный результат достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике силы, выполненном на основе многомодового оптического волокна, содержащем участки ввода и вывода излучения с установленными оптическими разъемами в корпусе прямоугольного сечения, пропускной канал, согласно изобретению, массив датчика изготовлен цельнометаллическим консольного типа, пропускной канал выполнен в массиве датчика в виде сквозного "U"-образного паза, разделяющего массив на две части: наружную - деформирующуюся (рабочую) и внутреннюю - статическую, связанные перемычками, центральная часть сквозного паза датчика имеет два параллельных участка синусоидальной формы, расположенных друг напротив друга, с количеством пиков и их амплитудой, определяемой с учетом контролируемых нагрузок, в центре образованных перемычек имеются отверстия с таким же диаметром, как и оптическое волокно, многомодовое оптическое волокно проведено по центру "U"-образного паза во всю его длину, в том числе и через два участка синусоидальной формы, повторяя их изгибы, сквозной паз с двух сторон от оптического волокна залит жидкой резиной.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид устройства в аксонометрии, на фиг. 2 - вид спереди, на фиг. 3 - вид сверху, на фиг. 4 - разрез устройства по А-А, на фиг. 5 - разрез устройства по Б-Б.
Массив датчика изготовлен цельнометаллическим в форме прямоугольного параллелепипеда (фиг. 1), причем материал и габариты могут различаться в зависимости от диапазона рабочих нагрузок. В массиве датчика имеется сквозной "U''-образный паз 1, разделяющий массив на две части: наружную - деформирующуюся (рабочую) 2 и внутреннюю -статическую 3 (фиг. 4). Эти части связанны перемычками 4 (фиг. 2). Паз 1 содержит многомодовое оптическое волокно 5. Центральная часть сквозного паза 1 датчика имеет два участка синусоидальной формы 6 с количеством пиков и их амплитудой, определяемой с учетом контролируемых нагрузок. В центре образованных перемычек 4 имеются отверстия 7 с таким же диаметром, как и оптическое волокно 5. К выходу отверстий 7 подсоединены оптические разъемы 8 для входа и выхода. Сквозной паз 1 с двух сторон от оптического волокна по ширине датчика 5 залит жидкой резиной 9 для защиты от внешних физических воздействий и сохранения многомодового оптического волокна 5 в центре паза 1 (фиг. 5). Датчик выполнен консольным, так как неподвижная часть 3 в месте образованных перемычек 4 жестко закреплена через крепежные отверстия 10 (фиг. 3) к какой либо раме, силоизмерительной машине и т.д.
Датчик изготавливают следующим образом. Массив корпуса его изготавливают цельнометаллическим в виде прямоугольного параллелепипеда, причем материал и габариты могут различаться в зависимости от диапазона рабочих нагрузок. В перпендикулярном направлении приложения нагрузки (силы) в массиве датчика вырезают (на электроэрозионном станке с ЧПУ) сквозной "U''-образный паз 1, причем выполняют его таким образом, что делят его на две части: наружную - деформирующуюся (рабочую) 2 и внутреннюю - статическую 3. Эти части связывают друг с другом образованными в процессе резки перемычками 4, при этом наружная часть 2 массива корпуса будет смещаться относительно его центральной части 3 в месте приложения силы. Сам паз 1 выполняют с такой шероховатостью поверхности, чтобы снизить возможность поверхностного повреждения многомодового оптического волокна 5 в ходе работы датчика, а его толщину выполняют размером в диаметр многомодового оптического волокна 5. Центральную часть сквозного паза 1 датчика изготавливают с двумя участками синусоидальной формы 6 с количеством пиков и их амплитудой, определяемой с учетом контролируемых нагрузок. Для изготовления сквозного паза 1 с необходимыми технологическими требования, применяют электроэрозионный станок с числовым программным управлением (ЧПУ). В центре образованных перемычек 4 выполняют отверстия 7 с таким же диаметром, как и многомодовое оптическое волокно 5. Выход отверстий 7 наружу изготавливают так, чтобы к ним можно было подсоединить оптические разъемы 8 для входа и выхода. Многомодовое оптическое волокно 5, проходит через центр "U''-образного паза во всю его длину, в том числе и через два участка синусоидальной формы 6, повторяя их изгибы, в которых при рабочей деформации датчика перегибается многомодовое оптическое волокно 5, тем самым изменяя световую интенсивность в зависимости от приложенной нагрузки (силы). Концы многомодового оптического - волокна 5 выводятся через отверстия 7 в образованных перемычках 4 и для удобства эксплуатации и подключения к системе измерения объединяют с оптическими разъемами 8 в задней не подвижной части 3 массива датчика. Датчик выполняют консольным, при этом неподвижную часть 3 в месте образованных перемычек 4 жестко крепят через крепежные отверстия 10 (к какой либо раме, силоизмерительной машине и т.д.), а его передняя рабочая часть 3 при нагрузке деформируется, тем самым происходит воздействие на многомодовое оптическое волокно 5. Сквозной паз 1 с двух сторон от многомодового оптического - волокна 5 заливают жидкой резиной 9, это позволяет сохранить многомодовое оптическое волокно 5 в центре паза 1 и защитить его от внешних физических воздействий. Кроме того, в датчиках с низкой нагрузочной способностью (до 1 кг.), залитая жидкая резина 9 в сквозной паз 1 с многомодовым оптическим волокном 5 обеспечивает дополнительную жесткость датчику и упругость в случае изготовления массива корпуса из алюминиевого сплава из любого другого металла с малой упругой способностью.
Для датчика с максимальной нагрузочной способностью до 1 кг. массив корпуса выполнили из сплава алюминия (дюраль Д16Т) с габаритными размерами 100×20×15 мм. Два участка синусоидальной формы содержат 4 пика с высотой амплитуды в 3-х кратном размере превышающей диаметр оптического волокна. В предложенном оптическом волоконном датчике применили многомодовое волокно, изготавливаемое по спецификации МЭК-Т G. 651, с диаметром сердцевины 50 мкм и оболочки 125 мкм с плотной полимерной оболочкой.
Датчик для измерения силы можно применять для постройки различного рода весов, также он может входить в состав силоизмерительных машин, тем самым заменить уже устаревшие тензометрические датчики. В качестве расширения возможностей измерения датчика его можно использовать и для измерения деформации.