ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР РАСТЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров.
Известны волоконно-оптические распределенные сенсоры, предназначенные для мониторинга различных объектов, работа которых основана на регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, например, волоконно-оптические датчики измерения распределения температуры, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (эффект Рамана), в которых амплитуда рассеянного сигнала зависит от температуры
(_opticheskie_datchiki_temperatury;
_Energy_DTS_Flyer_A4.pdf;
;
_DTS_Russia.pdf;
патент на полезную модель 65223 «волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры (варианты)»). Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна)
(_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf;
1/863952/864017/).
Известен также волоконно-оптический сенсор деформации, предназначенный для использования в распределенных волоконно-оптических системах мониторинга (4-th International Conference on Structural Health Monitoring on Intelligent Infrastructure (международная конференция SHMII-4) 2009, 22-24 июля, Цюрих, Швейцария доклад M. Iten, F. Ravet, M. Nikles, M. Facchini, T. Hertig, D. Hauswirth, A. Puzrin «Soil-embedded fiber optic strain sensor for detection of differential soil displacement)) рисунок 3b). Сенсор состоит из специального оптического волокна в плотном полимерном покрытии, армирующих покрытий, в числе которых, есть продольно сваренная трубка из нержавеющей стали герметично запечатывающая оптическое волокно и повышающая стойкость сенсора к раздавливанию. Наружная оболочка сенсора из термопластичного материала дополнительно армирована проволочной броней из круглых стальных проволок для обеспечения высокой прочности сенсора на растяжение и его защиты от грызунов.
Представленное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому из числа известных по совокупности признаков, к недостаткам которого следует отнести возможность взаимного скольжения оптического волокна, в плотном полимерном покрытии, относительно стальной трубки и скольжения стальной трубки относительно наружной оболочки, вследствие низкой величины адгезии известных полимерных материалов, заполнителей и герметиков к металлу, что приводит к снижению точности измерений деформации в области скольжения. Кроме того, в процессе эксплуатации при изменении температуры возможно уменьшение механической связи и проскальзывание плотного полимерного покрытия оптического волокна относительно металлической трубки, вследствие различия линейных коэффициентов теплового расширения полимерного покрытия оптического волокна и металла трубки. Другим недостатком известного технического решения является низкая стойкость сенсора к раздавливающим нагрузкам и недостаточная гибкость, т.е. избыточное сопротивление изгибу, а также большая жесткость и недостаточный диапазон допустимых упругих продольных деформаций.
Поставленная задача состояла в разработке конструкции сенсора, исключающей возможность взаимного скольжения оптического волокна, в плотном полимерном покрытии, относительно армирующей стальной трубки, скольжения последней относительно наружной оболочки, а также повышение гибкости сенсора, увеличение его стойкости к раздавливающим нагрузкам и увеличение диапазона допустимых упругих продольных деформаций.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор для систем мониторинга на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения, содержащий, оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, армирующее покрытие в виде стальной трубки и наружную оболочку из термопластичного полимера отличающийся тем, что армирующее покрытие представляет из себя тонкостенную стальную трубку, гофрированную в продольном направлении в виде сильфона, а пространство между полимерным покрытием оптического волокна и стальной трубкой заполнено герметиком.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображено продольное сечение участка протяженного сенсора, содержащего оптическое волокно 1, в плотном полимерном покрытии 2, герметик 3, стальная гофрированная трубка 4, и наружная оболочка 5 из термопластичного полимера.
Применение гофрированной стальной трубки (сильфона) исключает возможность скольжения слоя герметика, сцепленного с плотным полимерным покрытием оптического волокна, внутри стальной трубки переменного диаметра, а также исключает скольжение такой трубки внутри наружной оболочки. Гофрирование стальной трубки в виде сильфона позволяет трубке сохранять прочность и плотность при многоцикловых деформациях сжатия, растяжения, изгиба и их комбинаций под воздействием внутреннего или внешнего давления, температуры и механических нагружений. Тем самым, гофрирование стальной трубки дополнительно увеличивает гибкость сенсора и увеличивает его устойчивость к раздавливанию. Кроме этого, такое гофрирование трубки снижает ее жесткость и увеличивает диапазон допустимых продольных упругих деформаций растяжения (сжатия).
Металлический оптический модуль используется в качестве основного элемента для большого разнообразия конструкций, в основном для подводных и подвесных оптических кабелей связи, со свободно уложенными внутри оптическими волокнами и внутримодульным гидрофобным заполнителем, что обеспечивает нечувствительность канала передачи к внешним температурным и механическим воздействиям. В сенсоре деформации оптическое волокно в плотном полимерном покрытии не должно иметь скольжения относительно армирующего покрытия и наружной оболочки, для чего в свободное пространство между полимерным покрытием и стальной оболочкой вводят герметик с высокой адгезией к материалу полимерного покрытия. Для заполнения пустот между оптическим волокном в полимерном покрытии и стальной оболочкой применяется оборудование, используемое при производстве оптических кабелей связи (со свободно уложенными внутри металлического модуля оптическими волокнами и внутримодульным гидрофобным заполнителем) для заполнения металлической трубки полимерным компаундом, например, кремнийорганическим, отверждение которого осуществляют при повышенной температуре.
Гофрирование стальной трубки (изготовление сильфона) с оптическим волокном внутри может быть выполнено на коммерчески доступном оборудовании, применяемом в составе линии для изготовления металлического оптического модуля, включая также (см. en/navigate_315894/Corrugator.html).
Плотное полимерное покрытие оптического волокна может изготавливаться с применением светоотверждаемых композиций, имеющих высокую адгезию к полимерному первичному покрытию оптического волокна на оборудовании применяемом в производстве оптических кабелей связи. В качестве термопластичных материалов для наружной оболочки сенсора могут быть использованы применяемые в производстве оптических кабелей связи полиэтилены, или полиамиды, поликарбонаты и термопластичные полиуретаны.