ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения.
Известны волоконно-оптические распределенные сенсоры, предназначенные для мониторинга различных объектов, работа которых основана на регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, например, волоконно-оптические датчики измерения распределения температуры, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (эффект Рамана), в которых амплитуда рассеянного сигнала зависит от температуры (URL: _opticheskie_datchiki_temperatury, дата обращения 13/08/2014; URL: http://www.thermal-rating.com/Menu/About+LIOS/LIOS+Technology+Russian, дата обращения 13/08/2014; URL: , дата обращения 13/08/2014; патент на полезную модель РФ №65223, опубликован 27/07/2007).
Известен волоконно-оптической сенсор распределения температуры на основе эффекта комбинационного рассеяния (КР), описанный в статье «Environmental temperature sensing using Raman spectra DTS fiber-optic methods», опубликованный в журнале «WATER RESOURCES RESEARCH», том 45, выпуск 4, апрель 2009 г.
Эффект КР обусловлен присутствием в среде термических молекулярных колебаний. Соответственно, отраженный (Рамановский) сигнал содержит информацию о температуре в точке рассеяния. Поскольку мощность Рамановского излучения очень мала, в качестве чувствительного элемента используются многомодовые волокна с большой апертурой. Такие волокна обладают высоким коэффициентом затухания, и длина сенсора, таким образом, ограничена величиной 10 км.
Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне возникает в результате взаимодействия излучения с акустическими волнами (звуковыми волнами) гигагерцового диапазона. Этот эффект можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния.
Таким образом, в датчиках на основе РМБ измеряется частота, в отличие от датчиков на основе комбинационного рассеяния Рамана, где измеряется интенсивность отраженного сигнала. Частотные измерения можно осуществить с высокой точностью, в то время как интенсивность рассеянного излучения подвержена случайным флуктуалиям. Поэтому сенсоры, использующие эффект РМБ, обладают большей точностью и лучшей стабильностью во времени.
Эффект РМБ может значительно усиливаться, если в световод наряду с основным сигналом (сигналом накачки) ввести так называемый пробный сигнал. При выполнении условия резонанса, когда разность частот излучения накачки и пробного сигнала в точности равна Бриллюэновскому сдвигу частоты, мощность рассеянного излучения существенно усиливается (эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна ВРМБ). За счет увеличения мощности рассеянного сигнала улучшается отношение сигнал-шум в выходных данных. Это, в свою очередь, значительно снижает время измерения и повышает точность измерения в точке рассеяния.
Определение места, в котором измеряется частотный сдвиг, происходит на основе технологии, схожей с применяемой в радарных установках (рефлектометрия). В оптическое волокно запускаются лазерные импульсы, и характеристики рассеянного излучения записываются как функции времени. При известном значении скорости света можно определить параметры рассеяния в зависимости от расстояния. Пространственное разрешение таких измерений определяется длительностью оптического импульса (например, импульсы длительностью 10 не задают точность измерения расстояния, примерно равную 1 м).
В Бриллюэновских сенсорах используются только одномодовые волокна, что позволяет охватывать измерениями длины до 50 километров и более. Частотный сдвиг Мандельштама-Бриллюэна для стандартных одномодовых волокон составляет примерно 500 МГц на один процент удлинения волокна (иные виды деформации могут быть представлены через удлинение), и примерно 1 МГц/град.
Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: _files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, дата обращения 13/08/2014; URL: 1/863952/864017/. дата обращения 13/08/2014).
Несмотря на очевидные преимущества волоконно-оптических сенсоров на основе рассеяния Мандельштама-Бриллюэна возникает проблема раздельного определения влияния на частотный сдвиг изменения температура и деформации в заданной точке. Следовательно, сенсоры температуры и деформации должны быть сконструированы по-разному, как это реализовано, например, в известном техническом решении, представленном в патенте на полезную модель РФ №124033, опубликованном 10/01/2013 по заявке №2012128337 «Сталеалюминиевый фазный провод воздушной линии электропередачи со встроенными волоконно-оптическими сенсорами распределения температуры и деформации».
Конструкция сенсора распределения температуры должна исключать деформацию (растяжение) оптического волокна, как в заданном диапазоне допустимых механических воздействий, так и в заданном диапазоне изменения внешней температуры. Для сохранения передаточных характеристик в волоконно-оптических сенсорах распределения температуры, в условиях внешних механических воздействий, используются методы, отработанные в практике применения оптических кабелей связи. Оптическое волокно свободно, с избыточной длиной, укладывается внутри оптического модуля в виде полимерной трубки, а оптические модули скручиваются вокруг центрального элемента. Величина заложенной в конструкции избыточной длины оптического волокна определяет ресурс допустимого воздействия (растяжения, изгиба, кручения). Удлинение оптического кабеля в пределах величины избыточной длины оптического волокна не приводит к удлинению (растяжению) последнего.
Сенсоры деформации (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, должны содержать оптические волокна, расположенные строго параллельно оси сенсора, в плотном механическом контакте с наружными оболочками сенсора и объектом мониторинга. Конструкция сенсора деформации должна исключать взаимное скольжение ее элементов в диапазоне допустимых деформаций.
Известен «Волоконно-оптический сенсор», предназначенный для систем мониторинга на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, представленный в патенте на полезную модель РФ №125705, опубликованном 10/03/2013.
Известно техническое решение, представленное в патенте на полезную модель РФ №152285 «Волоконно-оптический сенсор растяжения», опубликованном 21.04.2015. Сенсор содержит оптическое волокно, жестко, без проскальзывания, связанное с плотным полимерным покрытием, отличающийся тем, что плотное полимерное покрытие армировано жестко связанными с ним арамидными нитями, расположенными параллельно оси оптического волокна. Плотное полимерное покрытие может быть выполнено из светоотверждаемой композиции, и иметь круглое сечение, армированное тремя нитями, расположенными в поперечном сечении на одинаковом расстоянии от оси оптического волокна в вершинах равностороннего треугольника.
Представленное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому решению, из числа известных по совокупности признаков. Вариации по длине сенсора сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна мы интерпретируем как распределение в каждой точке локальных растяжений (сжатий) сенсора. Недостатком известного технического решения является то, что оптическое волокно сенсора деформации, размещенное по оси сенсора, позволяет судить лишь о величине деформации растяжения (сжатия), но не позволяет судить о величине крутильных (симметричных) деформаций, не позволяет судить о кривизне (радиусе) изгиба, о расположении плоскости изгиба.
Поставленная задача повышения информативности сенсора распределения деформации, обеспечения возможности определения наличия и величины крутильных деформаций сенсора, суждения о кривизне и плоскости изгиба достигается тем, что волоконно-оптический сенсор распределения деформации, содержит, размещенное по оси сенсора, одномодовое оптическое волокно в плотном полимерном покрытии и отличается тем, что в полимерном покрытии оптического волокна размещены дополнительные одномодовые оптические волокна, расположенные параллельно оси сенсора на равном удалении от оси, причем на любом перпендикулярном сечении сенсора оси дополнительных волокон располагаются в вершинах равностороннего треугольника.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображено сечение волоконно-оптического сенсора, содержащего расположенное по оси сенсора оптическое волокно 1, дополнительные оптические волокна 2, расположенные параллельно оси сенсора на равном удалении от оси в вершинах равностороннего треугольника, плотное полимерное покрытие 3.
Растяжение (сжатие) оси сенсора в заданной точке распределения приводит к одинаковому, по величине и знаку, сдвигу частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна как осевого, так и трех дополнительных оптических волокон.
Чисто крутильная деформация сенсора приводит к регистрации, в заданной точке распределения, одинаковых (по величине и знаку) сдвигов частоты рассеянного излучения трех дополнительных волокон, при отсутствии сдвига частоты осевого оптического волокна. Следовательно, при суммарном воздействии растяжения и деформации вращения, одинаковая (по величине и знаку) часть натяжений периферийных волокон, за вычетом натяжения осевого волокна, позволяет судить о доле деформации кручения.
Значения сдвигов частоты рассеянного излучения трех дополнительных волокон и осевого оптического волокна позволяют судить о локализованных деформациях сенсора в целом. Например, в соответствии с приведенным чертежом, при стандартном наружном диаметре плотного полимерного покрытия, равном 0,9 мм, оси дополнительных оптических волокон располагаются от оси сенсора на расстоянии 0,3 мм. Тогда, с учетом того, что 1% удлинение одномодовых оптических волокон приводит к смещению линии рассеяния Мандельштама-Бриллюэна примерно на 500 МГц, при радиусе изгиба сенсора в 1 метр разница частотных сдвигов осевого и дополнительного оптического волокна составит 15 МГц. Анализ разницы натяжений дополнительных оптических волокон позволяет судить о плоскости изгиба сенсора. Так при изгибе сенсора, в плоскости расположения одного из дополнительных волокон, в заданной точке распределения, натяжение двух других должно быть равным.
Естественно, неизбежная исходная неодинаковость оптических волокон, их неизбежное при изготовлении сенсора, неодинаковое исходное натяжение ограничивает возможный диапазон измерения параметров деформации. Моделирование на любом участке сенсора контролируемых воздействий позволяет осуществить калибровку сенсора в зависимости от конкретной поставленной задачи измерения.
Дополнительные возможности повышения информативности сенсора распределения деформации требуют определения, сохранения и контроля его пространственной ориентации относительно объекта измерения, как при самостоятельном использовании сенсора, так и в качестве элемента конструкции более сложного сенсора, например, содержащего оптические модули, со свободно уложенными оптическими волокнами для одновременного измерения распределения температуры. Признаком, позволяющим сохранить пространственную ориентацию сенсора, может быть идентификационная окраска оптических волокон, маркировка, нанесенная с сохранением ориентации.
Размещение дополнительных оптических волокон может быть осуществлено с применением стандартного технологического оборудования, предназначенного для нанесения на оптическое волокно плотного полимерного покрытия (tight buffer), например из светоотверждаемой композиции методом холодной экструзии.
Необходимо отметить, что размещение в общем плотном полимерном покрытии трех дополнительных оптических волокон, не только позволяет решить поставленную задачу повышения информативности сенсора деформации, но и приводит к дополнительному армированию tight buffer, повышая в четыре раза допустимую растягивающую нагрузку и обеспечивая тем самым возможность его размещения на объекте диагностики, возможность изготовления более сложных сенсорных конструкций.