Устройство спектрального преобразователя вибрации
DEVICE OF A SPECTRAL VIBRATION CONVERTER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам преобразования вибрации.
Известно устройство для преобразования вибраций, в котором использована волоконная брэгговская решетка (ВБР), закрепленная на тонкой металлической пластинке, на одном конце зажатая между корпусными элементами массивной рамки. Для передачи деформации на пластинку на ее свободном конце закрепляют груз. Внешние измеряемые вибрации передаются на один конец тонкой пластинки, закрепленный в рамке, в то время как инерционная масса в виде подвешенного груза оказывает на второй конец пластинки деформирующее воздействие. Деформации пластинки и, соответственно, ВБР, закрепленной на ней вызывают изменения периода волоконной решетки, который в свою очередь определяет ее резонансный отклик. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Bentham eBooks (2011), ISBN: 978-1-60805-084-0, p. 149-150.
Данное устройство преобразования вибраций достаточно простое в реализации, однако его недостатком является невысокая точность преобразования. Наличие упругого элемента в виде металлической пластинки и закрепленного на ней груза не предполагает использования такого способа преобразования вибраций в ответственных приборах и средствах измерения, поскольку в металлических конструктивных элементах неизбежно возникают остаточные пластические деформации, приводящие к потере точности преобразования и дополнительным погрешностям, связанным с различием в температурных коэффициентах расширения кварцевого волокна и металлов.
Известно устройство и способ преобразования вибраций, включающий использование металлического корпуса и инерционной массы в виде шарика, закрепленного посредством металлического Г-образного рычага к одному из концов оптического волокна с ВБР. Второй конец волокна, при этом, закреплен на жестком основании корпуса. Шарик снизу поджат пружиной. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Bentham eBooks (2011), ISBN: 978-1-60805-084-0, p. 201-202.
Недостатком данного технического решения является невысокая точность преобразования вибраций в оптический сигнал, поскольку описанный способ преобразования предполагает использование пружины, поджимающей инерционную массу. Возникающие малые колебания пружины, ее остаточные деформации, а также явления гистерезиса в металлических рычажных элементах, не позволяют производить точных преобразований вибраций.
Известен спектральный преобразователь вибрации с повышенной точностью спектрального преобразования за счет использования конструктивных элементов специальной формы из неметаллического материала. Устройство содержит волоконную решетку Брэгга, а также инерционную массу и корпусной элемент, выполненные в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром. Мембрана закреплена на кварцевой пластине, волоконная решетка Брэгга закреплена между мембраной и пластиной. Патент Российской Федерации на полезную модель №186775, МПК G01L 7/08, G01L 11/02, 01.02.2019. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
В прототипе оптическое волокно закрепляют в осевом отверстии кварцевой мембраны и кварцевой пластины, которые соединяют между собой посредством диффузионной пайки. Такое техническое решение позволяет повысить точность спектрального преобразования вибрации. Однако необходимость соединения мембраны и пластины диффузионной пайкой требует сложных технологических операций, влияющих на повторяемость результатов, что ограничивает область применения способа.
В предложенном устройстве задача повышения точности спектрального преобразования решена за счет использования конструктивных элементов специальной формы из неметаллического материала, выполненных на основе аддитивных технологий.
Техническим результатом является повышение точности спектрального преобразователя вибрации.
Технический результат достигается тем, что устройство спектрального преобразователя вибрации содержит корпусной элемент и инерционную массу, выполненные в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром. Массивный жесткий центр выполнен внутри замкнутой полости мембраны. С внешней стороны на противоположных торцах мембраны закреплено оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга таким образом, что с одной стороны от волоконной решетки Брэгга оптическое волокно зафиксировано на одном торце мембраны, а с другой стороны - на другом торце, с возможностью передачи на участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брэгга, вибрационного воздействия, вызывающего малые прогибы одного из торцов мембраны, обусловленные колебаниями ее жесткого центра.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлено устройство спектрального преобразователя вибрации, где:
1 - мембрана;
2 - жесткий центр мембраны (инерционная масса);
3 - оптическое волокно;
4 - волоконная решетка Брэгга;
5 - адгезионный материал.
Устройство спектрального преобразователя вибрации содержит инерционную массу, которая сформирована за одно целое с корпусным элементом в виде кварцевой мембраны 1. Инерционная масса выполнена в виде массивного жесткого центра 2 внутри замкнутой полости мембраны. С внешней стороны, на противоположных торцах мембраны, закреплено оптическое волокно 3 с волоконной решеткой Брэгга 4 таким образом, что с одной стороны от волоконной решетки Брэгга оптическое волокно зафиксировано на одном торце мембраны, а с другой стороны - на другом торце.
Спектральное преобразование вибрации осуществляется следующим образом.
Вибрационное воздействие М, вызывающее малые прогибы одного из торцов мембраны 1, обусловленные колебаниями ее жесткого центра 2, т.е. колебаниями инерционной массы относительно всей конструкции, передают на участок оптического волокна 3, содержащий волоконную решетку Брэгга 4. Деформации волоконной решетки Брэгга 4 вызывают изменения спектральных свойств излучения, прошедшего через оптическое волокно от излучателя к приемнику излучения (излучатель и приемник излучения на чертеже не показаны).
Преобразование вибраций с использованием корпусного элемента - мембраны и инерционной массы, выполненных в виде единой детали, обеспечивает не только выраженную физическую согласованность кварцевого оптического волокна и конструктивных элементов преобразователя вибрации, но и предотвращает возникновение остаточных деформаций в элементах конструкции, присущих металлам, что повышает точностные параметры преобразования.
Для изготовления мембраны с массивным жестким центром, выполненным внутри ее полости, используют аддитивную технологию, заключающуюся в послойной печати трехмерной детали, при которой выполняется селективное отверждение фотополимеризуемой суспензии с помощью управляемого компьютером лазерного луча. При таком формообразовании мембраны возможна реализация разных по конфигурации внутренних конструктивных элементов мембраны. Таким образом, данное техническое решение позволяет минимизировать количество конструктивных элементов преобразователя до одной детали - мембраны, уменьшив тем самым дополнительные погрешности, присущие каждому элементу в кинематической схеме устройств, что позволяет достичь заявленный технический результат в повышении точности спектрального преобразователя вибрации.
При реализации предложенного технического решения оптическое волокно 3 закрепляют в осевом отверстии мембраны 1 с возможностью выбора необходимой длины закрепления волоконной решетки Брэгга 4, т.е. промежутка между точками закрепления 5, который определяет деформируемую область волокна, влияющую на чувствительность преобразователя к вибрациям. Крутизна характеристики преобразования при этом будет зависеть от соотношения размеров всех конструктивных элементов мембраны, определяющих, в том числе, и длину закрепления волоконной решетки Брэгга. Такие геометрические параметры рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае диапазона изменений величины вибрационного воздействия М.
Последующее закрепление кварцевой мембраны 1 в измерительных устройствах и системах может быть выполнено посредством корпусной оправы. В качестве адгезионного материала для закрепления оптического волокна в отверстии мембраны может применяться, например, цемент стеклокристаллический СЦНК 77-2.
В результате поиска, на основании источников патентной и технической информации, не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с изобретением. Предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение, обладающее новизной и изобретательским уровнем.