ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области волоконно-оптических средств передачи сигналов и может быть использована для систем встроенного контроля конструкций или объектов из полимерных композиционных материалов в которые заложены волоконно-оптические и электрические сенсоры, датчики или актюаторы.
Известен волоконно-оптический соединитель для осуществления коммутации оптического волокна подводимого кабеля с оптическим волокном, интегрированным в композиционный материал, выполненный в виде съемного адаптера, прикрепляемого к композиционному материалу (патент США №5299273).
Недостатками данного волоконно-оптического соединителя являются его большие габариты и то, что предложенное решение реализуется без жесткого постоянного крепления к композиционному материалу, и в случае отсутствия адаптера возможен скол выходящего оптического волокна.
Известен волоконно-оптический соединитель, осуществляющий коммутацию оптического волокна внутри конструкции из композиционного материала на основе метода физической сварки сердцевин оптического волокна. Для проведения таких операций в конструкции из композиционного материала предусматривается система колодцев, внутри которых производится сварка оптического волокна, с последующим их закрытием монослоями композиционного материала. Основным преимуществом является надежность и качество оптического соединения (патент США №7542632).
Недостатком данного волоконно-оптического соединителя является невозможность быстрого подключения или отключения оптического кабеля от конструкции из композиционного материала, отсутствие электрического канала и существенное снижение свойств конструкции из-за нарушения непрерывности структуры армирующих волокон композиционного материала в зоне колодцев.
Известен волоконно-оптический соединитель, реализующий функцию электрического соединителя, где для коммутации используется конструкция из диэлектрического материала с направляющими, фиксирующими геометрическое расположение коммутационных каналов, расположенных в ряд. В данных коммутационных каналах могут располагаться оптические волокна или электрические проводники для осуществления электрического контакта (патент США №5367593).
Недостатком данного соединителя являются его габариты, что не позволяет его использование в составе конструкции из композиционного материала, такой соединитель можно использовать только в виде прикрепляемого накладного элемента, что влечет за собой дополнительные сложности по его интеграции в структуру конструкции и прокладке к нему оптических и электрических каналов внутри конструкции из композиционного материала. Он не может быть изготовлен в процессе изготовления композиционного материала.
Известен волоконно-оптический соединитель, с возможностью одновременного электрического соединителя, выполненный в виде классического волоконно-оптического соединителя, с прикрепляемой к его боковой наружной поверхности корпуса приставки в виде электрического соединителя (патент США №5473715).
Недостатком волоконно-оптического соединителя является невозможность его применения в составе конструкции из композиционного материала без создания специализированных мест в композиционном материале для его закрепления на поверхности конструкции.
Известен волоконно-оптический соединитель, выполняющий одновременно функцию электрического соединителя, где вокруг оптической части соединителя размещен электрический соединитель, соединяющийся в процессе коммутации оптической части (патент США №4721358).
Недостатком данного гибридного соединителя является невозможность его применения в составе конструкции из композиционного материала в виду его габаритных особенностей, не позволяющих в процессе изготовления конструкции из композиционного материала встраивать данный соединитель.
Известно устройство, предназначенное для вывода оптического волокна из конструкции с использованием гибкой трубки для защиты от излома оптического волокна. Оптическое соединение происходит внутри гибкой трубки во внутренней керамической трубке-втулке (внутренним диаметром 0,1 дюйма (2,54 мм)), центрирующей оптическое волокно. Часть гибкой трубки находится внутри конструкции, а часть вне конструкции, трубка предохраняет проходящее через нее оптическое волокно от возможных критических радиусов перегиба (патент США №6840683).
Недостатком данного устройства вывода оптического волокна из конструкции является отсутствие передачи электрических сигналов по проводникам в составе данного коммутационного устройства, достаточно большой диаметр защитной гибкой трубки, что снижает прочностные характеристики конструкции, за счет возникновения концентратора механических напряжений.
Наиболее близким по технической сущности и назначению и принятым за прототип является волоконно-оптический соединитель, интегрированный в конструкцию из полимерного композиционного материала, состоящий из двух частей, одна из которых - съемная трубка-втулка и несъемная, содержащая центрирующую трубку и расположенную в ней трубку-втулку, выполненные из электрически не проводящего керамического материала, в которые вставлено оптическое волокно без защитной оболочки. Центрирующая трубка вставлена в свою очередь в защитную трубку. Подключение (или отключение) происходит путем поступательного прямолинейного движения внешней трубки-втулки внутри центрирующей трубки к (или от) внутренней трубке-втулке (патент США №6547448).
Недостатком данного устройства является отсутствие электрических контактов в составе данного соединителя, что не позволяет осуществлять передачу (или прием) электрических сигналов в электрические датчики (или устройства актюирования), расположенные внутри конструкции из полимерного композиционного материала. Существенно большой диаметр центрирующей трубки (2,54 мм), по сравнению с толщиной монослоя композиционного материала конструкции (0,1-0,2 мм), снижает прочностные характеристики конструкции за счет возникновения концентратора механических напряжений.
Отсутствует механизм фиксации разъема в соединенном положении, так как отключение происходит простым поступательным движением внешнего оптического кабеля в направлении от соединителя, в качестве силы противодействия используется сила трения плотной центрирующей трубки.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка встраиваемого волоконно-оптического соединителя, позволяющего осуществлять одновременный экранированный электрический и оптический контакт для передачи оптических и электрических сигналов в оптическое волокно и электрические провода интегрированные в конструкцию из полимерного композиционного материала, предназначенный для использования в системах встроенного контроля конструкций или объектов из полимерных композиционных материалов.
Для решения поставленной задачи предложен волоконно-оптический соединитель, интегрируемый в конструкцию из слоистого полимерного композиционного материала, состоящий из двух частей, одна из которых съемная трубка-втулка и несъемная, содержащая центрирующую трубку и расположенную в ней трубку-втулку, выполненные из электрически не проводящего керамического материала, в трубках-втулках размещено оптическое волокно без защитной оболочки, отличающийся тем, что на внутреннюю и внешнюю поверхности центрирующей трубки и внешние поверхности трубок-втулок нанесено электропроводящее покрытие, обеспечивающее одновременный оптический и электрический контакты съемной и несъемной частей соединителя, а на съемной части дополнительно расположены электропроводящие фиксаторы.
Электропроводящее покрытие выполнено из металла или углерода (графита).
Внутренние поверхности центрирующей трубки и внешние поверхности трубок-втулок покрыты электропроводящим покрытием полностью или частично.
Электропроводящее покрытие может быть нанесено методом напыления, методом осаждения или из расплава.
Плоскость контакта оптических волокон расположена под углом 5-15° относительно оси, направленной перпендикулярно оптическому волокну.
Электропроводящие фиксаторы могут быть выполнены в виде лапок-защелок или в виде резьбового соединения.
Съемная часть может быть помещена в корпус из диэлектрического материала.
На фигурах 1 и 2 представлена схема волоконно-оптического соединителя, где:
1 - полимерный композиционный материал;
2 - центрирующая трубка;
3 - часть оптического волокна, находящегося в полимерном композиционном материале;
4 - трубки-втулки;
5 - электропроводящие фиксаторы;
6 - часть оптического волокна, находящегося на съемной части соединителя;
7, 9 - электрический проводник, соединяющий внешнюю поверхность трубок-втулок с электрическим устройством;
8, 10 - электрический проводник, соединяющий внешнюю поверхность центрирующей трубки и электрического фиксатора с электрическим устройством;
11 - корпус из диэлектрического материала;
12 - оптическое устройство (сенсор);
13 - электрическое устройство (сенсор или актюатор).
На фигуре 3 изображена центрирующая трубка с нанесенным электропроводящим покрытием, где 2-1 электропроводящее покрытие на внешней поверхности центрирующей трубки, 2-2 - электропроводящее покрытие на внутренней поверхности центрирующей трубки.
Центрирующую трубку 2 с внутренним диаметром 1,25 мм помещают в структуру конструкции из полимерного композиционного материала 1, в которой методом физического контакта соединяют две керамические трубки-втулки 4 с внешним диаметром 1,25 мм и внутренним отверстием диаметром 0,125 мм, в котором находится оптическое волокно 3 без защитной оболочки. Зону оптического контакта выполняют с углом от 5 до 15 градусов от направления, перпендикулярного оси оптического волокна, для обеспечения совпадения сегментов электрических контактов 7 и 9 внутри экранирующего контакта 8 и 10, состоящих из внешнего покрытия центрирующей трубки и контактов фиксаторов 5, соединенных с экранирующим контактом 10.
Коммутацию производят посредством поступательного движения внешней части конструкции соединителя, состоящей из внешней трубки-втулки 4, расположенной на съемной части соединителя, контактов защелок 5 и корпуса 11 из диэлектрического материала, до плотного соприкосновения керамических трубок-втулок 4 внутри центрирующей трубки 2 с возникновением оптического контакта в зоне соприкосновения оптических волокон 3 и 6, и возникновением электрического контакта на цилиндрической поверхности соединителя: для сигнального электрического контакта происходит соприкосновение внешней поверхности трубки-втулки и внутренней поверхности центрирующей трубки 2-2; для общего электрического контакта происходит соприкосновение контактов фиксаторов 5 и внешней поверхности центрирующей трубки 2-1.
Волоконно-оптический соединитель располагают между монослоев полимерного композиционного материала 1, оптическое волокно подключают к устройству 12, а электрические провода 7, 8, 9, 10 подводят к электрическому устройству 13, и располагают внутри композиционного материала между монослоями.
Процесс коммутации осуществляют последовательным поступательным движением внешней части соединителя во внутреннюю часть соединителя до образования оптического и электрического контакта, с одновременной фиксацией соединителя фиксирующим контактом.
Подают на электрическое устройство 13 переменное управляющее напряжение определенной амплитуды и частоты через волоконно-оптический соединитель. Подключают оптический кабель через соединитель к мониторинговой системе. В результате воздействия электрического устройства возникают локальные напряжения в конструкции обшивки, которые фиксируют посредством оптического устройства с брэгговской решеткой на мониторинговой системе. На основе зарегистрированных данных оптическим устройством и переданных посредством одного волоконно-оптического соединителя с функцией передачи электрических сигналов могут быть поданы или откорректированы частота или амплитуда управляющего переменного напряжения.
Таким образом, предлагаемое устройство позволит осуществлять одновременную передачу оптических и электрических сигналов в оптическое волокно и электрические провода, интегрированные в конструкцию из полимерного композиционного материала. Устройство позволяет осуществлять контроль и определять прочностные и иные характеристики конструкции из полимерных композиционных материалов.