ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ КОЛЬЦЕВОЙ ДАТЧИК АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
FIBRE-OPTIC RING ACOUSTIC EMISSION SENSOR

Группа изобретений относится к области датчиков, таких как волоконно-оптические датчики (ВОД) акустической эмиссии, при создании сетей первичных преобразователей ВОД на поверхности контролируемых деталей, и может использоваться в системах, предназначенных для встроенного контроля текущего технического состояния конструкций. В указанных ВОД используются чувствительные элементы, конструкция которых представляет собой волоконно-оптические интерферометры известных типов: Фабри-Перо, Майкельсона, Саньяка, Маха-Цендера и др. Интерферометры выполняются внутри волокна с использованием внутриволоконных зеркал, волоконных брэгговских решеток или металлических пленок, напыленных на торцах волокон или с применением капилляров, внутри которых соосно располагаются оптические волокна на расстоянии друг от друга, формирующие резонатор на торцах волокон.
Известны различные конструкции датчиков акустической эмиссии (АЭ). Наиболее распространены датчики АЭ на базе пьезокерамических преобразователей (RU 2012126743 A, RU 96102359 А). Недостатком датчиков АЭ на основе пьезоэлектрических преобразователей является восприимчивость последних к электромагнитным помехам, обусловленная наличием электрических обкладок и высоким выходным сопротивлением пьезоэлемента.
Известны оптические датчики АЭ. Например, в CN 109799286 A в качестве датчика АЭ используется волоконная брэгговская решетка. Изменение длины решетки регистрируется с помощью высококогерентного источника с качающейся длиной волны. Недостатком такой схемы является ограничение максимальной частоты регистрации из-за конечной скорости управления источника, составляющей единицы кГц.
Наиболее близким по технической сущности, назначению и принятым за прототип является кольцевой волоконный датчик АЭ и способ его изготовления, описанные в CN 109374751 А. Устройство представляет собой полиэтиленовый цилиндр длиной 90 мм и диаметром 20 мм, на который намотан участок оптического волокна длиной 16 м, покрытый слоем полиэтилена. К намотанному участку волокна с помощью оптоволоконной сварки подключается регистрирующее оборудование. Диаметр датчика-прототипа после нанесения полиэтиленового покрытия составляет 30 мм. Для регистрации акустической эмиссии необходима пара таких датчиков - один устанавливается на контролируемой детали, второй датчик изолирован от импульсов акустической эмиссии и служит для получения опорного сигнала. Недостатками данного варианта являются необходимость использования отдельного датчика для опорного сигнала, сложность изготовления (необходимо использовать цилиндр, на который осуществляется намотка), а также необходимость подключения обоих концов участка волокна в датчике к регистрирующему оборудованию.
По сравнению с аналогами предлагаемые устройство и способ имеют ряд преимуществ:
- Нет необходимости использовать дополнительный датчик для получения опорного сигнала - датчик содержит в своей конструкции вторую катушку волокна;
- Нет необходимости использования жесткого цилиндра в конструкции датчика, так как корпус датчика изготавливается из эпоксидного клея в специальной форме, что обеспечивает защиту оптического волокна;
- Значительно уменьшенные габаритные размеры датчика за счет оптимизации процесса изготовления;
- Отсутствие необходимости подключения обоих концов оптического волокна к регистрирующему оборудованию благодаря напылению металлической пленки, образующей зеркало на одном из торцов оптического волокна.
Задачей изобретения является повышение точности измерений датчика.
Поставленная задача решается тем, что волоконно-оптический датчик состоит из двух катушек с оптическим волокном, расположенных одна над другой и механически соединенных между собой эластичным герметиком, при этом каждая катушка подключена свободным концом оптического волокна к волоконному мультиплексору 1×2 с помощью волоконно-оптической сварки, образуя интерферометр Майкельсона, а на торец другого конца волокна каждой катушки напылена металлическая пленка, выполняющая роль зеркала.
Задача решается также тем, что в способе изготовления волоконно-оптического датчика при изготовлении каждой катушки сначала на один торец оптического волокна напыляют металлическую пленку, выполняющую роль зеркала, затем укладывают оптическое волокно кольцами в форму, представляющую собой кольцо с наружной и внутренней стенками, и заливают ее эпоксидным клеем, при этом второй конец оптического волокна остается свободным, после отверждения клея готовые катушки извлекаются каждая из своей формы и склеиваются с помощью эластичного герметика, после чего свободные концы оптических волокон подключаются к мультиплексору 1×2 с помощью волоконно-оптической сварки, образуя интерферометр Майкельсона.
Изобретения поясняются чертежом, где на фиг. 1 и 2 показан волоконно-оптический датчик в сборе, вид сверху и в разрезе.
Волоконно-оптический датчик (1) состоит из двух катушек (2) и (3) оптического волокна, расположенных одна над другой, механически соединенных между собой эластичным герметиком (4) и подключенных к волоконному мультиплексору 1×2 (5) с помощью волоконно-оптической сварки (6).
Каждая катушка (2, 3) изготавливается путем напыления на торец участка оптического волокна длиной 3 метра металлической пленки (8), выполняющей роль зеркала, последующего укладывания участка оптического волокна (7) с напыленной на торце металлической пленкой (8), кольцами в специальную форму (9), представляющую собой кольцо с наружной (диаметр 25 мм) и внутренней (диаметр 15 мм) стенками, глубиной 6 мм, с последующей заливкой эпоксидным клеем (10). Второй конец волокна (11) остается свободным. После отверждения клея (10), катушки (2, 3) извлекаются каждая из своей формы (9) и склеиваются с помощью эластичного герметика (4) (толщина слоя герметика до 2 мм), после этого свободные концы участков оптических волокон (11) подключаются к мультиплексору 1×2 (5) с помощью волоконно-оптической сварки (6), образуя интерферометр Майкельсона.
Полученный датчик (1) приклеивается к исследуемой поверхности с помощью клея. За счет жесткой связи нижней катушки (2) и поверхности, распространяющаяся акустическая волна вызывает ее деформацию, что приводит к изменению ее оптической длины. При этом верхняя катушка (3), за счет применения эластичного герметика (4), имеет слабую акустическую связь с нижней катушкой (2), в результате ее чувствительность к акустическим колебаниям оказывается значительно меньше чувствительности нижней катушки (3). При возникновении акустических колебаний в исследуемой конструкции между оптическими сигналами в нижней (2) и верхней (3) катушках возникает разность фаз, зависящая от амплитуды акустических колебаний, что детектируется вторичной волоконно-оптической системой регистрации.
Преимущества датчика перед аналогами:
- Датчик (1) изготавливается путем укладки оптического волокна (7) в форму (9) и заливкой эпоксидным клеем (10), что значительно проще и быстрее намотки;
- На один из торцов участка волокна (7), из которого изготавливается катушка, напылена металлическая пленка (8), выполняющая роль зеркала, что избавляет от необходимости подключать оба конца участка волокна (7) к регистрирующему оборудованию;
- Тонкое кольцо катушки (2, 3) легко деформируется, что позволяет уменьшить количество оптического волокна (7) по сравнению с намоткой на жесткий сердечник без потери чувствительности;
- Соединение катушек (2, 3) с мультиплексором 1×2 (5) с помощью волоконно-оптической сварки (6) образует интерферометр Майкельсона, что позволяет использовать уже разработанные в интерферометрии методы демодуляции сигнала;
- Катушки (2, 3) имеют слабую акустическую связь за счет использования эластичного герметика (4), что позволяет использовать нижнее кольцо (2) в качестве сенсорного, а верхнее (3) - в качестве опорного.