ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в волоконно-оптических датчиках, предназначенных для измерения температуры различных объектов, а также для измерения деформации, перемещения.
Известен волоконно-оптический датчик температуры (см. патент RU 2256890), содержащий осветительный и приемный световоды, первые концы которых подсоединены, соответственно к источнику свету и приемнику, а вторые концы подсоединены к капсуле. Общий ввод-вывод разветвителя закреплен в капсуле. В полости капсулы расположено внутрикапсульное зеркало, с помощью которого осуществляется отражение входного светового потока, поступающего через разветвитель от осветительного световода и передача отраженного выходного светового потока в обратном направлении через этот же разветвитель в приемный световод. Внутрикапсульное зеркало выполнено на торце стержня, закрепленного своим противоположным концом на дне капсулы.
Недостатками известного датчика являются:
- незащищенность его от внешних механических воздействий;
- отсутствие в конструкции элементов для закрепления датчика на объекте.
Известен волоконно-оптический датчик деформации или температуры (см. патент RU 2334965, фиг.5), выбранный заявителем в качестве прототипа предложенных вариантов датчика. Датчик состоит из капилляра с закрепленными в нем оптическими волокнами, плоские и гладкие торцы которых находятся на расстоянии друг от друга. Одно из волокон является входом и выходом чувствительного элемента, а второе является небольшим отрезком. Волокна прикрепляются к капилляру с помощью клея или легкоплавкого стекла. При изменении температуры или деформации капилляра происходит изменение его длины, в результате чего изменяется база датчика (расстояние между торцами волокон).
Недостатками прототипа являются:
недостаточная точность измерений из-за отсутствия элемента, при помощи которого можно регулировать базу датчика;
- незащищенность его от внешних механических воздействий;
- отсутствие в конструкции элементов для закрепления датчика на объекте.
Техническим результатом предложенных вариантов датчика является устранение недостатков прототипа.
Технический результат по первому варианту достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике температуры, содержащем капилляр с закрепленными в нем оптоволокном и светоотражающим элементом, установленным на расстоянии от торца оптоволокна, согласно полезной модели, он содержит корпус со сквозным отверстием и двумя соосными ему глухими отверстиями, в одном из которых выполнена резьба для винта, хвостовик которого установлен в сквозном отверстии и имеет светоотражающий торец, в противоположном резьбовому глухом отверстии установлена жестко прикрепленная к корпусу обойма с закрепленным в ней и расположенным внутри сквозного отверстия капилляром.
С двух сторон корпуса волоконно-оптического датчика температуры могут быть выполнены осе-симметричные выступы, в которых просверлены отверстия для винтов, предназначенных для крепления корпуса к объекту.
К корпусу волоконно-оптического датчика температуры с двух сторон могут быть жестко прикреплены Г-образные пластины, предназначенные для приклеивания или приварки корпуса к объекту.
В отверстии капилляра со стороны обоймы выполнена конусная фаска.
Капилляр может быть выполнен из керамики.
Капилляр может быть выполнен из металла.
Капилляр может быть выполнен из стекла.
Капилляр может быть выполнен из пластика.
Технический результат по второму варианту достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике температуры, содержащем капилляр с закрепленными в нем оптоволокном и светоотражающим элементом, установленным на расстоянии от торца оптоволокна, согласно полезной модели, он содержит корпус со сквозным отверстием и двумя соосными ему глухими отверстиями, в каждом из глухих отверстий установлена обойма с закрепленным в ней и расположенным внутри сквозного отверстия капилляром, одна из обойм прикреплена к корпусу жестко.
Технический результат по третьему варианту достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике деформации, содержащем капилляр с закрепленными в нем оптоволокном и светоотражающим элементом, установленным на расстоянии от торца оптоволокна, согласно полезной модели, он содержит корпус, выполненный гантелеобразным, наружные поверхности которого имеют форму цилиндров, в корпусе выполнено сквозное отверстие с двумя соосными ему глухими отверстиями, в одном из которых выполнена резьба для винта, хвостовик которого установлен в сквозном отверстии и имеет светоотражающий торец, в противоположном резьбовому глухом отверстии установлена жестко прикрепленная к корпусу обойма с закрепленным в ней и расположенным внутри сквозного отверстия капилляром, на поверхностях концевых частей корпуса выполнены резьбы, на одном правая, а на другом левая.
На одной из концевых частей корпуса выполнен шестигранник под ключ.
В каждом из глухих отверстий волоконно-оптического датчика деформации установлена прикрепленная к корпусу обойма с закрепленным в ней и расположенным внутри сквозного отверстия капилляром, одна из них прикреплена к корпусу жестко.
Волоконно-оптический датчик деформации снабжен двумя опорами, имеющими центральные резьбовые отверстия, размеры которых соответствуют размерам резьбы концевых частей корпуса, и по два вертикальных отверстия с фасками для крепежных винтов.
В отверстии капилляра со стороны обоймы выполнена конусная фаска.
Капилляр может быть выполнен из керамики.
Капилляр может быть выполнен из металла.
Капилляр может быть выполнен из стекла.
Капилляр может быть выполнен из пластика.
Размещение каждого датчика в корпусе позволяет защитить активные элементы датчика от внешних механических воздействий и тем самым повысить срок их службы. Появляется возможность закрепления корпусов датчиков на объектах измерения, что сокращает время передачи температуры от объектов к сенсорным элементам (тепловой контакт) и обеспечивает передачу деформаций материала объектов на активные элементы датчика.
Выполнение в корпусе каждого датчика по первому и третьему вариантам сквозного отверстия позволяет разместить в нем соосные друг другу капилляр со световодом и винт с хвостовиком, имеющим светоотражающий торец. Вращение винта в глухом резьбовом отверстии обеспечивает изменение базы датчика, т.е. расстояния между торцом световода и светоотражающим торцом хвостовика винта. Это облегчает юстировку датчика, тем самым повышает точность измерения (база измерения 0,5 мкм), также повышает жесткость крепления винта к корпусу и наиболее полную передачу температурных напряжений от корпуса к системе винт-обойма, уменьшает время сборки, так как позволяет за счет резьбы вывести обойму и винт на заданное рабочее расстояние (порядка 75 мкм).
Возможность вращения корпуса датчика, выполненному по третьему варианту, относительно опор, позволяет производить преднатяжение корпуса, что обеспечивает повышение точности измерений.
Выполнение в корпусе датчика по второму варианту сквозного отверстия с двумя соосными ему глухими отверстиями позволяет разместить в каждом из глухих отверстий обоймы с закрепленным в каждой из них и расположенным внутри сквозного отверстия капилляром. Жесткое крепление к корпусу одной из обойм и установка в глухом отверстии другой обоймы по свободной посадке с возможностью перемещения относительно корпуса упрощает установку базы датчика.
Выполнение в отверстии капилляра со стороны обоймы конусной фаски упрощает технологию установки волокна и сокращает время вставки волокна в капилляр.
Сущность предложенной полезной модели поясняется рисунками.
На рис.1 изображен разрез волоконно-оптического датчика по первому варианту.
На рис.2 показан вид сверху.
На рис.3 показан вариант исполнения корпуса с приваренными к нему опорными пластинами.
На рис.4 изображен аксонометрический общий вид датчика (корпус с опорами) по второму варианту.
На рис.5 показан разрез корпуса датчика по второму варианту.
Волоконно-оптический датчик по первому варианту содержит корпус 1 с осе-симметричными выступами 2, в которых просверлены отверстия 3 для винтов, предназначенных для крепления корпуса 1 к объекту. В корпусе 1 выполнено сквозное отверстие 4 и два соосных ему глухих отверстия. В глухом отверстии 5 выполнена резьба для винта 6, хвостовик 7 которого установлен в отверстии 4 и имеет светоотражающий торец 8. В глухом отверстии 9 установлена жестко прикрепленная к корпусу 1 обойма 10 с закрепленным в ней и расположенным внутри сквозного отверстия 4 капилляром 11 со световодом 12, закрепленном в капилляре. Вместо выполнения осе-симметричных выступов 2 к корпусу 1 могут быть приварены Г-образные пластины 13 для крепления датчика к объекту с помощью клея или сварки.
Волоконно-оптический датчик по третьему варианту содержит корпус 14, выполненный гантелеобразным, наружные поверхности которого имеют форму цилиндра. На поверхностях концевых частей корпуса выполнены резьбы: 15 правая и 16 левая. На одной из концевых частей корпуса выполнен шестигранник 17 под ключ. В корпусе 14 выполнено сквозное отверстие 4 и два соосных ему глухих отверстия. В глухом отверстии 5 выполнена резьба для винта 6, хвостовик 7 которого установлен в отверстии 4 и имеет светоотражающий торец 8. В глухом отверстии 9 установлена жестко прикрепленная к корпусу 14 обойма 10 с закрепленным в ней и расположенным внутри сквозного отверстия 4 капилляром 11 со световодом 12, закрепленном в капилляре. Датчик снабжен двумя опорами 18, имеющими центральные резьбовые отверстия 19, размеры которых соответствуют размерам резьб концевых частей корпуса. В опорах 18 выполнено по два вертикальных отверстия 20 с фасками для крепежных винтов.
Капилляры волоконно-оптических датчиков могут быть выполнены из керамики, металла, стекла, пластика.
Предложенные волоконно-оптические датчики работают следующим образом.
Из источника излучения по оптоволоконному кабелю в сенсорный элемент подается световое излучение, где оно испытывает частичное отражение от границы волокна. Часть излучения из световода выходит в зазор между ним и зеркалом, от которого претерпевает второе отражение. Затем отраженный луч попадает обратно в световод, где интерферирует с лучом от первого отражения. Далее сигнал распространяется по волокну и вводится в спектрометрический блок, предназначенный для анализа спектра и оцифровки интерференционной картины, откуда по USB интерфейсу выходит цифровой сигнал, который затем обрабатывается компьютером.