Чувствительный элемент волоконно-оптического тензометрического датчика для измерения продольного механического натяжения и способ измерения продольного механического натяжения объекта волоконно-оптическим тензометрическим датчиком
SENSING ELEMENT OF A FIBER-OPTIC STRAIN GAUGE FOR MEASURING LONGITUDINAL MECHANICAL TENSION AND A METHOD FOR MEASURING THE LONGITUDINAL MECHANICAL TENSION OF AN OBJECT WITH A FIBER-OPTIC STRAIN GAUGE

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов, в частности, к тензометрическим датчикам и может быть использовано для измерения продольного механического натяжения объекта на мостах, зданиях, опорах некоторых объектов инфраструктуры, а также других конструкционных элементах зданий и сооружений.
Известен чувствительный элемент датчика измерения продольного механического натяжения [Патент US 10584959 B2, 10.03.2020] на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР), включающий в свой состав: подложку датчика, выполненную из стального листа, прикрепленное к подложке оптическое волокно с индуцированной в нем ВБР и имеющее два концевых участка; защитную крышку, первая часть которой выполнена тонкой и узкой и прикреплена к оснастке чувствительного элемента вдоль оптического волокна так, что оптическое волокно, расположенное под ним, фиксируется в области расположения ВБР на оснастке датчика, вторая часть защитной крышки имеет увеличение на каждой из концевых частей оснастки датчика в точках соединения концевых частей с оптическими сигнальными линиями. Такой чувствительный элемент соединяется с исследуемым объектом при помощи сварного соединения, обеспечивающего высокую степень передачи продольного механического натяжения.
Недостатками вышеописанного чувствительного элемента при использовании его для измерения продольного механического натяжения является отсутствие механизма температурной компенсации и спектральная схема опроса, так как для достижения высокой точности при такой методике опроса существует необходимость в дорогостоящем и требовательном к условиям обслуживания оборудовании.
Известен способ измерения продольного механического натяжения волоконно-оптическим тензометрическим датчиком [Патент US 10914646 B2, 09.02.2021], который заключается в следующем. Производится опрос по меньшей мере одного обнаруженного параметра продольного механического натяжения исследуемого объекта на основе длины волны отраженного оптического сигнала. Для этого, при помощи по меньшей мере одного устройства генерации оптического сигнала производится облучение ВБР, соединенной с объектом исследования, по оптическому волокну. Оптическое излучение, соответствующее длине волны брэгговского резонанса данной периодической структуры, отражается от нее и направляется по оптическому волокну в обратном направлении. Далее при помощи устройства приема отраженного оптического сигнала на основе длины волны производится анализ приложенного к объекту исследования продольного механического натяжения.
Недостатком вышеописанного способа измерения продольного механического натяжения также является его спектральная схема опроса, так как для достижения высокой точности при такой методике опроса существует необходимость в дорогостоящем и требовательном к условиям обслуживания оборудовании.
Известен чувствительный элемент [Патент RU 2643686, 05.02.2018], выбранный в качестве прототипа предлагаемого чувствительного элемента (далее ЧЭ) датчика измерения продольного механического натяжения (далее датчика). Чувствительный элемент состоит из оптического волокна, покрытого металлом, по меньшей мере, двух волоконных брэгговских решеток, индуцированных в оптическом волокне, защитной трубки и оснастки датчика, при этом оптическое волокно в зоне каждой из двух ВБР легировано германием, а вне зоны ВБР легировано фтором для повышения радиационной стойкости, при этом волокна соединены в единое волокно посредством сварного соединения. Такое расположение ВБР позволяет изолировать одну из ВБР от влияния продольного механического натяжения для обеспечения термокомпенсации, оптическое волокно жестко закреплено в защитной трубке, защитная трубка жестко закреплена на корпусе датчика, корпус датчика имеет глухие отверстия для возможности крепления к исследуемому объекту. Технический результат, получаемый при использовании указанного чувствительного элемента, достигается тем, что измерение приложенного продольного механического натяжения осуществляется методом регистрации спектрального сдвига центральной длины волны брэгговского резонанса путем перераспределения продольного механического натяжения передаваемого на оснастку датчика в осевую нагрузку, приложенную на ВБР. Благодаря расположению ВБР, конструкции оснастки датчика, локального места крепления оснастки к объекту исследования, при деформационном воздействии достигается передача продольного механического натяжения к одной ВБР, и при этом обеспечивается отсутствие такового на второй ВБР. Такая конструкция позволяет обеспечить температурную компенсацию. Два типа легирования оптического волокна позволяют обеспечить повышенную радиационную стойкость оптического волокна, а также увеличенную фоточувствительность в области ВБР. Оптические волокна соединяются в одно посредством сварного соединения.
Недостатком вышеописанного чувствительного элемента также является его спектральная схема опроса, так как для достижения высокой точности при такой методике опроса существует необходимость в дорогостоящем и требовательном к условиям обслуживания оборудовании.
Известен способ измерения продольного механического натяжения объекта волоконно-оптическим тензометрическим датчиком (далее - датчик) на основе пары ВБР [J. Kumar and D. Chack. FBG Based Strain Sensor with Temperature Compensation for Structural Health Monitoring // 4th Int. conf. on Recent Advances in information Technology. RAIT 2018] с применением температурной компенсации, выбранный в качестве прототипа для предлагаемого способа. Данный способ основывается на спектральном опросе двух ВБР. Первая ВБР жестко закрепляется на исследуемом объекте и испытывает на себе воздействие окружающей температуры и продольного механического натяжения, испытываемого исследуемым объектом одновременно, и называется ВБР1, в то время как вторая ВБР2 испытывает на себе исключительно температурное воздействие, но в то же время изолирована от воздействия продольного механического натяжения, испытываемого объектом исследования. При проведении испытаний исследуемого объекта ВБР1 и ВБР2 подвергаются физическому воздействию одновременно, сдвиг центральной длины волны брэгговского резонанса ВБР2 происходит только из-за температуры, в то время как сдвиг длины волны ВБР1 происходит из-за приложенного продольного механического натяжения и температуры. Стоит отметить, что у ВБР1 и ВБР2 имеется взаимная отстройка центральной длины волны Брэгговского резонанса, ввиду того, что необходимо обеспечить отсутствие взаимного перекрытия, отраженного от периодических структур излучения. По результатам измерений получается зависимость в отношении конкретного физического воздействия, которая обеспечивает точную информацию о приложенном продольном механическом натяжении или температуре. При повышении температуры на 10°C происходит сдвиг длины волны брэгговского резонанса на 0,14 нм, в то время как для деформации при значении 50 мкм/м получается сдвиг длины волны 0,05 нм.
Недостатком данного способа измерения продольного механического натяжения является использованная методика опроса, основанная на регистрации сдвига центральной длины волны брэгговского резонанса, применение которой требует использования дорогостоящего оборудования, его точной настройки и соответствующих условий эксплуатации.
Решаемая техническая проблема - совершенствование устройства и способа измерения продольного механического натяжения объекта.
Достигаемый технический результат - увеличение точности измерения продольного механического натяжения за счет увеличения количества пар чирпированных ВБР в составе чувствительного элемента датчика, а также улучшение соотношения сигнал-шум посредством увеличения диапазона изменения искомой величины, а именно отраженной оптической мощности.
Кроме того, заявляемые чувствительный элемент и способ измерения обеспечивают переход от методики опроса, основанной на регистрации сдвига центральной длины волны брэгговского резонанса, к методике опроса, основанной на измерении изменения амплитуды отраженной от чувствительного элемента мощности излучения и, как следствие, к упрощению схемы опроса ввиду отказа от использования дорогостоящих и требовательных к условиям эксплуатации спектральных устройств опроса в пользу достаточно широко распространенных амплитудных устройств.
Поставленная задача решается следующим образом.
Заявляемый чувствительный элемент волоконно-оптического тензометрического датчика для измерения продольного механического натяжения, представляет собой закрепленное на оснастке оптическое волокно, в котором сформированы n-пар чирпированных волоконных брэгговских решеток (ЧВБР), разнесенных по длине волокна и имеющих идентичные параметры внутри пары, где n не менее двух, причем, одна ЧВБР в паре изолирована от воздействия продольного механического натяжения, при этом каждая последующая из сформированных пар ЧВБР отличается от предыдущей пары значением периода брэгговского резонанса.
Заявляемый способ измерения продольного механического натяжения объекта волоконно-оптическим тензометрическим датчиком включает установку на исследуемый объект чувствительного элемента, указанного в предыдущем абзаце и представляющего собой закрепленное на оснастке оптическое волокно, в котором сформированы n-пар чирпированных волоконных брэгговских решеток, разнесенных по длине волокна и имеющих идентичные параметры внутри пары, где n не менее двух, а каждая последующая из сформированных пар ЧВБР отличается от предыдущей пары значением периода брэгговского резонанса, причем, часть оснастки, с закрепленным на ней оптическим волокном со сформированными в нем первыми из пар ЧВБР устанавливают на исследуемый объект, подвергаемый воздействию продольного механического натяжения, а другую часть оснастки, с закрепленным на ней волокном со сформированными в нем вторыми ЧВБР из пар, изолируют от вышеупомянутого воздействия, указанный чувствительный элемент облучают оптическим излучением источника излучения, регистрируют отраженную оптическую мощность и измеряют изменение амплитуды полученного сигнала, по которому определяют искомое продольное механическое натяжение.
Сущность заявляемого чувствительного элемента и способа измерения продольного механического натяжения поясняется следующим.
В чувствительном элементе датчика измерения продольного механического натяжения используются индуцированные в оптическом волокне периодические структуры модуляции показателя преломления с непостоянным по своей длине изменением периода, называемые чирпированными волоконными брэгговскими решетками, изготовленные парами с идентичными характеристиками, в которых одна ЧВБР из пары является чувствительной к продольному механическому натяжению, а вторая в тот же момент стабилизирована и не зависит от приложенной к чувствительному элементу продольной механической нагрузки, что при увеличении продольного механического натяжения приводит к смещению спектра отражения чувствительной структуры в длинноволновую область спектра и, соответственно, к увеличению общей ширины спектра отражения, что приводит к росту отраженной оптической мощности, в данном контексте являющейся искомой величиной измерения. При увеличении количества пар ЧВБР в составе чувствительного элемента, изготовленных с разными периодами брэгговского резонанса для каждой новой пары, возрастает и общая отраженная оптическая мощность чувствительного элемента, что приводит к увеличению диапазона измерения и, как следствие, к повышению чувствительности, а также к улучшению соотношения сигнал-шум. При этом температурное воздействие оказывает влияние на каждую ЧВБР в составе чувствительного элемента и эквивалентно изменяет спектральную характеристику каждой ЧВБР чувствительной структуры, оставляя неизменным смещение спектра чувствительных ЧВБР от стабилизированных, что в свою очередь приводит к отсутствию необходимости в дополнительном механизме температурной компенсации.
Для этого при изготовлении чувствительного элемента на участке оптического волокна размечаются две области, одна из которых используется для последовательной записи первых из пар ЧВБР, в то время как другая используется для записи вторых из пар ЧВБР. ЧВБР в составе одной пары индуцируются сначала в одну область, а затем в другую, после чего происходит настройка схемы записи под параметры следующей пары чувствительных структур с обязательным изменением периода для каждой следующей пары во избежание взаимного перекрытия спектров каждой пары ЧВБР, после чего производится запись следующей пары ЧВБР. После изготовления участка оптического волокна с индуцированными в нем ЧВБР, он закрепляется на оснастке чувствительного элемента. Нечувствительность к продольному механическому натяжению стабилизированных ЧВБР обеспечивается локальным местом крепления к исследуемому объекту: часть оснастки, на которой закреплены первые из пар ЧВБР, жестко закреплена на объекте исследования в 4-х точках по периметру данной области и испытывает продольное механическое натяжение вместе с исследуемым объектом и, соответственно, передает продольное механическое натяжение в осевую нагрузку первых из пар ЧВБР, в то время как вторые из пар ЧВБР находятся в области оснастки, не испытывающей на себе влияние продольного механического натяжения, испытываемого исследуемым объектом, ввиду не жесткого крепления данной части оснастки в 2-х точках с одной из сторон данной области.
При увеличении количества пар опрашиваемых ЧВБР происходит расширение диапазона измеряемой величины, которой в данном случае является отраженная оптическая мощность, что в свою очередь приводит к улучшению отношения сигнал шум в измеряемом сигнале. Кроме того, увеличение диапазона измеряемой мощности приводит к снижению требований к чувствительности измерительного оборудования.
В способе измерения продольного механического натяжения вышеописанный чувствительный элемент закрепляется на объекте исследования. Для опроса данного чувствительного элемента используется излучение широкополосного источника излучения, спектральная часть которого соответствует области спектра отражения чувствительного элемента. Излучение, сгенерированное широкополосным источником, через оптоволоконный кабель подается на опрашиваемую структуру чувствительного элемента. Отраженное от чувствительной структуры излучение транслируется в обратном направлении по оптоволоконному кабелю и поступает на измеритель мощности. При приложении продольного механического натяжения к чувствительному элементу датчика спектр опрашиваемой структуры уширяется, что приводит к увеличению отраженной оптической мощности, которое можно измерить при помощи измерителя мощности и интерпретировать в изменение продольного механического натяжения, пользуясь предварительным расчетом зависимости приложенного механического натяжения и выполнив калибровку датчика.
В оптическом волокне попарно индуцируются ЧВБР с идентичными параметрами. Каждая первая ЧВБР из пары записывается в область оптического волокна, которая при закреплении на оснастке будет чувствительна к продольному механическому натяжению. Каждая вторая из пары ЧВБР индуцируется в область, которая, при закреплении на оснастке будет изолирована от продольного механического натяжения. Далее происходит изменение периода брэгговского резонанса записываемых ЧВБР, и индуцируется следующая пара ЧВБР. В случае необходимости при записи следующей пары могут быть изменены дополнительные параметры записи ЧВБР, такие как: длина ЧВБР или время экспозиции (коэффициент отражения). В состав чувствительного элемента входит как минимум две пары ЧВБР с идентичными параметрами внутри пары. После изготовления оптического волокна с индуцированными в нем ЧВБР оно прикрепляется к оснастке посредством соединения кварцевой части оптического волокна с поверхностью оснастки.
Оптическое излучение, производимое широкополосным источником, попадает на опрашиваемую структуру, после чего часть спектра, соответствующая длине волны брэгговского резонанса, отражается от нее в обратном направлении по оптическому волокну, где попадает на измеритель оптической мощности. При воздействии продольного механического натяжения на область оптического волокна, содержащую в себе чувствительную часть опрашиваемой структуры, происходит смещение длин волн брэгговского резонанса соответствующих ЧВБР в длинноволновую область спектра. При этом стабилизированная часть чувствительного элемента не испытывает на себе воздействия продольного механического натяжения и сохраняет свои спектральные характеристики. В этом случае происходит уширение спектра отражения всего чувствительного элемента, что приводит к увеличению отраженной оптической мощности. Вследствие увеличения области спектральной селективности чувствительного элемента можно утверждать, что увеличивается и общая отраженная оптическая мощность данной структуры. Используя изменение амплитуды отраженного оптического излучения от такой чувствительной структуры, можно производить опрос при помощи достаточно тривиального измерения оптической мощности.
Сущность заявленного чувствительного элемента и способа опроса датчика измерения продольного механического натяжения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 приведена схема записи ЧВБР в оптическое волокно.
На Фиг. 2 приведено схематическое изображение чувствительного элемента датчика измерения продольного механического натяжения.
На Фиг. 3 приведено устройство опроса датчика измерения продольного механического натяжения.
На Фиг. 4 приведен пример спектра отражения от двух пар ЧВБР в трех положениях натяжения.
На Фиг. 5 приведен пример зависимости изменения отраженной оптической мощности от величины приложенного продольного механического натяжения.
Принятые обозначения на фигурах:
λ - длина волны
P - оптическая мощность
ε - деформация
R - отраженная оптическая мощность
1 - оптическое волокно
2 - ЧВБР
3 - клеевое соединение
4 - оснастка чувствительного элемента
5 - область оснастки чувствительная к продольному механическому продольному механическому натяжению
6 - область оснастки не чувствительная к продольному механическому продольному механическому натяжению
7 - полость для сварного соединения
8 - отверстие для болтового соединения
9 - чувствительный элемент
10 - исследуемый объект
11 - Y - ответвитель
12 - широкополосный источник излучения
13 - измеритель оптической мощности
Чувствительный элемент представляет собой оптическое волокно 1, в котором сформированы ЧВБР 2, закрепленное при помощи клеевого соединения 3 на оснастке 4. Первые из пар ЧВБР располагаются на оснастке 4 в области 5, которая испытывает на себе приложенное к исследуемому объекту продольное механическое натяжение. Вторые из пар ЧВБР закреплены на оснастке 4 в области 6, которая не испытывает на себе приложенного механического натяжения, передаваемого исследуемым объектом.
Способ измерения продольного механического натяжения осуществляется с помощью чувствительного элемента, представленного на фиг. 2 и устройства, представленного на Фиг. 3. При помощи полостей для сварного соединения 7 или отверстий для болтового соединения 8, чувствительный элемент 9 жестко закрепляется на исследуемом объекте 10. Чувствительный элемент 9 соединен посредством оптического волокна 1 через Y-ответвитель 11 с широкополосным источником излучения 12 и измерителем оптической мощности 13. Оптическое излучение, генерируемое широкополосным источником излучения 12 через Y-ответвитель 11, проходит к чувствительному элементу 9 тензометрического датчика, где отраженная от ЧВБР 2 часть оптического излучения направляется в обратном направлении и попадает на измеритель оптической мощности 13. При приложении продольного механического натяжения на исследуемый объект ЧВБР 2 в области 5 испытывают изменения в спектре отражения, и их центральная длина волны брэгговского резонанса смещается в длинноволновую область. Это приводит к уширению общего спектра отражения n-пар ЧВБР, что продемонстрировано на конкретном примере исследования двух пар ЧВБР, приведенном на фиг. 4.
Конкретный пример выполнения чувствительного элемента и способа измерения продольного механического натяжения был осуществлен следующим образом. В оптическое волокно стандарта SMF-28, подвергнутое предварительной водородной обработке при 100 атмосферах давления водорода и температуре 50° в течении двух недель, были индуцированы две пары ЧВБР. Изготовление ЧВБР осуществлялась при помощи интерферометрической схемы записи, реализованной на основе интерферометра Тальбота и KrF эксимерной лазерной системы. Сначала производилась запись одной пары ЧВБР. Индуцировалась первая ЧВБР из пары: центральная длина волны брэгговского резонанса составила 1564 нм при длине индуцируемой структуры 6 мм, а также был достигнут коэффициент отражения близкий к 100%. После окончания процедуры записи границы записываемой структуры отмечались при помощи маркера и производилась трансляция волокна вдоль области записи на 30 мм, после чего производилось изготовление второй ЧВБР из пары при идентичных параметрах записи. Далее производилась перестройка схемы записи: изменялся период интерференционной картины для изменения периода длины волны брэгговского резонанса записываемой ЧВБР, после чего производилось изготовление второй пары ЧВБР. В данном случае длина волны брэгговского резонанса второй пары ЧВБР составила 1569,5 нм при прочих идентичных условиях записи. Чувствительная и стабилизированные ЧВБР из второй пары индуцировались в оптическое волокно на расстоянии 10 мм от соответствующих ЧВБР из первой пары.
Далее участок оптического волокна с индуцированными в нем двумя парами ЧВБР закреплялся на оснастке чувствительного элемента при помощи клеевого соединения кварцевой части оптического волокна с поверхностью оснастки. В данном случае в качестве адгезива использовалась эпоксидная смола ЭД-20, но также могут быть применены и другие клеевые составы. Оснастка датчика может быть выполнена из металла, пластика, композитных материалов или др. В нашем же случае оснастка датчика была выполнена из инструментальной стали 12Х18Н10 с заданными пространственными характеристиками: ширина 25,4 мм; длина 132 мм, толщина 1 мм в соответствии с чертежом, изображенном на фиг. 2.
Далее чувствительный элемент при помощи системы лазерной сварки был закреплен на балке равного сопротивления изгибу, в данном случае являющейся исследуемым объектом, выполненной из рессорно-пружинной стали марки 60С2А, толщиной 8 мм. Соединение производилось таким образом, чтобы часть оснастки с закрепленными на ней первыми из пар ЧВБР была жестко зафиксирована на исследуемом объекте при помощи 4-х точек крепления по периметру данной области, и она испытывала продольное механическое натяжение вместе с объектом. В то же время часть оснастки на которой закрепляются вторые из пар ЧВБР закреплялась на исследуемом объекте не жестко при помощи 2-х точек соединения на одной из сторон периметра данной области. Соединение с исследуемым объектом может производиться также при помощи болтового, или в случае необходимости, при помощи клеевого соединения. На балку прикладывалась нагрузка в диапазоне от 0 до 1020 мкм/м.
Опрос датчика производился при помощи устройства опроса чувствительного элемента в соответствии с фиг. 3. В качестве источника широкополосного излучения использовался источник излучения на базе суперлюминисцентного диода фирмы Thorlabs марки SSFC1550S-A2. В качестве измерителя оптической мощности использовалось устройство производства Thorlabs марки PM20. В результате опроса чувствительного элемента были получены выходные данные, представленные на фиг. 5. Таким же образом при помощи анализатора спектра производства фирмы Yokogawa марки AQ6370C были получены спектры отражения чувствительного элемента в трех положениях прикладываемого продольного механического натяжении, представленные на фиг. 4.
Заявляемые чувствительный элемент и способ измерения продольного механического натяжения объекта обеспечивают следующие преимущества.
Использование амплитудного метода опроса чувствительного элемента приводит к использованию менее требовательных к условиям эксплуатации и более доступных сенсорных устройств - измерителей оптической мощности, в отличие от спектральной методики опроса где требуются спектральные устройства опроса имеющие высокие требования к условиям эксплуатации.
Применение множества пар ЧВБР приводит к увеличению диапазона измеряемого сигнала. Увеличение диапазона повышает точность измерений конечного устройства, улучшает отношение сигнал-шум, а также позволяет снизить требования к используемому измерительному оборудованию.
Ввиду того, что температурное влияние происходит на всю опрашиваемую структуру целиком и оказывает воздействие на спектральную селективность всего чувствительного элемента, относительное смещение спектральных характеристик чувствительной части от стабилизированной неизменно. Данный факт обуславливает отсутствие необходимости в обеспечении дополнительного механизма температурной компенсации.
Помимо прочего, данный сенсор обладает стандартными положительными свойствами волоконно-оптических датчиков, такими как: электромагнитная пассивность, высокая сопротивляемость воздействию окружающей среды, малые массогабаритные параметры.
Таким образом, заявленный технический результат достигается.