Спектральный преобразователь вибрации

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в информационных системах контроля сейсмической активности и обнаружения подземных ударных волн.
Известен волоконно-оптический преобразователь вибраций, конструкция которого представляет собой корпусной элемент в виде массивной рамки, внутри которой на тонкой металлической пластинке закреплен груз. Пластинка закреплена в корпусе (посередине рамки). На пластинке закреплено оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой (ВБР). Внешние вибрации корпуса 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. Изменение периода волоконной решетки вызывает изменение ее спектрального отклика. 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.
Преобразователь имеет достаточно простую конструкцию, однако наличие упругого элемента в виде металлической пластинки и закрепленного на ней груза не предполагает использования такой конструкции преобразователя вибраций в прецизионных измерителях и системах. Остаточные пластические деформации в металлических упругих элементах неизбежно приводят к потере точности преобразования при регистрации малых вибрационных воздействий.
Известен преобразователь вибраций, содержащий инерционную массу 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. 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. Данное техническое решение принятого в качестве прототипа.
Участок волокна с ВБР в данной конструкции подвергается равномерной осевой деформации при вибрационных воздействиях, однако устройство преобразователя не обеспечивает точной передачи малых вибрационных воздействий на ВБР ввиду того, что в конструкции шарик поджат пружинной с одной из своих сторон. Возникающие колебания пружины, ее остаточные деформации, а также явления гистерезиса в металлических рычажных элементах, не позволяют производить точных преобразований вибраций посредством данной конструкции.
В предложенном устройстве задача повышения точности преобразования малых вибрационных воздействий решена за счет использования конструктивных элементов специальной формы из неметаллического материала.
Техническим результатом является повышение точности спектрального преобразования вибрации.
Технический результат достигается тем, что спектральный преобразователь вибрации содержит корпусной элемент, волоконную решетку Брэгга и инерционную массу, корпусной элемент и инерционная масса выполнены в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром, мембрана закреплена на кварцевой пластине, волоконная решетка Брэгга закреплена между мембраной и пластиной.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:
1 - мембрана;
2 - пластина;
3 - жесткий центр мембраны (инерционная масса);
4 - оптическое волокно;
5 - волоконная решетка Брэгга;
6 - адгезионный материал.
Спектральный преобразователь вибрации содержит корпусной элемент в виде мембраны 1, закреплённой на пластине 2. Массивный жесткий центр 3 мембраны представляет собой инерционную массу. Оптическое волокно 4 с волоконной решеткой Брэгга 5 закреплено посредством адгезионного материала 6 одним своим концом на мембране 1, а другим - на пластине 2 так, чтобы при наличии воздействующих вибраций, волоконная решетка Брэгга 5 подвергалась деформациям.
Мембрана и пластина спектрального преобразователя вибрации выполнены из кварца, исходя из близких по отношению к материалу оптического волокна коэффициентов температурного расширения. Использование кварцевых деталей 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. Форма мембраны, позволяющая выполнить корпусной элемент и инерционную массу в виде единой детали, позволяет минимизировать количество конструктивных элементов преобразователя, уменьшив тем самым дополнительные погрешности, присущие каждому элементу в кинематической схеме преобразователей.
В предложенном устройстве оптическое волокно 4 закрепляется в осевом отверстии мембраны 1 и пластины 2 при этом конструкция позволяет выбрать необходимую длину закрепления волоконной решетки Брэгга 5, т.е. промежуток между точками закрепления 6, которая определяет деформируемую область волокна, влияющую на чувствительность преобразователя к вибрациям. Крутизна характеристики преобразования при этом будет зависеть от соотношения размеров конструктивных элементов преобразователя и длины участка закрепления оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга. Такие геометрические параметры рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае диапазона изменений величины вибрационного воздействия М.
Кварцевая мембрана 1 может быть закреплена на кварцевой пластине 2 посредством диффузионной пайки, а в качестве адгезионного материала для закрепления оптического волокна может применяться стеклоприпой СЦНК 77-2 или клей, например, марки К300.
Спектральный преобразователь вибрации работает следующим образом.
Вибрационное воздействие М, вызывающее малые прогибы мембраны 1, обусловленные колебаниями ее жесткого центра 3, т.е. колебаниями инерционной массы относительно всей конструкции, передают на участок оптического волокна 4, содержащий волоконную решетку Брэгга 5. Деформации волоконной решетки Брэгга 5 изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через оптическое волокно от излучателя к приемнику излучения (излучатель и приемник излучения на чертеже не показаны).
Устройство позволяет сформировать протяженную систему измерения вибраций в разнесенных точках одного оптического волокна, реализованную посредством нескольких волоконных решеток Брэгга.