ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к сенсорам распределения давления, а именно к волоконно-оптическим сенсорам на основе регистрации распределения по длине оптического волокна рассеянного оптического излучения.
Известны волоконно-оптические сенсоры распределения растяжения (сжатия) на основе регистрации распределения по длине оптического волокна вынужденного излучения Мандельштамма-Бриллюэна, измеряемого оптическим рефлектометром. О величине растяжения (сжатия) судят по величине смещения линии излучения (см., например, докторскую диссертацию M. Iten. Novel applications of distributed fiber-optic sensing in geotechnical engineering. DISS. ETH No. 19632, 2011, Zurich, CH).
В случае спирального пространственного расположения оптического волокна можно судить о величине внешнего гидростатического давления, приводящего к сжатию оптического волокна. Так, из JP2010185729, опубл. 26.08.2010, известен волоконно-оптический сенсор распределения гидростатического давления, содержащий сердечник, выполненный в виде гибкой трубки, защитную полимерную оболочку, в которой расположен сердечник, оптическое волокно для измерения распределения давления, спирально намотанное на сердечник, оптическое волокно для компенсации продольных деформаций, размещенное в упомянутой оболочке, и оптическое волокно для температурной компенсации, уложенное свободно, с избыточной длиной внутри сердечника. Данное техническое решение является ближайшим аналогом предлагаемого технического решения.
Одним из недостатков указанного ближайшего аналога является слишком большая длина оптического волокна, приводящая к существенным оптическим потерям в результате затухания оптического сигнала и ограничению рабочей длины волноводно-оптического сенсора в целом. Другим недостатком является значительная технологическая сложность изготовления сенсора.
Техническая задача, решаемая заявленной полезной моделью, состоит в снижении длины оптического волокна и увеличении, тем самым, рабочей длины волноводно-оптического сенсора, а также упрощении его конструкции.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в снижении оптических потерь волоконно-оптического сенсора при одновременном упрощении его изготовления.
Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор распределения давления, содержащий оптическое волокно, расположенное в полимерной оболочке, снабжен армирующим элементом, расположенным параллельно оптическому волокну, проходящему по центру упомянутой полимерной оболочки, связанным с ее внутренней поверхностью.
В отличие от известных аналогов, включая ближайший аналог, предложенная конструкция волоконно-оптического сенсора позволяет разместить в нем оптическое волокно по сути полностью вытянутым, прямым, а не свернутым в спираль, когда оптическое волокно обладает избыточной длиной. Оптические потери в таком вытянутом волокне минимальны и определяются исключительно длиной всего волоконно-оптического сенсора, которая равна длине оптического волокна, а также характеристиками оптического волокна. При этом важно, чтобы наиболее жесткий элемент конструкции (армирующий элемент) придавал жесткость всему волоконно-оптическому сенсору, что достигается тем, что армирующий элемент связан с внутренней поверхностью полимерной оболочки.
Как следствие упомянутого вытянутого, прямого расположения оптического волокна в полимерной оболочке, а также параллельного ему расположения армирующего элемента, существенно упрощается конструкция и, следовательно, изготовление заявляемого волоконно-оптического сенсора.
В частном варианте выполнения волоконно-оптического сенсора армирующий элемент выполнен из стеклопластика, что обеспечивает требуемую жесткость армирующего элемента и волоконно-оптического сенсора в целом и, следовательно, вытянутое положение оптического волокна, преимущества чего описаны выше.
Еще в одном частном варианте выполнения волоконно-оптического сенсора армирующий элемент связан с внутренней поверхностью полимерной оболочки посредством слоя адгезионного материала, образованного на его наружной поверхности. Это также обеспечивает требуемую жесткость конструкции волоконно-оптического сенсора в целом. Вариантом такого адгезионного материала является адгезионный материал на основе полиэтилакрилата.
Далее полезная модель более подробно описывается со ссылкой на фигуру, на которой приведено схематичное изображение поперечного сечения волоконно-оптического сенсора распределения давления, содержащего оптическое волокно 1 и армирующий элемент 2 (например, выполненный в виде прутка из стеклопластика), расположенные параллельно друг другу в общей полимерной оболочке 3.
Оптическое волокно 1 проходит по центру полимерной оболочки 3. В качестве оптического волокна 1 специалистом может быть выбрано любое подходящее оптическое волокно, пригодное для целей измерения распределения гидростатического давления.
Полимерная оболочка 3 может быть выполнена из эластичного светоотверждаемого полимера или любого другого подходящего полимера.
В полимерной оболочке 3, параллельно оптическому волокну 1 проходит армирующий элемент 2, связанный с внутренней поверхностью полимерной оболочки 3.
Армирующий элемент 2 связан с внутренней поверхностью полимерной оболочки 3, например, посредством слоя адгезионного материала (на фигуре не показан), образованного на наружной поверхности армирующего элемента 2. Таким адгезионным материалом может быть адгезионный материал на основе полиэтилакрилата или любой другой подходящий материал, обладающий высокими адгезионными свойствами.
Армирующий элемент 2 выполнен из жесткого материала, по существу не меняющего или несущественного меняющего свои геометрические размеры под действием типичных нагрузок, которым подвергается волоконно-оптический сенсор. Таким материалом, в частности, может быть стеклопластик.
Предлагаемое техническое решение используют следующим образом.
При повышении гидростатического давления часть полимерной оболочки 3, не связанная с армирующим элементом 2 и, следовательно, являющаяся более эластичной, удлиняется, что приводит к скручиванию сенсора в спираль вокруг оси более жесткого армирующего элемента 2, по существу не меняющего свою форму и размеры, и удлинению оптического волокна 1, пропорциональному величине давления.
Для измерения распределения удлинения оптического волокна 1 используют метод, основанный на эффекте рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ), возникающем в результате взаимодействия волн оптического излучения с акустическими волнами гигагерцового диапазона. Этот эффект можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке, созданной акустической волной. Отраженный сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате, величина частотного Бриллюэновского сдвига, которую можно измерить с высокой точностью, несет информацию о деформации в точке рассеяния.
Определение места, в котором измеряется растяжение оптического волокна 1, происходит на основе технологии, схожей с применяемой в радарных установках (рефлектометрия). В оптическое волокно 1 запускают лазерные импульсы, и характеристики рассеянного излучения записывают как функции времени. Пространственное разрешение таких измерений определяется длительностью импульса. Например, импульсы длительностью 10 нс задают точность измерения расстояния, равную 1 м. Благодаря высокому значению скорости света, в течение 1 секунды можно измерить распределение давления в оптическом волокне 1 длиной до нескольких километров.
Таким образом, заявленный волоконно-оптический сенсор распределения гидростатического давления характеризуется простой конструкцией, благодаря которой длина использованного в нем оптического волокна минимальна. Это приводит к минимизации оптических потерь в волоконно-оптическом сенсоре, а значит, сам сенсор может иметь большую рабочую длину.
Одним из достоинств предлагаемого технического решения является возможность изготовления волоконно-оптического сенсора на существующем, традиционно используемом кабельном оборудовании с применением известных промышленно выпускаемых материалов.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано в составе соответствующей регистрирующей аппаратуры, например, в составе оборудования DITEST компании Omnisens – нового высокотехнологичного прибора для мониторинга температуры и механического напряжения, принцип действия которого основан на эффекте РМБ.