ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК И СПОСОБ ЕГО ФОРМОВАНИЯ НА ИССЛЕДУЕМОМ ОБЪЕКТЕ
FIBER-OPTIC SENSOR AND METHOD OF ITS MOLDING ON ANALYZED OBJECT

Изобретение относится к области установки датчиков, таких, как волоконно-оптические датчики (ВОД), деформации/температуры и/или волоконно-оптические датчики акустической эмиссии при создании сетей первичных преобразователей ВОД, на поверхности контролируемых деталей, и используется в системах, предназначенных для мониторинга текущего напряженно-деформированного и технического состояния, а также ресурса авиационных конструкций, для чего необходимо отслеживать текущее состояние с помощью встроенных ВОД деформации, вибрации и акустической эмиссии. В качестве чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков используются волоконные брэгговские решетки (ВБР) или массивы ВБР, датчики на основе интерферометров Фабри-Перо, Майкельсона, Саньяка, Маха-Цендера и др. Интерферометры выполняются внутри волокна с использованием внутриволоконных зеркал ВБР или металлических пленок, напыленных на торцах волокон или и с применением капилляров внутри которых соосно располагаются оптические волокна на расстоянии друг от друга, формирующие резонатор на торцах волокон.
Известны методы установки и защиты мест установки датчиков на поверхности конструкций с помощью защитных кожухов из металла или пластмассы (патент Китая №CN 104743135).
Известное решение описывает метод защиты датчика деформаций. Для защиты датчика деформации на место приклейки датчика устанавливается защитный кожух. Корпус защитного кожуха фиксируется с помощью клейкой ленты, затем одна сторона клейкой ленты вскрывается, на края кожуха наносится клей, и защитных кожух приклеивается на поверхность исследуемого объекта. Наконец, внутренняя часть защитного кожуха покрывается с помощью защитного средства, клейкая лента удаляется. Благодаря такому методу, датчик деформации, приклеенный к поверхности конструкции, защищен от таких факторов, как механические повреждения, намокание, затекание маслом.
Недостатком данного метода является значительное увеличение габаритов конструкции на высоту защитного кожуха и сложность установки защитного кожуха на конструкции с криволинейной поверхностью.
Также известен метод установки и защиты места установки тензорезисторного датчика деформации с помощью защитной структуры, состоящей из клейкой ленты, абсорбирующей хлопчатобумажной ткани, медицинской прочной ткани и слоя герметика (патент Китая №CN 202057291). На одну поверхность отреза абсорбирующей хлопчатобумажной ткани наклеивается клейкая лента, на другую - медицинская ткань. Поверхность медицинской ткани покрывается слоем герметика. Площадь клейкой ленты равна площади абсорбирующего хлопчатобумажного слоя, площадь медицинской ткани немного больше площади абсорбирующего хлопчатобумажного слоя. Полученная структура приклеивается на место установки датчика поверхностью с клейкой лентой.
Недостатком данного метода является сложность конструкции защитной структуры и невозможность точного повторения конструкции защитной структуры, что может привести к снижению точности измерений датчика.
Наиболее близким по технической сущности, назначению и принятым за прототип является техническое решение по приклейке волоконно-оптических датчиков (патент США №US 2013034324A1). Устройство содержит подложку, которая деформируется под действием вешних воздействий, волоконно-оптический датчик, включающий как минимум один чувствительный элемент и защитное покрытие, окружающее волоконно-оптический датчик, защитное покрытие выполнено из полиимидного материала, и клей, предназначенный для удерживания волоконно-оптического датчика на подложке, клей также выполнен из полиимидного материала.
Недостатком данного решения является наличие подложки, через которую чувствительный элемент волоконно-оптического датчика крепится на поверхности конструкции, которая понижает чувствительность датчика.
Задачей изобретения является повышение точности измерений датчика.
Поставленная задача решается тем, что волоконно-оптический датчик состоит из оптоволоконного чувствительного элемента, расположенного внутри оптического волокна с акрилатным покрытием, отвержденной клеевой подложки из высокотемпературного влагостойкого эпоксидного клея, армированного буферного покрытия, а также элемента для крепления армированного буферного покрытия, выполненного из того же материала, что и указанная отвержденная клеевая подложка, при этом оптоволоконный чувствительный элемент выполнен в виде записанной в оптическом волокне волоконной брэгговской решетки или изготовленного из напыленных на торцах волокон зеркал внутриволоконного интерферометра Фабри-Перо, а отвержденная клеевая подложка сформирована с помощью силиконовой оснастки, устанавливаемой в процессе изготовления волоконно-оптического датчика на поверхности исследуемого объекта и служащей для заливки эпоксидного клея.
Поставленная задача решается также тем, что способ изготовления волоконно-оптического датчика включает покрытие оптического волокна с оптоволоконным чувствительным элементом армированным буферным покрытием и дальнейшее его позиционирование в силиконовой оснастке, затем силиконовую оснастку закрепляют на поверхности исследуемого объекта с помощью клейкой ленты, через отверстия в силиконовой оснастке вводят эпоксидный клей до полного заполнения полостей в силиконовой оснастке и выдерживают заготовку волоконно-оптического датчика до полного отверждения эпоксидного клея, после чего силиконовую оснастку удаляют с поверхности исследуемого объекта.
По сравнению с прототипом новые решения имеют ряд преимуществ:
- Чувствительный элемент датчика приклеивается непосредственно к поверхности исследуемого объекта, что повышает точность измерений;
- Конструкция волоконно-оптического датчика содержит армированное буферное покрытие для защиты оптического волокна, выходящего из корпуса датчика.
Изобретение поясняется иллюстрациями, на фиг. 1 показан волоконно-оптический датчик на поверхности детали, на фиг. 2 показана силиконовая оснастка для изготовления волоконно-оптического датчика, а на фиг. 3 показан процесс изготовления волоконно-оптического датчика на поверхности исследуемого объекта (силиконовая оснастка установлена на поверхности детали).
Волоконно-оптический датчик состоит из оптоволоконного чувствительного элемента 1, расположенного внутри оптического волокна- 2 с акрилатным покрытием, отвержденной клеевой подложки из высокотемпературного влагостойкого эпоксидного клея 3, армированного буферного покрытия 4, а также элемента для крепления 6 армированного буферного покрытия, выполненного из того же клея.
Оптоволоконный чувствительный элемент 1 выполняется в виде записанных в оптическом волокне волоконных брэгговских решеток (ВБР) или интерферометров Фабри-Перо, Майкельсона, Саньяка, Маха-Цендера и др. и служит для измерения деформаций, вибраций или фиксации сигналов акустической эмиссии в исследуемом объекте 5.
Оптическое волокно 2 с акрилатным покрытием служит для передачи оптических сигналов от чувствительного элемента 1 в регистрирующее оборудование.
Клеевая подложка из влагостойкого эпоксидного клея 3 служит для крепления и защиты чувствительного элемента 1, оптического волокна 2 на поверхности исследуемого объекта 5. Клеевая подложка формируется с помощью специальной силиконовой оснастки, устанавливаемой в процессе изготовления датчика на поверхности детали и служащей для заливки эпоксидного клея (см. фиг. 2).
Армированное буферное покрытие 4 служит для защиты оптического волокна 2, выходящего из волоконно-оптического датчика и подключаемого к регистрирующему оборудованию.
Элемент для крепления 6 армированного буферного покрытия выполнен из того же материала, что и клеевая подложка из влагостойкого эпоксидного клея 3, и служит для крепления армированного буферного покрытия, защищающего оптическое волокно, к поверхности исследуемого объекта 5.
Способ изготовления волоконно-оптического датчика (см. фиг. 2, 3) заключается в следующем:
1. На оптическое волокно 2 надевается армированное буферное покрытие 4.
2. Оптическое волокно 2 с чувствительным элементом 1 и армированным буферным покрытием 4 позиционируется в силиконовой оснастке 7 (см. фиг. 2).
3. Силиконовая оснастка 7 с оптическим волокном 2 с чувствительным элементом 1 и армированным буферным покрытием 4 закрепляется на поверхности исследуемого объекта 5 с помощью клейкой ленты (см. фиг. 3). На фиг. 2 на переднем плане показана сторона, прилегающая к поверхности исследуемого объекта 5.
4. Через отверстия 8 в силиконовой оснастке 7 вводится эпоксидный клей до полного заполнения полостей в силиконовой оснастке 7.
5. Деталь выдерживается до полного отверждения эпоксидного клея.
6. После отверждения эпоксидного клея силиконовая оснастка 7 удаляется с поверхности исследуемого объекта 5.
Преимущества технического решения:
- Чувствительный элемент датчика 1 приклеивается непосредственно к поверхности исследуемого объекта 5, что повышает точность измерений;
- Клеевая подложка 3 одновременно предназначена для крепления чувствительного элемента на поверхности исследуемого объекта и для защиты чувствительного элемента 1 волоконно-оптического датчика;
- Клеевая подложка 3 изготавливается из влагостойкого эпоксидного клея;
- Конструкция волоконно-оптического датчика содержит армированное буферное покрытие 5 для защиты оптического волокна 2, выходящего из корпуса датчика;
- Изготовление, крепление и защита волоконно-оптического датчика на поверхности исследуемого объекта 5 производится за одну технологическую операцию;
- Конструкция волоконно-оптического датчика содержит элементы для крепления армированного буферного покрытия 4 к поверхности исследуемого объекта 5.