ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к оптическим датчикам для изменения деформации твердых тел.
Уровень техники.
Известен оптический датчик определения напряжений, возникающих при деформации, раскрытый в SU1739219, который содержит корпус, имеющий возможность изменения линейных размеров, источник и приемник света, два зеркала, помещенные под углом 90° друг к другу в оптически прозрачное вещество. Этот датчик позволяет измерять лишь одну из компонент линейных деформаций - сжатие, обладая при этом сложной конструкцией, требующей повышенной точности изготовления. Вместе с тем в реальных условиях, элементы строительных конструкций подвергаются, как правило, длительным деформациям сложного характера, включающим одновременно с продольно-поперечными также и деформации кручения и изгиба.
Сведения, раскрывающие сущность полезной модели
Для получения максимально адекватной картины напряженно-деформированного состояния объекта, не искаженного возмущениями, обусловленными присутствием самих измерительных элементов, целесообразно осуществлять контроль состояния объекта с помощью минимально возможного количества средств, но обеспечивающих надежный контроль необходимого набора параметров объекта, т.е. предпочтительно применение многопараметрических сенсорных элементов.
Основой для создания многопараметрических сенсорных элементов coгласно изобретению является оптический датчик деформации кручения. Другими целями данного изобретения является расширение функциональных возможностей датчика деформаций посредством обеспечения возможности одновременного измерения
продольно-поперечных и/или вертикальных деформаций (деформаций сжатия-растяжения), деформаций кручения и/или изгиба вместе с упрощением изготовления устройства и повышении надежности датчика.
Преимущества данной полезной модели обеспечиваются тем, что к корпусу оптического датчика, имеющему возможность упругого скручивания, проложен, по меньшей мере, один световод для подвода света от источника света широкого спектра или, по меньшей мере, от одного источника света узкого участка спектра, к корпусу и отвода света от корпуса к устройству приема и обработки оптического сигнала. При этом имеется средство поляризации света, расположенное в корпусе и/или вне корпуса, и расположенные в корпусе: по меньшей мере, один конец световода, образующий, по меньшей мере, один излучатель света, подведенного к корпусу, и, по меньшей мере, один приемник света для отвода света от корпуса, за которыми последовательно расположены: поляризатор, плоскость поляризации которого ориентирована под углом к плоскости поляризации света, и неподвижно связанный с корпусом, и зеркало, при этом устройство приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку света, отраженного от зеркала, и измерение деформации кручения.
Между концом световода и поляризатором расположен селективный отражатель света, неподвижно связанный с корпусом, и обеспечивающий отражение второго участка широкого спектра света или второго участка cпектра света от второго источника света узкого диапазона, отличающихся от первого участка широкого спектра света или от первого участка первого источника света узкого диапазона, отраженного зеркалом.
Корпус датчика имеет возможность изменения линейных размеров при упругом сжатии-растяжении, при этом устройство приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку первого участка спектра света, отраженного от зеркала, и измерение деформации кручения, а также обеспечивает обработку второго участка спектра света, отраженного от селективного отражателя, для измерения деформации сжатия-растяжения.
Излучателем и приемником света может являться один конец световода. Излучателем света может являться по меньшей мере один конец световода и
приемником света является по меньшей мере один другой конец световода, расположенные в корпусе.
Зеркало может быть расположено на поверхности поляризатора. Селективный отражатель света может быть расположен на поверхности поляризатора. Селективный отражатель света и зеркало могут быть расположена на противоположных поверхностях поляризатора с образованием единого сенсорного элемента датчика.
По меньшей мере одна часть корпуса может иметь круглое сечение. По меньшей мере одна часть корпуса может иметь сечение отличное от круглого. Корпус может иметь по меньшей мере один выступ. По меньшей мере один выступ может быть расположен на по меньшей мере одном конце корпуса или торце корпуса. Выступы могут быть расположены на концах корпуса с равномерными промежутками между собой. Поверхности выступа или выступов могут быть расположены на концах корпуса приблизительно в плоскости, проходящей через продольную ось симметрии датчика.
Расположенное вне корпуса средство поляризации света и источник света, может являться источником линейно поляризованного света, направляемого в световод, конец которого расположен в корпусе. Источник линейно поляризованного света может являться лазером или светодиодом, излучающим линейно поляризованный свет. Расположенное вне корпуса средство поляризации света может являться поляризующим элементом, преобразующим свет в линейно поляризованный свет, направляемый в световод, конец которого расположен в корпусе. Расположенное в корпусе средство поляризации света может воспринимать свет от излучателя света в виде конца световода и быть расположенным между концом световода и поляризатором. Также расположенное в корпусе средство поляризации света может воспринимать свет от излучателя света в виде конца световода и быть расположенным между концом световода и селективным отражателем света. При этом средство поляризации света может являться отрезком световода или поляризующей пластиной. Расположенное в корпусе и вне корпуса средство поляризации света может являться световодом, подводящим свет в корпус от источника света. Этот световод может иметь сильное
двулучепреломление, обеспечивающее распространение только поляризованного света.
Коллимирующая линза может быть расположена между концом световода и поляризатором. Также коллимирующая линза может быть расположена между концом световода и селективным отражателем света. Поляризатор может являться коллимирующей линзой. Коллимирующая линза может быть расположена или выполнена на конце световода.
Конец световода, находящийся в корпусе, может иметь концевой селективный отражатель света, обеспечивающий образование компенсационного канала, посредством отражения обратно в световод второго участка широкого спектра света или второго участка спектра света от второго источника света узкого диапазона, отличающихся от первого участка широкого спектра света или от первого участка первого источника света узкого диапазона, отраженного зеркалом, при этом устройство приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку второго участка спектра света, отраженного от концевого селективного отражателя, и осуществление необходимой коррекции.
В свою очередь жестко связанный с корпусом селективный отражатель света также может обеспечивать образование компенсационного канала посредством отражения второго участка спектра света, при этом устройство приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку второго участка спектра света, отраженного от селективного отражателя, и необходимую коррекцию.
Конец световода, находящийся в корпусе, может иметь концевой селективный отражатель света, обеспечивающий образование компенсационного канала, посредством отражения обратно в световод третьего участка широкого спектра света или третьего участка спектра света от третьего источника света узкого диапазона, отличающегося от первого участка спектра света, отраженного зеркалом, и от второго участка спектра света, отраженного от селективного отражателя, при этом устройство приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку третьего участка спектра света, отраженного от концевого селективного отражателя, и осуществление необходимой коррекции.
Селективный отражатель света может иметь возможность изменения коэффициента отражения при изменении температуры, при этом устройство
приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку второго участка спектра света, отраженного от селективного отражателя, и измерение температуры.
Селективный отражатель света может иметь возможность изменения коэффициента отражения при изменении температуры посредством отражения третьего участка широкого спектра света или третьего участка спектра света от третьего источника света узкого диапазона, отличающегося от первого участка спектра света, отраженного зеркалом, и от второго участка спектра света, отраженного от селективного отражателя, при этом устройство приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку третьего участка спектра света, отраженного от селективного отражателя, и измерение температуры.
Концевой селективный отражатель света или селективный отражатель света может иметь возможность изменения коэффициента отражения при изменении температуры посредством отражения четвертого участка широкого спектра света или четвертого участка спектра света от четвертого источника света узкого диапазона, отличающегося от первого участка спектра света, отраженного зеркалом, и от второго участка спектра света, отраженного от селективного отражателя, обеспечивающего измерение деформации сжатия-растяжения, и от третьего участка спектра света, обеспечивающего возможность необходимой коррекции, при этом устройство приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку четвертого участка спектра света, отраженного от селективного отражателя, и измерение температуры.
Селективный отражатель света может иметь два тонкопленочных покрытия, одно из которых обеспечивает отражение третьего участка спектра света с возможностью изменения коэффициента отражения при изменении температуры.
Концевой селективный отражатель света или селективный отражатель света может иметь два тонкопленочных покрытия, одно из которых обеспечивает отражение четвертого участка спектра света с возможностью изменения коэффициента отражения при изменении температуры.
Возможно применение дополнительного световода для подвода и отвода света к корпусу/от корпуса и компенсационного зеркало, расположенного в корпусе для образования компенсационного канала, при этом устройство приема и
обработки оптического сигнала обеспечивает обработку света, отраженного от компенсационного зеркала, и осуществление необходимой коррекции.
Источником света могут являться лампа или светодиод, излучающий в широком диапазоне.
Источником по меньшей мере одного узкого участка спектра света может являться, по меньшей мере, один светодиод или лампа или лазер.
Источником света, в том числе линейно поляризованного, может являться многодиапазонный лазер, излучающий по меньшей мере в двух узких диапазонах.
Поляризатор, плоскость поляризации которого ориентирована под углом по отношению к поляризованному свету, является может быть отрезком световода.
Поляризатор, плоскость поляризации, которого ориентирована под углом по отношению к поляризованному свету, может иметь угол поворота ψ=arcsin¼ к плоскости поляризации света.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 изображена схема средства измерения.
На фиг.2 изображены схема и конструкция сенсорного элемента.
На фиг.3 изображен датчик
На фиг.4 изображены спектральные характеристики источника света и оптических элементов, горизонтальная ось соответствует длине волны света λ
а) спектр излучения источника света широкого диапазона, вертикальная ось показывает интенсивность света I
б) спектральная зависимость коэффициента отражения тонкопленочного покрытия, образующего концевой селективный отражатель света 7,
в), г) спектральная зависимость коэффициентов отражения и пропускания тонкопленочного покрытия, образующего селективный отражатель света 9,
д) спектральная зависимость коэффициента отражения зеркала 11.
Осуществление полезной модели.
Схема предлагаемого оптического датчика представлена на фиг.1. Устройство содержит источник широкополосного оптического излучения (1),
излучение которого с помощью волоконно-оптического разветвителя (2) и световода (3) направляется на сенсорный элемент (4), далее, отраженное от сенсорного элемента (4) излучение поступает в фотоприемное устройство (5), связанное с блоком обработки сигналов и индикации результатов измерений (6).
Схема и конструкция сенсорного элемента показаны на фиг.2, 4. Оптическая схема сенсорного элемента, являющегося датчиком (4) средства определения напряжений, включает участок волоконного световода (3) с тонкопленочным оптическим диэлектрическим покрытием, являющимся селективным отражателем (7) света и сформированным на торце световода; поляризатор (8); второе тонкопленочиое покрытие (9), обеспечивающее селективное отражение света и сформированное на передней поверхности второго поляризатора (10); глухое зеркало (11), сформированное на задней поверхности пластинки поляризатора (10). В исходном, недеформированном состоянии датчика (4) оси пропускания поляризаторов ориентированы под углом ψ=arcsin¼ друг к другу, при этом в условиях деформации кручения указанный угол составляет ψ+α, где α - угол поворота.
Функцию поляризаторов (8, 10) могут выполнять отрезки волоконных световодов с сильным двулучепреломлением.
Спектральные характеристики источника света и оптических элементов схемы приведены на фиг.3. В предлагаемом устройстве возможность одновременного измерения по меньшей мере двух видов деформаций осуществляется благодаря спектральному разделению измерительных каналов при котором одна часть спектра излучения служит для формирования канала измерения продольных деформаций, а другая часть спектра - для контроля деформации кручения (а также для контроля деформации изгиба). Устройство функционирует следующим образом. Оптическое излучение от источника света (1) со стабильными спектральными характеристиками с помощью волоконно-оптического разветвителя (2) и оптоволоконного кабеля (3) направляется к сенсорному элементу (4).
При этом одна часть оптического излучения, соответствующая спектральному диапазону I полностью отражается обратно в световод от оптического покрытия (7), сформированного на торцевой поверхности световода (3), и поступает в фотоприемное устройство. Этот сигнал, пропорциональный
коэффициенту пропускания К всей волоконно-оптической схемы средства определения напряжений за исключением датчика (4) учитывает влияние различных источников дополнительных потерь в оптической схеме обусловленных, например, изгибами световодов, процессами старения, влияния климатических условий и т.д. и служит для коррекции результатов измерений. Излучение, выходящее из волоконного световода, после прохождения через поляризатор (8) превращается в линейно поляризованный пучок, одна часть которого (лучи 12, 12′) после отражения от тонкопленочным покрытия, являющегося селективным отражателем (9), на передней поверхности поляризатора (10) и последующего повторного прохождения через поляризатор (8) возвращается обратно в световод. Другая часть пучка (лучи 13, 13′) поступает в поляризатор (10), ось которого ориентирована под углом ψ=arcsin¼ по отношению к оси поляризатора (8) (при этом в условиях деформации кручения ориентирована под углом ψ=arcsin¼+α и после отражения от заднего зеркала (11) проходит в обратном направлении последовательно через поляризаторы (10) и (8), а затем принимается световодом.
I,II,III
I
0
I
II,III
2,3
II,III
0
1,3
Таким образом, лучи 12, 12′ формируются за счет спектрального участка II, а лучи 13, 13′ - частью III спектрального диапазона источника света. Фотоприемное устройство (5) позволяет одновременно измерять интенсивность излучения I соответствующего каждому из указанных участков спектра, при этом I=IK·r, аналогично, интенсивности I пропорциональны эффективным коэффициентам отражения R для лучей типа (12, 12′) и (13, 13′) соответственно: I=I·K·R.
2
Эффективное значение коэффициента отражения R для лучей типа (12, 12′) является функцией расстояния z и определяется формулой, приведенной в [1].
3
Для лучей (13, 13′) эффективный коэффициент отражения R зависит, кроме расстояния z′ также от угла кручения а в соответствии с формулой Маллюса:
3
3
4
(1) R(z′,α)=R(z′)·cos(ψ+α)
I,II,III
С помощью блока (6) обработки сигналов определяется отношение сигналов I в соответствии с формулами:
II
I
III
I
(2) p(z)=I/I; q(z′,α)=I/I
Благодаря этому результаты p(z) и q(z′,α) не зависят от влияния различных дестабилизирующих факторов на измерительное устройство (нестабильность
интенсивности источника света, коэффициента пропускания оптоволоконной схемы). По результатам измерений (p, q) находим измеряемые величины z и α в виде функций: z=f(p), α=g(p,q).
Целесообразно снабдить датчик измерения деформаций возможностью измерения температуры, что позволит обеспечить комплексный мониторинг условий деформации конструкции. Для этого селективный отражатель следует снабдить дополнительным тонкопленочным покрытием, обеспечивающим коэффициент отражения отдельного участка спектра, в зависимости от окружающей температуры.
По поводу частных случаев выполнения можно отметить, что корпус датчика при мелкосерийном производстве может быть изготовлен из металла на токарном станке с последующей фрезеровкой выступов, или при крупносерийном производстве из трубчатых заготовок с последующей выштамповкой выступов.
Благодаря сцеплению корпуса датчика с бетоном обеспечивается возможность его скручивания. Однако для повышения точности измерения деформаций скручивания, предпочтительно выполнение корпуса с выступам и на противоположных концах корпуса. Поверхности таких выступов следует располагать в плоскости, приблизительно проходящей через центральную продольную ось симметрии датчика.
В зависимости от технологического оснащения производства и требований к средству измерения деформации источник света может быть светодиодом, излучающим в широком диапазоне с последующей поляризацией посредством поляризующего элемента (пластины или отрезка световода), или посредством поляризующего световода.
Поляризующий элемент (пластина или отрезок световода) может быть установлен как в корпусе после световода, так и вне корпуса перед световодом.
Широкополосные излучатели (светодиод или лампа) могут излучать свет в поляризующий световод.
Может быть целесообразным (например, по экономическим причинам или по причинам обеспечения надежности) применение узкополосных излучателей - в том числе светодиодов или лазеров. В случае применения узкополосных диодов - установка поляризационных элементов остается такой же, как показано выше. В
случае применения лазеров, излучающих как правило в узком диапазоне, предпочтительно применение многодиапазонного лазера, имеющего два диапазона излучения для тех случаев когда возможен отказ от компенсационного канала, или имеющего три диапазона излучения в предпочтительном выполнение датчика с компенсационным каналов. Соответственно для датчика снабженного термочувствительным селективным отражателем может потребоваться применение двух-, трех- или четырехдиапазонного лазера.
В случае применения лазера в качестве источника света, целесообразно выбрать лазер, излучающий поляризованный свет, вместо установки элемента, поляризующего свет. Предпочтительно использование эффективных светодиодов, поляризующих свет (до 80% от общего излучения - ЕР1577700).