Волоконно-оптический преобразователь деформации

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к элементам датчиков физических величин.
Известен датчик разности давлений с чувствительным элементом в виде волоконно-оптического преобразователя балочного типа. Чувствительный к деформациям элемент представляет собой пластину (балку), на которой с двух сторон могут быть закреплены волоконные решетки Брэгга, в результате чего может быть реализовано дифференциальное измерение. Патент Российской Федерации на полезную модель № 127461, МПК G01L 9/12, 27.04.2013.
Деформации пластины в данном устройстве передаются на волоконные решетки, закрепленные на ее поверхностях. При этом область применения данного технического решения ограничена из-за отсутствия возможности точной настройки (регулировки) величины деформаций волокна, поскольку эта деформация определена конструктивно и сопоставима с деформациями пластины чувствительного элемента. Кроме того, в данном устройстве могут возникать пластические деформации пластины, приводящие к ухудшению точностных параметров спектрального преобразования, что также налагает ограничения на использование данного технического решения.
Известен датчик давления, содержащий упругий элемент – мембрану, в чувствительных зонах которой закреплены волоконные решетки Брэгга. В данном устройстве реализована дифференциальная схема измерений с целью решения задачи термокомпенсации: закрепления волоконных решеток на мембране осуществлены в чувствительных к деформациям зонах мембраны таким образом, что при воздействии деформаций, поверхность мембраны в одной зоне испытывает деформацию-растяжение, а в другой – деформацию-сжатие. При обработке спектрального сигнала от двух волоконных решеток Брэгга анализируют разностный сигнал. Устройство позволяет настроить область деформаций волоконных решеток Брэгга при их закреплении на поверхности металлической мембраны. Патент Российской Федерации на полезную модель № 130073, МПК G01L 11/00, 10.07.2013.
Как и в предыдущем случае, такое техническое решение имеет ограничение в использовании: пластические деформации металлической мембраны, а также температурные расширения металлических упругих элементов не позволяют применять такое устройство в условиях воздействия жестких внешних факторов.
Известен волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий волоконную решетку Брэгга, закрепленную на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла. Устройство позволяет устранить явления необратимых пластических деформаций упругого элемента и использовать данное техническое решение в целом классе преобразователей физических величин, работающих в условиях воздействия жестких внешних факторов. В данном преобразователе деформаций может быть использовано несколько волоконных решеток Брэгга, симметрично расположенных относительно упругого элемента, с целью реализации дифференциального принципа измерений. Патент Российской Федерации на полезную модель № 135119, МПК G01D 5/353, 27.11.2013. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
В прототипе отсутствуют конструктивные элементы, позволяющие задать необходимую величину рабочей деформации волоконных решеток при определенных деформациях упругого элемента. Как и в рассмотренном ранее устройстве, деформация волоконных решеток в прототипе предопределена конструктивно и сопоставима с деформациями пластины. Это обстоятельство сужает область применения данного технического решения, поскольку возможность настройки рабочей области деформаций волоконных решеток Брэгга в процессе их закрепления на упругих элементах преобразователей на практике весьма востребована.
Задачей полезной модели является создание конструктивно простого волоконно-оптического преобразователя деформации для приборов с повышенными точностными параметрами за счет отсутствия пластических деформаций в материале упругого элемента, реализующего при этом дифференциальное измерение.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств спектрального преобразования деформаций.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический преобразователь деформации содержит упругий элемент, выполненный в виде пластинки из монокристаллического материала, и закрепленное на нем оптическое волокно с волоконными решетками Брэгга, пластинка выполнена Т-образной формы в виде центральной балки и основания и закреплена консольно, оптическое волокно с волоконными решетками Брэгга закреплено на пластинке таким образом, чтобы волоконные решетки Брэгга были расположены симметрично по обе стороны от центральной балки и закреплены между центральной балкой и краем основания.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:
1 – основание упругого элемента;
2 – опорный элемент;
3 – оптическое волокно с волоконными решетками Брэгга;
4 – центральная балка упругого элемента;
5 – адгезионный материал;
G1, G2 – волоконные решетки Брэгга.
Волоконно-оптический преобразователь деформации содержит упругий элемент в виде изготовленной из монокристаллического материала (например, кремния) пластинки Т-образной формы, состоящий из двух частей: основания 1, закрепленного в опорном элементе 2, представляющем собой в общем случае деталь несущей конструкции преобразователя, и центральной балки 4, деформируемой под действием внешних сил (P1 и P2), для закрепления на нем оптического волокна 3 с волоконными решетками Брэгга G1 и G2 таким образом, чтобы волоконные решетки Брэгга были расположены симметрично по обе стороны от центральной балки 4 и закреплены каждая между центральной балкой 4 и краем основания 1. При этом места закрепления оптического волокна 3, обозначенные на чертеже в виде круглых зон адгезионного материала 5, расположены по обе стороны каждой волоконной решетки Брэгга – на краях основания 1 и на центральной балке 4.
Упругий элемент спектрального преобразователя деформации выполнен из монокристаллического материала ввиду того, что использование таких подложек повышает точностные параметры преобразования за счет отсутствия пластических деформаций в структуре монокристаллического материала. В качестве закрепляющего адгезионного материала 5 может быть использован, например, клей марки К300.
Волоконно-оптический преобразователь деформации работает следующим образом.
Действие внешних сил P1 и P2, приложенных к центральной балке упругого элемента, вызывают смещения центральной балки 4 относительно основания 1. Преобразуемая деформация, возникающая под действием внешних сил P1 и P2, приложена к центральной балке упругого элемента 4, в то время как основание упругого элемента 1 в области его закрепления в опорном элементе 2 не подвержено воздействию деформации.
Волоконные решетки Брэгга, расположенные симметрично по обе стороны от центральной балки 4 и закрепленные каждая между центральной балкой 4 и краем основания 1, подвергаются деформации, причем деформации растяжения волоконной решетки Брэгга G1, расположенной с одной стороны центральной балки одновременно сопровождаются деформациями сжатия волоконной решетки Брэгга G2, расположенной с другой ее стороны, чем реализуется дифференциальное измерение. Деформации волоконных решеток Брэгга, сопровождающиеся изменениями их внутренней структуры, изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через оптическое волокно.
Благодаря использованию упругого элемента в виде пластинки Т-образной формы есть возможность задать необходимую величину рабочей деформации волоконных решеток Брэгга G1 и G2 при определенных деформациях упругого элемента, подбирая величину отступа уровня закрепления оптического волокна 3 от опорного элемента 2, поскольку амплитуда смещений центральной балки 4 различна для различных по высоте уровней этого отступа. Это рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае диапазона деформаций применяемых волоконных решеток Брэгга и конструктивных особенностей прибора в целом.