Волоконно-оптический датчик вибрации отражательного типа

Предложенная полезная модель относится к сфере промышленных измерений вибрации с целью мониторинга и диагностики технического состояния роторных машин с возможностью применения в присутствии горючих или взрывоопасных газов и жидкостей.
Волоконно-оптический датчик вибрации отражательного типа содержит корпус, выполненный из двух частей основания и крышки, уложенной на основание и герметично закрепленной. Материал корпуса подбирается под требования эксплуатации. На основании датчика расположены два паза, в котором через отверстие в задней стенке уложено светопроводящее волокно, направленное на отражающую пластину, закрепленную на передней стенке корпуса, таким образом, что сердцевина светопроводящего волокна направлена на раздел сред отражающей поверхности, во втором пазу расположено направляющее волокно для формирования упругого элемента. Упругий элемент, выполненный в виде пары волокон, обеспечивает чувствительность датчика только к одной оси. В качестве упругого элемента используется кварцевое волокно, благодаря чему отпадает необходимость в специальных упругих элементах. Датчик крепиться при помощи резьбового соединения к объекту измерения. Отражающая поверхность, выполненная в виде границы раздела сред полосы поглощения и отражения, изготовленная путем пропила под прямым углом пластины с отражающем покрытием. Благодаря структуре отражающей поверхности датчик вибрации обладает чувствительностью преимущественно к одной оси, а настройка на раздел сред делает более чувствительным к малым вибросмещениям.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и производства с сохранением технических характеристик. Расширение арсенала измерительных устройств.
Область техники
Настоящая полезная модель относится к сфере промышленных измерений вибрации с целью мониторинга и диагностики технического состояния роторных машин, а также анализа вибрационного поведения конструкций. В частности, полезная модель относится к оптоволоконным датчикам, предназначенным для контроля вибрации машин также и в условиях возможного присутствия горючих или взрывоопасных газов и жидкостей.
Предшествующий уровень техники
Известен волоконно-оптический преобразователь физических величин, который может быть использовано в качестве чувствительного элемента в гравиметрах, сейсмоприемниках, а также в акселерометрах, вибропреобразователях. Чувствительный элемент включает инерционную массу, закрепленную на световодах, образующих упругий элемент, по крайней мере одну оптически сопряженную пару из передающего и приемного волоконных световодов, один из которых входит в состав упругого элемента. Световоды упругого элемента могут представлять собой плоскую или объемную фигуру (патент РФ 2164339. 2000 г. Бюл. №27). При воздействии измеряемого ускорения на инерционную массу происходит смещение торца, передающего световода относительно торца, принимающего световода, вызывающее модуляцию проходящей оптической мощности.
Основным недостатком известного устройства является сложность юстировки двух волокон относительно друг друга. Данная конструкция не способна воспринимать и отражать высокие амплитуды и удары, также такая конструкция и технология сложна в изготовлении.
Известен волоконно-оптический преобразователь вибрации применимый для решения задачи виброконтроля в условиях вибрационных нагрузок больших электрических машин. Волоконно-оптический преобразователь вибрации содержит несущее основание, элемент вибрации, оптические световоды, относительно торцов которых на расстоянии сформирована отражающая поверхность, каждый из оптических световодов выполняет одновременно функцию подвода и отвода светового потока, несущее основание из пластины монокристалла изготовлено за одно целое с элементом вибрации, сверху и снизу несущего основания закреплены световоды, оси которых перпендикулярны отражающей поверхности, причем продолжения осей указанных световодов пересекают ее верхнюю и нижнюю границы (патент РФ 2537474, 2015 г, Бюл. №1).
Недостатками известного устройства являются уязвимость к термическому воздействию, не указаны изменения жесткостных характеристик при изменении температур, а также усталости материала. Ввиду того что в данной конструкции в качестве упругого элемента используется не само волокно накладываются определенные ограничения и требования к материалу, что усложняет и увеличивает стоимость такой конструкции.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является волоконно-оптический чувствительный элемент (Патент US 008995798, 2014 г). Изобретение основано на обратном отражении луча от поверхности с участками различного коэффициента отражения и прохождении этого луча в волокно. При возникновении вибрации торец волокна начинает совершать колебания, вследствие чего отклоняется от первоначального положения. При пересечении границы участка интенсивность отраженного луча изменяется и, попадая обратно в волновод, детектируется фотоприемником.
К недостаткам известного устройства можно отнести то, что отклонение волокна в направлении поперечном измерению никак не ограничено, что делает датчик чувствительным к поперечным колебаниям. Такую конструкцию сложно назвать простой в изготовлении, хоть она и выполняется путем вытравливания, создание аттенюаторных зон строго регламентируется углом в 70 градусов, что делает такую конструкцию весьма требовательной. Данное устройство принято за прототип.
Известное устройство позволяет производить волоконно-оптические датчики, в частности датчики вибрации, на которые практически не влияют очень сильные электромагнитные поля, которые могут работать в условиях высоких температур.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются использование волокна в качестве упругого элемента, а также наличие отражательного элемента. Соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения и чувствительный элемент, выполненный в виде торца волоконного световода и отражающего элемента, размещенного в корпусе устройства, и фотоприемник, входящий в блок обработки информации.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является расширение арсенала технических средств регистрации вибраций, позволяющих производить непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта при отсутствии необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства.
Поставленная задача была решена за счет того, что в предложенном волоконно-оптическом датчике вибрации отражательного типа, разработана конструкция отражательного элемента, выполненного в виде границы раздела сред полосы поглощения с коэффициентом отражения k1 и отражения с коэффициент отражения k2>k1. Разработан упругий элемент в виде пары волокон, обеспечивающий чувствительность датчика только к одной оси. Разработана конфигурация одноосного и двухосевого волоконно-оптического датчика отражательного типа. Предложена юстировка торца волокна в чувствительной части датчика на раздел сред периодического отражающего элемента, предложенная юстировка увеличивает чувствительность датчика и сохраняет амплитудно-частотные характеристики.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - упругий элемент, выполненный в виде пары волокон обеспечивающий чувствительность датчика только к одной оси; отражающая поверхность, выполненная в виде границы раздела сред полосы поглощения и отражения, закрепленной на основании корпуса устройства; конструкция одноосного и двухосевого волоконно-оптического датчика отражательного типа;
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют упростить конструкцию отражательной поверхности без потери чувствительности путем юстировки на раздел сред отражательного элемента. Упругий элемента позволяет реализовать одноосный и двухосный датчик отражательного типа. Производить непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта при отсутствии необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства. Расширяется арсенал технических средств регистрации вибраций.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.
На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического устройства.
На фиг. 2 представлена конструкция одноосного волоконно-оптического датчика вибрации отражательного типа.
На фиг. 3 представлена юстировка торца волокна на отражающую пластину одноосного датчика.
На фиг. 4 приведен сигнал, регистрируемый с датчика, при вибрации 100 Гц.
На фиг. 5 представлен вариант двухосного волоконно-оптического датчика вибрации отражательного тип.
Волоконно-оптическое устройство (фиг.1) содержит источник электромагнитного излучения - лазер 1, у-разветвитель 2, волоконно-оптический одноосный датчик вибрации отражательного типа 3, фотоприемник 4, входящий в блок обработки информации (персональный компьютер ПК). Датчик вибрации 3 при помощи волоконного световода через у-разветвитель 2 подключен к источнику электромагнитного излучения 1 и фотоприемнику 4. В заявленной конструкции регистрация сигнала, возможна с использованием как когерентного, так и некогерентного источника излучения.
Волоконно-оптический одноосный датчик вибрации (фиг. 2) содержит корпус, выполненный из двух частей основания (10) и крышки (7), уложенной на основание и герметично закрепленной. Материал корпуса подбирается под требования эксплуатации. На основании датчика расположены два паза (9), в котором через отверстие (6) в задней стенке уложено светопроводящее волокно (5), направленное на отражающую пластину (11), закрепленную на передней стенке корпуса, таким образом, что сердцевина светопроводящего волокна направлена на раздел сред (фиг. 3) отражающей поверхности. Во втором пазу расположено направляющее волокно (13) для формирования упругого элемента. Датчик крепится при помощи отверстия с нарезанной резьбой (8) к объекту измерения.
Упругий элемент в датчике выполнен из двух кварцевых волокон, которые уложены в пазы (9) на основании (10) датчика. Одно волокно светопроводящее (5) используется для передачи и приема сигнала, второе волокно направляющее (13) уложено в корпусе параллельно светопроводящему волокну в той же плоскости. Волокна закреплены между собой сейсмической массой (12) на конце свободной части волокон. Использование пары волокон решает проблему жесткости в плоскости перпендикулярной плоскости измерений, что делает датчик чувствительным только к одной оси.
В предлагаемом решении в качестве упругого элемента используются кварцевые волокна, являющиеся достаточно надежным материалом - однородным, упругим со стекловидной структурой, благодаря чему отпадает необходимость в специальных упругих элементах. В качестве волоконного световода может быть использован одномодовый или многомодовый волоконный световод.
Отражающий элемент (11) выполнен в виде двух полос, полоса аттенюации с коэффициентом отражения k1(15) и полоса с отражающим покрытием с коэффициентом отражения k2>k1 (14). Структура изготавливается путем пропила под прямым углом пластины (11), покрытой отражающим напылением.
Стоит отметить, что в представленной конструкции присутствует возможность варьирования рабочего диапазона на этапе сборки, изменяя длину свободного конца волокна и сейсмическую массу, значения резонансных частот были просчитаны математической моделью.
Устройство работает следующим образом, излучение от источника 1 по волокну 5, устойчивому к изгибам, направляется к датчику вибрации 3 (фиг.1, 2). При воздействии вибрации свободный конец волокна совершает колебания, в результате чего отклоняется от положения равновесия, излучение из торца волокна, смещаясь на светоотражающую или аттениирующую поверхность, модулирует сигнал. Модулированное излучение, отражаясь от поверхности, возвращается в волокно и распространяется далее по световоду 5 в обратном направлении, впоследствии регистрируется фотоприемным модулем. Сигнал с фотоприемника 4 обрабатывается с помощью специализированных программ на ПК. На фиг. 4 приведен сигнал, регистрируемый с датчика, при вибрации 100 Гц.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет производить непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта при отсутствии необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства. Тем самым расширяя арсенал технических средств регистрации вибраций.
При небольшой модификации конструкции возможна реализация двухосевого датчика, на фиг.5 представлен вариант двухосевого волоконно-оптического датчика вибрации отражательного типа. Для такой модификации требуется добавить еще одну связку светопроводящего и направляющего волокон, повернув ее на 90 градусов. Также отражающий элемент заменяется на пластину, выполненную в виде квадрата, для формирования двух границ раздела сред для вертикального и горизонтального направления соответственно. Первая связка светопроводящего и направляющего волокна, образующая упругий элемент в двухосевым датчике, чувствительна к вертикальным колебаниям, вторая связка волокон чувствительна к горизонтальным колебаниям. Обе связки юстируются на раздел сред аттенюации (15) и отражающей поверхности (14).