Волоконно-оптический комбинированный сенсор

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров, на основе регистрации распределения параметров структуры рассеянного излучения, в которых оптические волокна используются в качестве чувствительных элементов.
Для измерения распределения температуры в оптическом волокне используются методы, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (КР, или эффект Рамана) и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ).
Эффект КР обусловлен взаимодействием излучения с тепловыми молекулярными колебаниями в среде. Отраженный (Рамановский) сигнал содержит информацию о температуре в точке рассеяния. Поскольку мощность Рамановского излучения очень мала, в качестве чувствительного элемента обычно используются многомодовые волокна с большой апертурой.
Известны волоконно-оптические распределенные сенсоры, предназначенные для мониторинга различных объектов, работа которых основана на регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, например волоконно-оптические датчики измерения распределения температуры, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (эффект Рамана), в которых амплитуда рассеянного сигнала зависит от температуры (URL: http://temperatures.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury, дата обращения 13/03/2015; URL: http://www.thermal-rating.com/Menu/Technology/Distributed+Temperature+Sensing, дата обращения 13/03/2015; URL: http://www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/, дата обращения 13/03/2015; патент на полезную модель РФ №65223, опубликован 27/07/2007).
Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне возникает в результате взаимодействия излучения с акустическими волнами (звуковыми волнами) гигагерцового диапазона. Этот эффект можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния.
Таким образом, в датчиках на основе РМБ измеряется частота, в датчиках на основе КР - интенсивность сигнала. Частотные измерения можно осуществить с высокой точностью, в то время как интенсивность сигнала рассеянного излучения зависит от потерь во всем оптическом тракте, которые могут меняться со временем. Поэтому сенсоры, использующие эффект РМБ, обладают большей точностью и лучшей стабильностью во времени.
Эффект РМБ может значительно усиливаться, если в световод наряду с основным сигналом (сигналом накачки) ввести так называемый пробный сигнал. При выполнении условия резонанса, когда разность частот излучения накачки и пробного сигнала в точности равна Бриллюэновскому сдвигу частоты, мощность рассеянного излучения существенно усиливается (эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, ВРМБ). Частота пробного сигнала, при которой выполняется условие резонанса, зависит от температуры и внутреннего механического напряжения в оптическом волокне. За счет увеличения мощности рассеянного сигнала улучшается отношение сигнал-шум в выходных данных. Это, в свою очередь, значительно снижает время измерения и повышает точность измерения в точке рассеяния.
Определение места, в котором измеряется температура или деформация, происходит на основе технологии, схожей с применяемой в радарных установках (рефлектометрия). В оптическое волокно запускаются лазерные импульсы, и характеристики рассеянного излучения записываются как функции времени. При известном значении скорости света можно вычислить температуру или величину деформации (растяжения) оптического волокна в зависимости от расстояния. Пространственное разрешение таких измерений определяется длительностью оптического импульса (например, импульсы длительностью 10 не задают точность измерения расстояния, равную 1 м). Оптические рефлектометры позволяют измерять распределение деформации или температуры в оптическом волокне длиной свыше нескольких километров. Частотный сдвиг Мандельштама-Бриллюэна для стандартных одномодовых волокон составляет примерно 500 МГц на один процент удлинения волокна (иные воды деформации могут быть представлены через удлинение) и примерно 1 МГц/град.
Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: http://neparu.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, дата обращения 13/03/2015; URL: http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/, дата обращения 13/08/2014). Недостатком известных сенсоров является невозможность одновременного измерения в одном и том же сенсоре температуры и деформации, что усложняет задачу измерения распределений деформации и температуры, так как требует использования двух типов сенсоров: деформации и температуры.
Конструкция волоконно-оптического сенсора температуры на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна должна обеспечивать нечувствительность сенсора к деформации (растяжению), что достигается свободной укладкой оптического волокна с избыточной длиной внутри оптического модуля, а также за счет повива оптического модуля вокруг центрального элемента, с требуемым шагом. Чем меньше шаг повива модуля, тем больше избыточная длина оптического волокна, тем больше ресурс нечувствительности к растяжению. Точно так же через избыточную длину оптического волокна обеспечивается нечувствительность к растяжению, изгибу, кручению, в оптических кабелях связи, для сохранения их передаточных характеристик. Следовательно, большинство конструкций оптических кабелей связи применимы в качестве сенсоров распределения температуры на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна. Применение внутримодульного гидрофобного заполнения улучшает также и тепловой контакт.
Сенсоры деформации (растяжения) на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна должны содержать оптические волокна, расположенные строго параллельно оси сенсора, в плотном механическом контакте с наружными оболочками сенсора и объектом мониторинга. Конструкция сенсора деформации должна исключать взаимное скольжение ее элементов в диапазоне допустимых деформаций.
Известен волоконно-оптический комбинированный сенсор распределения деформации и температуры, предназначенный для систем мониторинга на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, представленный в патенте на полезную модель РФ №122773, опубликованном 10/12/2012. Известный сенсор позволяет регистрировать распределение деформации посредством плотной, без проскальзывания, связи первого оптического волокна с армирующим покрытием и наружной оболочкой и одновременно регистрировать изменения температуры через параллельно размещенное, свободно уложенное в полимерном модуле, второе оптическое волокно. Известный сенсор содержит оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, армирующее покрытие и наружную полимерную оболочку, а также дополнительное оптическое волокно, свободно уложенное в оптическом модуле. Недостатком известного сенсора является сложность технологии его изготовления.
Известно техническое решение, представленное в патенте РФ на полезную модель №122784, опубликованном 10.12.2012, которое позволяет производить независимые измерения температурного распределения и распределения механических напряжений с помощью технологии бриллюэновской рефлектометрии. Техническое решение содержит центральный оптический модуль в виде одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке с возможностью предотвращения их осевого перемещения относительно последней, периферийные оптические модули, выполненные в виде одномодовых оптических волокон, свободно уложенных в трубчатые элементы, охватывающие центральный оптический модуль спиральным одно или двухслойным повивом по его длине, водоблокирующую обмотку, размещенную поверх периферийных оптических модулей и охваченную снаружи промежуточной оболочкой, и броню, размещенную между промежуточной и наружной оболочками. Для предотвращения осевого перемещения одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке, относительно последней, металлическая трубка с размещенными в ней одномодовыми оптическими волокнами заполнена тиксотропным гелем повышенной вязкости или кремнийорганическим компаундом с низким модулем упругости и химическим отверждением. Периферийные трубчатые элементы со свободно уложенными в них оптическими волокнами выполнены из полимера, например полиэтилена, и заполнены тиксотропным гелем стандартной вязкости. К недостаткам данного технического решения следует отнести технологическую сложность обеспечения механической связи покрытия оптического волокна с внутренней поверхностью металлической трубки. Даже применение химически отверждаемых кремнийорганических компаундов не создает уверенности в отсутствии взаимного скольжения оптического волокна относительно металлической оболочки модуля, которое приводит к снижению точности измерения деформации. Другим недостатком является малый диапазон упругой деформации растяжения металлического модуля и металлической брони (типично не более 0,5%), что снижает диапазон допустимых внешних воздействий, особенно неоднократных, как, например, в процессе монтажа. Кроме того, малый диапазон упругой деформации растяжения металлического модуля снижает метрологические характеристики в целом, особенно при измерении знакопеременных деформаций в области пластических деформаций металла.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели решением (прототипом) является комбинированный волоконно-оптический сенсор, представленный в патенте РФ на полезную модель №159893, опубликованном 01.02.2016. Волоконно-оптический сенсор температуры и деформации на основе регистрации продольного распределения параметров рассеянного излучения содержит центральный оптический модуль в виде трубки с размещенным в ней плотно, без скольжения, оптическим волокном, периферийные оптические трубчатые модули в виде сплошного повива вокруг центрального модуля со свободно уложенными в них оптическими волокнами, армирующие элементы и наружную защитную оболочку и отличается тем, что центральный оптический модуль выполнен в виде армированного волокном стеклопластикового или арамидопластикового прутка с вклеенным по его оси оптическим волокном.
К недостаткам прототипа, помимо технологической сложности изготовления, следует отнести распределенные по его длине неизбежные отклонения положения оптического волокна от оси сенсора, локальные изгибы волокна, а также распределенные по длине сенсора неравномерности его натяжения, что приводит к значительным локальным неоднородностям рефлектограммы частотного сдвига вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и, следовательно, к снижению чувствительности сенсора в целом.
-2
Очевидная простота идеи размещения вдоль оси сенсора оптического волокна, предназначенного для измерения растяжения, сталкивается с рядом технологических трудностей. Применение для этой цели непосредственно оптического волокна в качестве сенсора затруднительно в силу его недостаточной прочности. Даже применение оптического волокна в плотном полимерном покрытии бывает недостаточно по тем же причинам, поскольку сопротивление удлинению обусловлено в основном упругостью самого оптического волокна. Растягивающая нагрузка примерно в 10 Ньютон приводит к 1% удлинению, что соответствует величине смещения частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (для стандартных одномодовых волокон) примерно 500 МГц. Реальные продольные неоднородности (в пределах разрешения по длине порядка 1 метра), связанные с нестабильностью параметров технологических процессов, составляют не менее 10 МГц, что соответствует 2×10% величине локальной неоднородности растяжения.
Другая технологическая сложность связана с невозможностью размещения оптического волокна строго на оси сенсора, что приводит к дополнительному разбросу смещения частоты рассеяния при изгибе сенсора. Так намотка сенсора на барабан с диаметром шейки 500 мм приводит к дополнительной неоднородности порядка 50 МГц в пределах разрешения по длине порядка 1 метра.
Поставленная задача состояла в разработке конструкции комбинированного сенсора, предназначенного для измерения распределения температуры и деформации, со значительно уменьшенной исходной неоднородностью рефлектограммы Мандельштама-Бриллюэна.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический комбинированный сенсор продольного распределения деформации и температуры на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеяния Мандельштама-Бриллюэна содержит по меньшей мере одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, по меньшей мере одно оптическое волокно, свободно, с избыточной длиной, уложенное в оболочке оптического модуля, в виде полимерной трубки, центральный силовой цилиндрический элемент, армирующие элементы, промежуточную и наружную защитную оболочку и отличается тем, что оптические волокна в плотном полимерном покрытии и оптические модули скручены в виде сплошного повива вокруг центрального силового элемента, в виде прутка из стеклопластика или арамидопластика с постоянным по длине шагом, а величина шага повива много меньше величины пространственного разрешения продольного распределения параметров рассеянного излучения.
Полезная модель иллюстрируется чертежом. На чертеже представлено сечение волоконно-оптического комбинированного сенсора температуры и деформации.
Заявленная полезная модель содержит оптическое волокно 1 в плотном полимерном покрытии 2, центральный силовой цилиндрический элемент 3, свободно уложенные оптические волокна 4 в оболочке оптического модуля 5, промежуточную полимерную оболочку 6, армирующие элементы 7 и наружную защитную оболочку 8.
Очевидно, что скрутка оптического волокна в плотном полимерном покрытии (в общем сплошном повиве с оптическими модулями, со свободно уложенными оптическими волокнами) уменьшает величину преобразования натяжения сенсора в величину сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на множитель, равный косинусу угла повива.
С другой стороны, скрутка оптического волокна усредняет, в пределах длины разрешения рефлектограммы, технологический разброс продольного натяжения, разброс локального отклонения положения волокна от оси сенсора.
Так, реальная скрутка из шести элементов повива, содержащего оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, диаметром 1,8 мм и пять оптических модулей диаметром по 1,8 мм, в каждом из которых содержится одно свободно уложенное оптическое волокно, скрученное с шагом 65 мм, позволяет получить не более 7 МГц неоднородности рефлектограммы с продольным разрешением 1 метр.
Заметим также, что при указанных параметрах скрутки оптических модулей обеспечивается избыточная длина оптических волокон, достаточная для обеспечения их нечувствительности к растяжению сенсора, что позволяет интерпретировать их рефлектограмму Мандельштама-Бриллюэна как распределение только температуры без влияния деформации сенсора в достаточном диапазоне (прядка 2%).
Далее приводятся сведения, подтверждающие промышленную применимость полезной модели. Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления сенсора на существующем традиционно используемом кабельном оборудовании с применением известных промышленно выпускаемых материалов.
Волоконно-оптический комбинированный сенсор продольного распределения деформации и температуры может быть изготовлен из составляющих его элементов на коммерчески доступном традиционном оборудовании для производства оптических кабелей связи. Например, типичные конструкции оптических кабелей связи, которые содержат в своем составе заполненные тиксотропным гелем оптические трубчатые модули в виде сплошного повива вокруг центрального элемента со свободно уложенными в них оптическими волокнами, армирующие элементы в виде повива из стеклопластиковых прутков или стальных проволок и наружную защитную оболочку, приведены на сайтах производителей кабелей (см., например, URL: http://intg.ru/production/pg/v-grunt_4.html, дата обращения 25/03/2015; http://intg.ru/production/pg/v-grunt_2.html, дата обращения 25/03/2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/12/, дата обращения 25/03/2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/10/. дата обращения 25/03/2015).