ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
FIBRE-OPTIC TENSOMETRIC SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения напряжений и перемещений, связанных с деформаций объектов и опытных образцов при механических испытаниях, объектов, деформирующихся под действием внешней нагрузки.
Известен волоконно-оптический датчик для измерения деформаций объекта (патент РФ №2003115958), содержащий линию задержки, последовательно установленные лазерный излучатель, направленный ответвитель, один выход которого соединен с устройством ввода излучения в измерительный преобразователь, состоящий из секций волоконно-оптического кабеля, а второй - с оптическим входом фотоприемника, выход которого подключен к входу устройства управления и обработки через усилитель. Недостатком датчика является амплитудный метод измерений, из-за которого удаленность размещения датчика от регистратора напрямую влияет на точность измерения, а также любые вибрационные нагрузки на датчик вносят дополнительную погрешность измерений. Также недостатками датчика являются его выходные массогабаритные размеры, отсутствие возможности работоспособности при высоких температурах.
Известен волоконно-оптический датчик перемещений (SU 1767327), содержащий тактильный преобразователь и дифференциальный усилитель, что позволяет производить калибровку датчика на линейном участке статической характеристики, компенсировать оптические шумы и температурный дрейф, осуществлять измерение как многократных, так и однократных перемещений. Недостатком датчика являются его выходные массогабаритные размеры, отсутствие возможности работоспособности при высоких температурах.
Наиболее близким аналогом является волоконно-оптический датчик деформации (JP 3797880), содержащий волоконную решетку Брэгга (ВБР), приклеенную к металлической конструкции датчика, используемой для измерения силы натяжения и силы сжатия с высокой чувствительностью, при этом ВБР расположена в области деформации. Недостатком датчика являются его выходные массогабаритные размеры, отсутствие возможности работоспособности при высоких температурах. Также недостатком датчика является отсутствие температурной компенсации, и конструкция датчика не обеспечивает защиту ВБР от внешних воздействий, что уменьшает время работоспособности датчика в целом.
С помощью заявленного изобретения решается техническая задача уменьшения массогабаритных размеров датчика, повышения точности измерения, уменьшения влияния внешних воздействий на точность измерения, упрощения конструкции датчика, обеспечение возможности работоспособности датчика при высоких температурах и повышенном радиационном фоне.
Поставленная задача решается тем, что волоконно-оптический тензометрический датчик состоит из оптического волокна, покрытого металлом, по меньшей мере, двух волоконных брэгговских решеток (ВБР), защитной трубки и корпуса датчика; при этом оптическое волокно в зоне каждой из двух ВБР легировано германием, а вне зоны ВБР легировано фтором для повышения радиационной стойкости, при этом волокна соединены в единое волокно посредством сварного соединения; при этом расположение ВБР позволяет изолировать одну из ВБР от влияния деформации для обеспечения термокомпенсации, оптическое волокно жестко закреплено в защитной трубке, защитная трубка жестко закреплена на корпусе датчика, корпус датчика имеет глухие отверстия для возможности крепежа к объекту испытаний.
Заявляемое изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена схема волоконно-оптического тензометрического датчика, на фиг. 2 - оптического волокна.
Тензометрический датчик (фиг. 1) состоит из оптического волокна, покрытого оболочкой из металла (1) с двумя ВБР, одна из которых является сенсором механической деформации датчика (2), другая - сенсором изменения температуры датчика (3), защитной трубки (4) и корпуса датчика (5). При этом волокно (1) жестко закреплено (6) в защитной трубке (4), а защитная трубка (4) жестко закреплена (7) на корпусе датчика (5). Корпус датчика имеет глухие отверстия (8) для возможности крепежа к объекту испытаний.
Оптическое волокно (фиг. 2) покрыто оболочкой из металла (1) с двумя ВБР, одна из которых является сенсором механической деформации датчика (2), другая - сенсором изменения температуры датчика (3). При этом оптическое волокно в зоне каждой из двух ВБР (9) легировано германием для повышения фоточувствительности, а вне зоны каждой из двух ВБР (10) легировано фтором для повышения радиационной стойкости, при этом волокна соединены в единое волокно посредством сварного соединения (11).
Технический результат, получаемый в предлагаемом датчике, достигается тем, что измерение деформации осуществляется методом регистрации спектрального сдвига решетки Брэгга, путем перераспределения нагрузки на корпус датчика в осевую нагрузку решеток Брэгга. Благодаря расположению ВБР, конструкции корпуса датчика, локального места крепления к объекту части корпуса, при деформационном воздействии достигается осевое сжатие/растяжение одной ВБР, и при этом отсутствие такового на второй ВБР. Такая конструкция позволяет проводить отстройку от температурного влияния на датчик, что повышает его точность и надежность. Два типа легирования оптического волокна позволяют обеспечить повышенную радиационную стойкость оптического волокна, а также увеличенную фоточувствительность в области ВБР. Оптические волокна соединяются в один посредством сварного соединения. При установке датчика на испытуемый объект его зафиксированное положение принимается за нулевое недеформированное состояние. Способ крепления оптического волокна, тип покрытия оптического волокна, а также метод крепления других элементов датчика позволяют существенно расширить температурный диапазон работы датчика, а также существенно повысить его надежность и долговечность с обеспечением минимальных массогабаритных размеров датчика. Метод является простым в исполнении - процесс записи ВБР в оптическом волокне технологичен и может быть легко автоматизирован, получающийся датчик обладает высокой надежностью, в реализуемом методе достигается практически полное отсутствие внешних воздействий на точность измерения, благодаря спектральному методу измерения, в отличие от широко распространенных амплитудных методов.