Многоэлементные Волоконно-оптические тензодатчики

УДК 681.7.068

В.И. Борисов, д-р физ.-мат. наук, доц., Е.М. Силутина, И.В. Шилова

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ТЕНЗОДАТЧИКИ

Предложены две схемы многоэлементного волоконно-оптического датчика деформации растяжения-сжатия, позволяющие увеличить чувствительность и применить некогерентные источники излучения для возбуждения волоконных световодов.

В настоящее время разработано большое количество волоконно-оптических первичных преобразователей различных физических величин [1...3]. Многие из этих схем могут быть использованы в качестве датчиков деформации различных технических устройств. Из большого разнообразия конструкций волоконно-оптических датчиков наиболее простыми и надежными являются амплитудные датчики, использующие изменение потерь в изогнутых волоконных световодах. Главным недостатком таких датчиков является низкая чувствительность по сравнению с интерференционными и поляризационными волоконно-оптическими датчиками. Поэтому не прекращаются поиски возможностей повышения чувствительности изгибных датчиков. Исследования идут в направлении использования многоэлементных конструкций, содержащих в одном датчике различные типы оптических волокон [4], применением микроструктурных волоконных световодов [5] и регистрацией изменения спектральных характеристик излучения под механическим воздействием на изогнутый световод [6].

Для повышения чувствительности таких тензодатчиков в работе предложена схема многоэлементного одноканального волоконно-оптического тензодатчика растяжения-сжатия, которая приведена на рис. 1.

3

Рис. 1. Схема многоэлементного одноканального волоконно-оптического тензодатчика на одном волоконном световоде: 1 - волоконный световод; 2 - резиновая подложка; 3 - клей; 4 - волоконные петли; 5 - устройство для крепления волокна на контролируемом объекте; 6 - полупроводниковый лазер; 7 - микрообъектив; 8 - устройство регистрации лазерного излучения; Ь - измерительная база

Основой предлагаемой конструкции волоконно-оптического тензодатчика растяжения-сжатия является зигзагообразный световод 1, который приклеен на резиновой подложке 2 с помощью полосок клея 3. В средней части между приклеенными участками световод образует петли 4, которые представляют собой первичный преобразователь тензодатчика. Резиновая подложка с помощью клея или других механических устройств 5 крепится на деформируемом объекте контроля. В качестве источника излучения применяется полупроводниковый лазер 6, излучение которого с помощью восьмикратного микрообъек-

тива 7 вводится в волоконный световод. Лазерное излучение, прошедшее волоконный световод излучения, измерялось устройством регистрации излучения 8, в качестве которого использовался ваттметр оптический поглощаемой мощности ОМ3-65. Двухсторонняя стрелка показывает направление деформации резиновой подложки.

В экспериментах в качестве чувствительного элемента использовался многомодовый кварц-кварцевый волоконный световод в полимерной защитной оболочке диаметром 300 мкм с диаметром световедущей сердцевины 50 мкм и диаметром стеклянной оболочки 125 мкм. Диаметр петель был выбран 4... 5 мм, так как проведенные эксперименты показали, что для данного типа волоконного световода при таком радиусе изгиба датчик имеет наибольшую чувствительность. Исследовались датчики с количеством петель от 1 до 20. Измерительная база составляла 20 мм. Работоспособность датчика проверялась в модельных условиях, когда резиновая подложка растягивалась с помощью винтового устройства, а величина растяжения контролировалась индикатором часового типа.

Волоконно-оптический датчик работает следующим образом. При растяжении объекта контроля растягивается и резиновая подложка. В этом случае в волоконном световоде радиус петель уменьшается, что приводит к преобразованию мод и выходу энергии мод высших порядков в защитную полимерную оболочку и поглощению излучения в ней. Вследствие этого поток излучения, попадающий на устройство регистрации излучения, уменьшается.

На рис. 2 приведены зависимости выходного сигнала от деформации растяжения-сжатия для датчика с одним витком и для датчика с 11 витками.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 мм 3

Ь ---------------^

1

2

Рис. 2. Зависимость выходного сигнала тензодатчика от деформации растяжения-сжатия: 1 - для датчика с одним витком; 2 - для датчика с 11 витками

Из графиков видно, что чувствительность датчика с 11 витками в 2 раза выше, чем у датчика с одним витком. Таким образом, для повышения чувствительности одноканального тензодатчика следует увеличивать количество витков на подложке.

Для того чтобы получить более стабильные характеристики тензодатчика и упростить его конструкцию в части облегчение ввода излучения в волоконные световоды, в

работе предлагается многоэлементная многоканальная схема волоконно-оптического тензодатчика. Она представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема многоэлементного многоканального волоконно-оптического тензодатчика на волоконно-оптическом жгуте: 1 - волоконно-оптический жгут; 2 - резиновая подложка; 3 - клей; 4 - волоконные петли; 5 - устройство для крепления волокна на контролируемом объекте; 6 - источник излучения; 7 - устройство регистрации излучения; Ь - измерительная база

Первичным преобразователем и устройством для передачи излучения от источника к фотоприемнику этого тензодатчика является волоконно-оптический жгут 1, содержащий много отрезков кварц-кварцевого волоконного световода в полимерной защитной оболочке диаметром 300 мкм с диаметром сердцевины 50 мкм и диаметром стеклянной оболочки 125 мкм. На концах жгута волокна собраны и склеены вместе в виде цилиндра, а в средней части оптические волокна не соединены друг с другом и по отдельности приклеены к резиновой подложке 2 с помощью клея 3. В этой части между приклеенными участками каждый из отрезков световода образует одну петлю 4 диаметром 4... 5 мм. Таким образом, каждый отдельный отрезок световода представляет собой одноканальный изгибный датчик. Резиновая подложка с помощью клея или других механических устройств 5 крепится на деформируемом объекте контроля.

В качестве источника излучения 6 в экспериментах использовались полупроводниковый лазер, лампа накаливания и светодиод, которые непосредственно без всяких согласующих устройств приставлялись к входному концу волоконно-оптического жгута. В качестве приемника излучения 7 использовался ваттметр оптический поглощаемой мощности ОМ3-65.

Принцип работы этого тензодатчика совершенно одинаковый, как и для одноканального многоэлементного, который описан выше.

Зависимость выходного сигнала от деформации растяжения-сжатия для многоканального тензодатчика с лазером и ИК-светодиодом в качестве источника излучения представлена на рис. 4.

Из графиков видно, что чувствительность датчика с лазером в качестве источника излучения ниже, чем с ИК-светодиодом. Это объясняется тем, что при применении высоконаправленного лазера в качестве источника излучения преимущественно возбуждаются моды низких порядков, а моды высших порядков волоконных световодов возбуждаются не в полной мере. А именно моды высших порядков преобразуются в излучательные моды световода и в большей степени влияют на чувствительность датчика.

1

отн.ед.

0,9

А

0,8

Рвых

0,7

0,6

0 0,5 1 1,5 2 2,5 мм 3

L ------------

Рис. 4. Зависимость выходного сигнала тензодатчика от деформации растяжения-сжатия при использовании различных источников излучения: 1 - лазер; 2 - ИК-светодиод

Следовательно, для создания высокочувствительных многоканальных волоконно-оптических тензодатчиков предпочтительнее использование некогерентных источников излучения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики / T. Окоси, K. Окамото, M. Оцу ; под ред. Т. Окоси. -Л. : Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.

2. Красюк, Б. А. Оптические системы связи и световодные датчики. Вопросы технологии / Б. А. Красюк, Г. И. Корнеев. - М. : Радио и связь, 1985. - 192 с.

3. Бусурин, В. И. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения / В. И. Бусурин, Ю. Р. Носов. - М. : Энергоатомиздат, 1990 - 256 с.

4. Donlagic, D. Fiber-optic microbend sensor structure / D. Donlagic, M. Zavrsnik // Opt.Lett. - 1997. -Vol. 22, № 11. - P. 837-839.

5. Tunable fiber grating fabricated in photonic crystal fiber by use of mechanical pressure / J. H. Lim [etc.] // Opt.Lett. - 2004. - Vol. 29, № 4. - P. 331-333.

6. Ivanov, O. V. Wavelength shift and split of cladding mode resonances in microbend long-period fiber gratings under torsion / O. V. Ivanov // Opt. Commun. - 2004. - Vol. 232, № 1-6. - P. 159-166.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 20.10.2005

V.I. Borisov, E.M. Silutina, I.V. Shilova The multiple-unit fiber-optic sensor of the deformation

Belarusian-Russian University

Two schemes of the multiple-unit fiber-optic sensor of the deformation the sprain-compressions allowing enlarge sensitivity and use noncoherent sources of radiation for excitement the optical fibers is presented.

1

2