СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

Техническое решение относится к области исследования динамических характеристик, в частности к стенду для испытания и определения физических параметров оптического кабеля на деформацию, а также на растяжение и сжатие.
Известно устройство для испытания образца на растяжение с наклонной относительно его оси прослойкой инородного материала, содержащее корпус, размещенный в нем опорный вкладыш с центральным отверстием и узел крепления для образца, при этом для повышения точности определения устройство снабжено Т-образной подвеской, состоящей из полки и штока, связанного посредством шарнира с узлом крепления, и двумя комплектами роликов с обоймами, размещенными между опорной поверхностью полки и опорным вкладышем (SU №1002891 кл. G01N 3/08 от 07.03.1983 г.).
Данное устройство для испытания образца на растяжение представлено в излишне сложном конструктивном исполнении.
Известен способ определения вязкоупругих свойств комплексных нитей, который относится к области динамических испытаний, конкретно к способам определения динамических характеристик комплексных нитей. Целью изобретения является повышение достоверности результатов испытаний путем устранения влияния паразитных поперечных колебаний нити. Для достижения поставленной цели образец 1, предварительно растянутый весом груза 2, закрепленного на его нижнем конце 3, поднимают с грузом 2 за верхний захват 4 образца на заданную высоту h и сбрасывают. Ударное нагружение образца 1 достигается при остановке верхнего захвата 4, Для определения вязкоупругих свойств, например динамической жесткости, коэффициента механических потерь, регистрируют частоту и затухание продольных колебаний образца. Сохранение формы нити перед динамическим нагружением и приложение нагрузки вдоль нити практически исключают возбуждение паразитных поперечных колебаний нити, искажающих исследуемые вязкоупругие свойства нити, (SU №1303885, кл. G01N 3/303 от 15.04.1987).
Недостаток предложенного способа определения динамических характеристик комплексных нитей заключается в том, что он имеет ограниченные функциональные возможности и не содержит целостного конструктивного исполнения предложенного технического решения.
Известен способ определения динамических характеристик комплексной нити в процессе ползучести, а именно исследование механических свойств волокон и нитей. Целью изобретения является повышение достоверности. В способе вертикально подвешенный образец исследуемой нити нагружают грузом, после достижения заданной степени ползучести возбуждают продольные колебания образца и регистрируют частоту и амплитуду колебаний, по которым определяют динамические характеристики исследуемой нити, удар наносят снизу вверх по грузу. Возбуждение колебаний исследуемой нити ударом, наносимым снизу вверх по грузу, обеспечивает малую в пределах упругих деформации образца амплитуду возбуждаемых колебаний, что повышает достоверность определения динамических характеристик комплексной нити. (SU, №1647353,кл. G01N 3/30, от 07.05.1991).
Предложенное техническое решение имеет ограниченное применение.
Известен способ определения механических характеристик конструкционных материалов, заключающийся в растяжении образца, и характеризующийся тем, что дополнительно производят внедрение в образец индентора, причем растяжение образца и внедрение в него индентора происходит за один технологический цикл, а акт внедрения индентора в поверхность, идентичную поверхности реальной детали, определяющей ее эксплуатационный ресурс, выполняется до усилия, равного усилию, достигнутому при растяжении испытуемого образца.
Устройство для осуществления способа выполнено в форме двухрамного реверсора, при этом на нижней раме выполнена дополнительная плита для захвата образца при растяжении, а в ее верхней плите установлен индентор, внедряющийся в свободную поверхность головки образца, причем в верхней плите нижней рамы установлен сферический индентор. (2160440 G01N 3/08 от 10.12.2000.).
Предложенное техническое решение содержит излишне сложное конструктивное исполнение и ограниченное применение.
Известно устройство для испытаний тонких образцов на изгиб, содержащее основание с закрепленным на нем устройством для создания нагрузки, обеспечивающим перемещение подвижной плиты, на которой установлены опоры для размещения испытуемого образца, испытуемый образец, свободно установленный на опорах, неподвижную плиту с закрепленной на ней центральной опорой, при этом основание имеет полость, в которой размещена гильза, выполненная из демпфирующего материала для установки устройства для создания нагрузки, опоры, установленные на подвижной плите, снабжены жестко закрепленными П-образными ограничителями продольных и поперечных перемещений образца, неподвижная плита имеет центральное отверстие и установлена при помощи стоек на дополнительном основании, в центральной опоре выполнена полость, в которой размещен пьезопреобразователь системы для регистрации акустико-эмиссионных сигналов в образце в процессе испытаний, тензометрический измеритель силы закреплен на неподвижной плите, выполнен в виде полого цилиндра с фланцами, верхний из которых скреплен с неподвижной плитой и имеет центральное отверстие, соосное отверстию в неподвижной плите, а нижний соединен с центральной опорой с наружной стороны, а с внутренней стороны жестко скреплен с одним концом цилиндрического стержня, проходящего через центральные отверстия в верхнем фланце тензометрического измерителя силы и неподвижной плите, при этом на другом конце стержня установлен отражатель для обеспечения бесконтактной связи с оптическим измерителем перемещений. (RU №2376567 G01N 3/00 от 20.12.2009).
Не умоляя достоинства предложенного технического решения, тем не менее оно выполнено с ограниченными функциональными возможностями и представлено в излишне сложном конструктивном исполнении.
Известно устройство для определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний, состоящее из двух вертикальных стоек, на которых с возможностью вертикального перемещения закреплен узел для выведения системы образец-груз из положения равновесия и сельсин-датчик, а также двух горизонтальных платформ, к верхней из которых на одной оси последовательно закреплены верхний зажим образца и через образец его нижний зажим, представляющий собой вертикальный стержень с площадкой для установки наборного груза, отличающееся тем, что на вертикальных стойках с возможностью вертикального перемещения дополнительно размещена подвижная горизонтальная платформа, имеющая отверстие, центр которого совпадает с продольной осью образца и зажимов, в котором также с возможностью вертикального перемещения расположен узел для выведения образца с грузом из положения равновесия, состоящий из электромагнита с сердечником, диаметр которого меньше диаметра отверстия, и на которой жестко закреплен еще один узел с роликовой системой, состоящей из трех пар роликов, расположенных под углом 120° относительно друг друга и обхватывающих нижний зажим, сечение которого представляет собой правильный шестигранник, по трем его боковым граням, а верхний зажим выполнен в виде консоли, на которой жестко закреплен тензодатчик, (№2249195, кл. G01N 3/00,от 27.03.2005).
Недостаток предложенного технического решения заключается в том, что оно излишне материалоемко и ограничено в использовании.
Известны приспособления для испытания и определения физических параметров оптического кабеля, используемого в оборудовании связи и устройствах, в состав которых входят кабели - как оптические волокна, так и электрические токопроводящие жилы. Для определения физических параметров оптического кабеля предусмотрены методы определения: - стойкость к растяжению, стойкость к истиранию, стойкость к раздавливанию, стойкость к удару, стойкость к изгибу, стойкость к осевому кручению, испытание на стойкость к перегибу, испытание на стойкость к рывку, испытание на стойкость к образованию петли, испытание на стойкость к статическому изгибу, методы определения передаточных и оптических характеристик, методы определения электрических характеристик, методы определения характеристик при воздействии внешних факторов, методы определения температурных циклов, методы определения химической стойкости, метод определения целостности оболочки, метод определения внешнего статического давления, метод определения водонепроницаемости. (ГОСТ Р МЭК 794-1-93, от 17.01.94).
Известный источник информации содержит ряд предписаний и требований, предъявляемых к оборудованию для проведения испытания и определения физических параметров оптического кабеля, в отдельности описаны различные методы испытания и предложено ряд конструктивных признаков для исполнения. Однако в данном случае это является сборным прототипом и не может служить ближайшим аналогом.
Наиболее близким техническим решением является установка дл испытания образцов на растяжение и сжатие, содержащая силовую раму, установленные в ней ходовые винты, траверсу, установленную с возможностью перемещения по ходовым винтам, захваты, размещенные с двух сторон траверсы, и обращенные к ним захваты, размещенные на силовой раме, при этом установка снабжена двумя механизмами подачи образцов в захваты, установленными по разные сторон от траверсы с возможностью перемещения вдоль оси захватов (SU №974205, кл. G01N 3/08,от 15.11.1982 г.).
Недостаток предложенного технического решения - ограниченные функциональные возможности.
Техническая задача предложенной нами полезной модели - обеспечение точности определения физических параметров, расширение функциональных возможностей и упрощение конструкции.
Техническая задача обеспечивается тем, что стенд для испытания и определения физических параметров оптического кабеля в контролируемых условиях, преимущественно при задаваемой деформации удлинения, и температуре, характеризуется тем, что он содержит устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле, устройство нагревания кабеля, опорную ферму с продольными направляющими, на которых установлены натяжное устройство кабеля, при этом устройство нагревания выполнено в виде объемлющего кабель температурного кожуха с системой поддержания заданной температуры, а натяжное устройство представлено в виде электродвигателя, редуктора, приводного реверсивного винта, а также неподвижного кронштейна с системой измерения линейного удлинения кабеля, и подвижной каретки с системой крепления кабеля и системой измерения силы его натяжения. Система поддержания заданной температуры снабжена вентилятором и теплогенератором. Устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле представлено в виде оптического рефлектометра.
Устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле представлено в виде измерителя обратного отражения. Устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле представлено в виде прибора для измерения вносимых потерь, состоящего из измерителя мощности и стабилизированного источника оптического излучения. Устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле представлено в виде оптического бриллюэновского рефлектометра. Испытуемый оптический кабель является распределенным сенсором, чувствительным по всей своей длине к температуре и/или деформации удлинения/сжатия.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 - изображена схема стенда, вид в плане; на фиг.2 - изображен стенд для испытания и определения физических параметров оптического кабеля, вид сбоку; на фиг.3 - изображен температурный кожух, вид сверху, на фиг.4 - то же, вид сбоку.
Стенд для испытания и определения физических параметров оптического кабеля в контролируемых условиях, преимущественно при задаваемых деформации удлинения и температуре содержит устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле 1, устройство нагревания кабеля 2, опорную ферму 3 с продольными направляющими 4, на которых установлено натяжное устройство кабеля 5, при этом устройство нагревания 2 выполнено в виде объемлющего кабель температурного кожуха 6 с системой поддержания заданной температуры 7, а натяжное устройство 5 представлено в виде электродвигателя 8, редуктора 9, приводного реверсивного винта 10, а также неподвижного кронштейна 11 с системой измерения линейного удлинения кабеля 12, и подвижной каретки 13 с системой крепления кабеля 14 и с системой измерения силы его натяжения 15. Система поддержания заданной температуры 7 снабжена вентилятором 16 и теплогенератором 17.Устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле может быть представлено в виде оптического рефлектометра 18. Устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле может быть представлено в виде измерителя обратного отражения 19.
Устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле может быть представлено в виде прибора для измерения вносимых потерь 20, состоящего из измерителя мощности и стабилизированного источника оптического излучения. Устройство измерения параметров оптического волокна в оптическом кабеле может быть представлено в виде оптического бриллюэновского рефлектометра 21. Испытуемый оптический кабель является распределенным сенсором, чувствительным по всей своей длине к температуре и/или деформации удлинения/сжатия.
Нагружение сенсора продольной растягивающей нагрузкой происходит при помощи натяжного устройства. Концы исследуемого сенсора при помощи установочных цанг крепятся к подвижной каретке 13 и неподвижному кронштейну 11. Подвижная каретка 13 расположена на подвижном суппорте, приводимом в движение с помощью ходового винта, конического редуктора и шагового электродвигателя. Подключение контроллеров управления шагового электродвигателя и управления температурой нагрева сенсора к компьютеру осуществляется через интерфейс RS-485 по протоколу Modbus.
Зависимость частотного сдвига вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ) от деформации оптического волокна и температуры может быть использована для создания распределенных датчиков физических параметров - температуры, деформации [1, 2]. Распределенные датчики физических параметров, использующих явление ВРМБ в оптическом волокне, находят применение в задачах мониторинга технического состояния трубопроводов [3], для зданий и сооружений [4], а также в геотехнических задачах мониторинга подвижек грунта [5]. Особенностью явления ВРМБ в оптическом волокне является одновременная зависимость сдвига частоты ВРМБ как от температуры, так и от деформации, поэтому для корректного применения таких датчиков, необходимо разделять сдвиг частоты ВРМБ, вызванный деформацией волокна, от сдвига, вызванного изменением температуры. Для задач измерения температуры применяются конструкции сенсорных кабелей, оптическое волокно в которых свободно уложено с избыточной длиной и не испытывает деформаций в процессе эксплуатации; тогда, можно утверждать, что измеренный сдвиг частоты ВРМБ вызван только воздействием температуры. В конструкциях сенсоров деформации исключить влияние температуры на волокно практически невозможно, однако, зная распределение температуры объекта и значение деформационного (МГц/%) и температурного коэффициентов (МГц/°C) сенсора деформации возможно определить вклад в измеряемый сдвиг ВРМБ именно воздействия деформации. Таким образом, характеризация сенсоров деформации - определение значений деформационного и температурного коэффициентов, а также разработка методик тестирования сенсоров и необходимого для этого оборудования, является важной задачей, которую необходимо решать при разработке новых сенсорных кабелей и паспортизации освоенных конструкций.
Измерение сдвига частоты ВРМБ при различных температурах в сбухтованном образце сенсора позволяет получить значение коэффициента, вклад в который вносит не только температура, но и температурное растяжение/сжатие конструктивных элементов и материалов оболочки сенсорного кабеля, приводящее к деформации чувствительного элемента сенсора - волокна. Нами предложена методика характеризации сенсоров деформации, позволяющая определять температурный и деформационный коэффициенты без взаимного влияния, исключая вклад температурного расширения/сжатия материалов оболочки кабеля. Методика заключается в том, что температурные и деформационные зависимости сдвига ВРМБ измеряются при фиксации удлинения сенсора или температуры соответственно. Кроме того, предложена методика определения температурной зависимости коэффициента упругости сенсорного кабеля.
В ЗАО «Лазер Солюшенс» для характеризации волоконных сенсоров реализован испытательный комплекс, включающий в себя анализатор ВРМБ DiTEST STA-R, термостатированный стенд растяжения, термокамеру.
На рисунке 1 представлены зависимости сдвига частоты ВРМБ от температуры образца деформационного сенсора: рисунок 1а - измерение сдвига частоты в свободно уложенном сенсоре (измерение в термокамере), рисунок 2а - измерение сдвига в сенсоре с приложенной растягивающей нагрузкой (измерение на термостатированном стенде растяжения) при фиксированных значениях длины, соответствующих относительному удлинению 0,2% и 0,4% при фиксированной температуре 20°C. В температурном диапазоне измерений зависимость сдвига частоты ВРМБ от температуры в данном сенсоре имеет линейный характер. В результате измерений получены следующие величины: коэффициент для свободно уложенного сенсора 2,49±0.01 МГц/°C, сенсор растянутый до относительного удлинения 0,2% имеет коэффициент 1,31±0.02 МГц/°C, сенсор растянутый до относительного удлинения 0,4% имеет коэффициент 1,25±0.01 МГц/°C. Очевидно, что вклад линейного расширения материала оболочки существенный, не учитывать который при характеризации сенсоров недопустимо.
На рисунке 2 представлена зависимость сопротивления сенсора растягивающей нагрузке при фиксированных величинах относительного удлинения сенсора. При нагреве на 50°C сила сопротивления растягивающей нагрузке испытываемого сенсора падает более чем на 10 кгс; это величина связана с расширением материала оболочки сенсора и снижением ее жесткости.
Испытательный комплекс также позволяет измерять деформационный коэффициент сенсора при различных температурах. На рисунке 3 представлена зависимость деформационного коэффициента при статических температурах 25°C и 75°C.
Величина измеренного деформационного коэффициента исследованного сенсора составила 463±3 МГц/oC при температуре сенсора 25oC, и 457±4 МГц/oC при температуре сенсора 75oC.
Таким образом, предложенная методика характеризации сенсоров позволяет независимо определять отклик сдвига частоты ВРМБ в деформационных волоконно-оптических сенсорах на воздействие температуры и деформации. Показано, что при измерении температурного коэффициента в свободно лежащем сенсоре вклад температурного расширения материала оболочки может быть существенным. Испытательный комплекс позволяет производить как измерение параметров ВРМБ, так и упругих характеристик сенсорных оптических кабелей в широком температурном диапазоне.