СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к основным компонентам спектральных датчиков и преобразователей физических величин.
Известен радиационно-стойкий преобразователь деформации, содержащий упругую пластину, выполненную в виде четырехслойного компонента, в основании которого находится кремниевая подложка, а последующие слои - нижний изолирующий слой, фоточувствительный слой и верхний изолирующий слой, представляют собой диоксид кремния, в фоточувствительном слое сформирован волновод с чувствительным элементом в виде решетки Брэгга, при этом фоточувствительный слой легирован азотом. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 149551, МПК G01D 5/353, 10.01.2015.
Недостатком преобразователя является низкая чувствительность преобразования деформации в оптический сигнал. Известные значения предела прочности кремния и кварца (диоксида кремния), используемых для слоев упругой пластины, обуславливающие хрупкость данных материалов, не позволяют подвергать упругий элемент значительным деформациям. Малые деформации зачастую ограничивают диапазон измеряемых воздействий, то есть деформации решетки Брэгга в фоточувствительном слое упругой пластины будут малыми, и соответственно, разрешающая способность спектрального преобразования и сама чувствительность преобразователя - низкими.
При создании решетки Брэгга все же возможно некоторое варьирование параметра периода этой решетки, который, в соответствии с известным законом Брэгга, влияет на резонансную («брэгговскую») длину волны. Уменьшая, таким образом, период решетки Брэгга при ее формировании в волноводе, теоретически возможно повысить чувствительность брэгговского преобразования длины волны при последующих деформациях волновода. Это связано с тем, что при равном деформирующем воздействии на две решетки Брэгга изменение периода относительно исходного состояния всегда более выражено у той, которая изначально имеет меньший период. Однако следует помнить и то, что рабочая длина волны у решетки с меньшим периодом будет смещена (в соответствии с законом Брэгга) в коротковолновую область спектра относительно решетки Брэгга с большим периодом. На практике, такое повышение чувствительности (смещением «брэгговской» длины волны в коротковолновую область спектра) весьма затруднительно ввиду того, что основная доля выпускаемого спектрального оборудования, приспособлений и устройств (к которым относятся анализаторы, источники и приемники излучения) ориентирована на работу в спектральном диапазоне длин волн в окрестности 1,3 и 1,55 мкм. Использование спектрального участка в окрестности 1,3 мкм обусловлено минимальными потерями при дисперсии (спектральное уширение передаваемого светового импульса минимально и скорость передачи информации максимальна), а спектральная область в окрестности 1,55 мкм является перспективной с точки зрения минимальных потерь в световоде не более 0,2 дБ/км (О. Бутов. Волоконно-оптические световоды и датчики предупредят катастрофы; http://www.cnews.ru/reviews/index.shtml?2003/01/10/139370).
Из экономических соображений, оптические преобразователи и датчики разрабатываются именно с использованием широкодоступного оборудования. Изменение спектрального диапазона разрабатываемых измерительных устройств представляется неоправданным и нецелесообразным (применение специфичного, редкого оборудования сказывается на стоимости разработки в целом). В связи с этим наибольший интерес представляет разработка конструкции упругой пластины, которая бы позволяла повысить чувствительность спектрального преобразования за счет своих конструктивных особенностей и не требовала бы сложных решений, связанных с изменением рабочего спектрального диапазона приборов.
Известен волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий по крайней мере одну волоконную решетку Брэгга, в котором оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 135119, МПК G01D 5/353, 27.11.2013. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является отсутствие конструктивных элементов, позволяющих повысить чувствительность преобразования деформации в оптический сигнал. Как уже отмечалось, известные значения предела прочности хрупких материалов, к которым относятся монокристаллический сапфир, кремний и кварц, не позволяют подвергать упругий элемент деформациям, соответствующим рабочим деформациям волоконной брэгговской решетки (ВБР), закрепленной на нем. Упругие неметаллические элементы (подложки), используемые как самостоятельные компоненты преобразователя, по толщине всегда значительно превышают толщину (диаметр) кварцевого оптического волокна (0,125 мм), закрепленного на них. Поэтому допустимая изгибающая деформация таких сборок всегда ограничена допустимой деформацией упругой пластинки. Конструкции упругих элементов данного типа (пластинки из хрупких материалов) требуют усиления деформирующего воздействия на волоконную решетку Брэгга. В противном случае, волоконная решетка Брэгга используется не на всем диапазоне своей допустимой деформации (который составляет около 0,3% от ее длины), а на более уменьшенном диапазоне. Разрешающая способность спектрального преобразования при этом будет невысока, и чувствительность преобразования, таким образом, оказывается сниженной.
Решением задачи повышения чувствительности применительно к волоконным брэгговским преобразователям, имеющим в своем составе упругий элемент из кварца или монокристаллического сапфира, кремния, либо же из другого хрупкого материала, является разработка такой геометрической формы используемой упругой пластинки, которая бы позволяла повысить чувствительность преобразования деформации в оптический сигнал. Также одной из задач при обеспечении технического результата является исключение необходимости выполнения сложных техпроцессов и сведение к минимуму количества изменений в геометрию упругих пластин (подложек) простых прямоугольных форм.
Техническим результатом является повышение чувствительности спектрального преобразователя.
Технический результат достигается тем, что спектральный преобразователь деформации содержит волоконную решетку Брэгга, упругий элемент преобразователя деформации, выполненный в виде пластинки прямоугольной формы из кварца или монокристаллического материала. Пластинка закреплена консольно и содержит сквозной П-образный вырез, разделяющий пластинку на деформируемую внешнюю и недеформируемую внутреннюю части с возможностью фиксации на них оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга, причем волоконная решетка Брэгга расположена на оси симметрии П-образного выреза между внутренней и внешней частями пластинки.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1-3.
На фиг. 1 схематично представлен упругий элемент спектрального преобразователя деформации с закрепленной на нем волоконной решеткой Брэгга, где: 1 - деформируемая консоль, 2 - опорный элемент, 3 - оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга, 4 - недеформируемая консоль, 5 - адгезионный материал, G - волоконная решетка Брэгга.
На фиг. 2 схематично представлено соотношение величин относительной деформации поверхности упругого элемента спектрального преобразователя деформации (и закрепленного на нем оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга) при отсутствии в его структуре недеформируемой части.
На фиг. 3 схематично представлено соотношение величин относительной деформации частей упругого элемента спектрального преобразователя деформации (и закрепленного на нем оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга) при наличии в его структуре недеформируемой части, в виде недеформируемой консоли 4.
Упругий элемент спектрального преобразователя деформации содержит П-образный сквозной вырез, выделяющий в его структуре деформируемую (под действием внешней силы F) часть в виде деформируемой консоли 1 и недеформируемую (под действием внешней силы F) часть в виде недеформируемой консоли 4 (фиг. 1).
Упругий элемент спектрального преобразователя деформации выполнен в виде прямоугольной пластинки из кварца или монокристаллического материала (например, кварца, сапфира, кремния и др.) для закрепления на ней оптического волокна 3 с волоконной решеткой Брэгга таким образом, чтобы волоконная решетка Брэгга (на чертеже условно обозначена «G») была расположена на оси симметрии П-образного выреза между внутренней и внешней частями пластинки. При этом места закрепления оптического волокна 3, обозначенные на фиг. 1 в виде круглых зон адгезионного материала 5, расположены по обе стороны волоконной решетки Брэгга - на деформируемой консоли 1 и недеформируемой консоли 4. Упругий элемент спектрального преобразователя деформации закреплен в опорном элементе 2, представляющем собой, в общем случае, деталь несущей конструкции преобразователя (датчика).
Упругий элемент спектрального преобразователя деформации выполнен из кварца или монокристаллического материала (сапфира или кремния), исходя из близких по отношению к материалу оптического волокна коэффициентов температурного расширения. Кроме того, использование монокристаллических подложек повышает точностные параметры преобразования (за счет уменьшения явлений гистерезиса, возникающих в результате малых пластических деформаций в структуре материала).
Преобразуемая деформация имеет силу F, приложенную к деформируемой консоли 1, в то время как противоположная часть упругого элемента, в области его закрепления в опорном элементе 2, не подвержена воздействию деформации. П-образный вырез выполнен таким образом, чтобы недеформируемая консоль 4 не подвергалась деформациям под действием внешней силы F.
Назначение недеформируемой консоли 4 состоит в передаче «нулевой» деформации, которая имеет место в области закрепления упругого элемента преобразователя деформации в опорном элементе 2, к малому участку оптического волокна 3, содержащему волоконную решетку Брэгга (G).
Передача «нулевой» деформации к малому участку оптического волокна 3, содержащему волоконную решетку Брэгга, позволяет достичь заявляемый технический результат в повышении чувствительности спектрального преобразования. Необходимость в передаче «нулевой» деформации поясняется следующим образом.
При деформации под действием силы F консольно-закрепленной пластинки возникает поверхностное натяжение оптического волокна 3, закрепленного на ней. Из теории сопротивления материалов известно, что продольная деформация прямоугольной консольно-закрепленной пластинки является функцией прилагаемой воздействующей силы на подвижный свободный конец пластинки и не зависит от места приложения силы, то есть, деформация равномерно распределена по всей пластинке, и является линейной функцией приложенной силы (см., например, исследовательскую работу Y. Zhao et al. (China). Novel target type flowmeter based on a differential fiber Bragg grating sensor / Measurement, 38 (2005), 230-235).
1
1
1
1
Таким образом, при отсутствии на пластинке недеформируемой части, деформация, при воздействии внешней силы F, распределяется равномерно по всей длине пластинки L (см. фиг. 2) и оптическое волокно 3 подвергается деформации, приходящейся на тот участок пластинки L, на котором оптическое волокно закреплено посредством адгезионного материала 5. В таком случае величина относительного изменения длины оптического волокна 3, как показано на фиг. 2, будет постоянной при любых значениях L, т.к. при уменьшении участка закрепления оптического волокна L уменьшается и величина деформации, приходящаяся на этот участок ΔL.
Недеформируемая часть упругого элемента преобразователя деформации в виде недеформируемой консоли 1 позволяет передать деформацию, приходящуюся на всю длину упругого элемента L (от области его «нулевой» деформации у опорного элемента 2 до области закрепления оптического волокна на деформируемой консоли 1), к малому участку оптического волокна 3, содержащему волоконную решетку Брэгга (G), как это условно изображено на фиг. 3.
Таким образом, величина относительной деформации оптического волокна 3 в области волоконной решетки Брэгга (G) может быть значительно увеличена, что обеспечивает повышение чувствительности спектрального преобразования.
При этом крутизна характеристики преобразования деформации упругим элементом в деформацию оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга будет зависеть от соотношения длины упругого элемента и длины участка закрепления оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга (определяемой длиной недеформируемой консоли 4). Размеры всех участков конструкции упругого элемента спектрального преобразователя деформации с учетом физических свойств материала рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае диапазона изменений величины измеряемого воздействия F.
В качестве адгезионного материала для закрепления оптического волокна может применяться стеклоприпой СЦНК 77-2 или клей, например, марки К300.
Спектральный преобразователь деформации работает следующим образом.
Воздействие внешней силы F на деформируемую консоль 1 упругого элемента спектрального преобразователя деформации посредством недеформируемой консоли 4 передают на малый участок оптического волокна 3, содержащий волоконную решетку Брэгга (G). Деформации волоконной решетки Брэгга, сопровождающиеся изменением ее геометрических параметров, изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через оптическое волокно от излучателя к приемнику излучения (излучатель и приемник излучения на чертежах не показаны).
Наличие в упругом элементе спектрального преобразователя деформации деформируемой и недеформируемой частей, представляющих из себя консоли и сформированных посредством П-образного выреза в прямоугольной пластинке, позволяет достаточно простым, технически доступным способом повысить чувствительность преобразования деформации в спектральных чувствительных элементах.