Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного оптического излучения.
Известны волоконно-оптические датчики распределения механического напряжения (растяжения) на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: http://nepa-ru.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, https://www.neubrex.com/htm/technology/kouseido.htm, дата обращения 28/06/2022), у которых само оптическое волокно на всем его протяжении представляет собой непрерывный распределенный чувствительный элемент.
Известен волоконно-оптический сенсор деформации, предназначенный для использования в распределенных волоконно-оптических системах мониторинга (4-th International Conference on Structural Health Monitoring on Intelligent Infrastructure (международная конференция SHMII-4) 2009, 22-24 июля, Цюрих, Швейцария доклад M.Iten, F.Ravet, M.Nikles, M.Facchini, T.Hertig, D.Hauswirth, A.Puzrin «Soil-embedded fiber optic strain sensor for detection of differential soil displacement»). Сенсор состоит из оптического волокна, покрытого армирующими покрытиями в числе которых, есть продольно сваренная встык трубка из нержавеющей стали, герметично запечатывающая оптическое волокно и повышающая стойкость сенсора к раздавливанию, проволочная броня из круглых стальных проволок для обеспечения высокой прочности сенсора на растяжение и его защиты от грызунов, герметичная защитная полимерная оболочка. Недостатком данного волоконно-оптического сенсора деформации является сложность конструкции в изготовлении и его высокая цена.
Также известен волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций (патент на изобретение РФ №2540256, опубл. 10.02.2015), содержащий, по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, одинаковые прямые продольные силовые элементы, наружную защитную полимерную оболочку. Оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с наружной защитной полимерной оболочкой, имеющей широкую сторону, обеспечивающую механический контакт с объектом мониторинга. Для защиты оптического волокна от раздавливающей нагрузки, действующей перпендикулярно широкой стороне наружной оболочки, волокно расположено между силовыми элементами совместно с последними в плоскости, параллельной широкой стороне наружной оболочки. Известный волоконно-оптический сенсор может содержать две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах защитной полимерной оболочки, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно в буферном покрытии раздвиганием в стороны силовых элементов.
К недостатку данного технического решения следует отнести недостаточность защитных покровов, что делает нецелесообразным его использование, когда возможны существенные внешние воздействия, например, при контроле деформаций в грунте.
Наиболее близкой к заявленной полезной модели (прототипом), из числа известных по совокупности признаков, является известный распределенный волоконно-оптический кабель сенсор деформации DiTeSt HDPE (URL: https://smartec.ch/en/product/ditest-hdpe-strain-sensor/, дата обращения 28.06.2022), который может использоваться в широком спектре приложений, требующих измерения распределенной деформации, в том числе для мониторинга подвижек грунта. Известный распределенный волоконно-оптический кабель сенсор деформации представляет собой небольшой гибкий армированный волоконно-оптический кабель с металлической центральной трубкой, броней из металлической проволоки и внешней оболочки из полиэтилена высокой плотности. Причем центральная металлическая трубка содержит одно оптическое волокно. Сенсор обеспечивает высокую прочность на растяжение, устойчивость к раздавливанию, продольную и боковую водонепроницаемость, стойкость к истиранию и защиту от грызунов.
Недостатком известного сенсора является сложность в изготовлении, так как требуется использовать специальное оборудование для заделки оптического волокна в металлическую трубку, что приводит к его удорожанию. Другим недостатком известного сенсора является сложность его разделки, для которой требуется использование специального инструмента для снятия металлической трубки с оптического волокна.
Другим недостатком известного сенсора является недостаточная механическая связь оптического волокна с наружной оболочкой, что снижает точность измерения деформации.
Поставленная задача состоит в разработке конструкции экономически эффективного, удобного для монтажа волоконно-оптического сенсора деформации растяжения, позволяющего измерять продольные деформации с максимальной точностью, сохранив при этом стойкость сенсора к внешним механическим воздействиям в процессе эксплуатации, транспортировки, хранения и монтажа.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание точного, защищенного от внешних воздействий, экономически эффективного и удобного в применении волоконно-оптического сенсора деформации.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций, содержит центральный сердечник, защитный покров из нитей и наружную полимерную оболочку, причем центральный сердечник содержит, по меньшей мере, одно чувствительное оптическое волокно, два прямых продольных силовых элемента, внутреннюю полимерную оболочку, причем оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с внутренней полимерной оболочкой, защитный покров выполнен в виде двух повивов нитей, наложенных в противоположных направлениях, а наружная полимерная оболочка выполнена с плотным обжатием защитного покрова в виде повива нитей.
Внутренняя полимерная оболочка волоконно-оптического сенсора может иметь прямоугольное сечение и содержать две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно раздвиганием в стороны силовых элементов. В каждом из наложенных в противоположных направлениях повивов защитного покрова волоконно-оптического сенсора количество нитей и шаг повива могут быть одинаковы. В качестве нитей защитного покрова могут быть использованы стеклонити или арамидные нити. В качестве продольных силовых элементов могут быть использованы стеклопластиковые прутки с полимерным покрытием или арамидопластиковые прутки с полимерным покрытием. Волоконно-оптический сенсор может содержать дополнительные вспарывающие нити, расположенные между защитным покровом и наружной полимерной оболочкой.
Краткое описание чертежей
На фиг .1 представлено поперечное сечение волоконно-оптического сенсора.
Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций содержит центральный сердечник (1), защитный покров (2) в виде двух повивов нитей и наружную полимерную оболочку (3). Центральный сердечник содержит, по меньшей мере, одно чувствительное оптическое волокно (4), два прямых продольных силовых элемента (5) и полимерную оболочку (6).
Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций может быть выполнен из стандартных материалов, традиционно применяемых при производстве оптических кабелей связи, которые являются коммерчески доступными (URL: http://2m.spb.ru/rus/materials, https://www.ruscable.ru/info/cable/optic-materials.html, дата обращения 28.01.2022).
В качестве чувствительного оптического волокна может использоваться одномодовое оптическое волокно стандарта ITU-T G.652 или G.657.
В качестве материалов полимерной оболочки прямоугольного сечения (6) и наружной полимерной оболочки (3) могут использоваться полиэтилен высокой плотности или композиция из ПВХ.
Внутренняя полимерная оболочка (6) может иметь прямоугольное сечение и содержать две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно раздвиганием в стороны силовых элементов (5).
Повивы защитного покрова (2) могут быть выполнены одинаковыми, т.е. содержать одинаковое количество нитей и иметь одинаковый шаг повива, вследствие чего, при приложении к сенсору продольной растягивающей нагрузки, будет предотвращен изгиб центрального сердечника (1) и, следовательно, изгиб оптического волокна, ведущий к росту потерь сигнала в сенсоре.
В качестве нитей защитного покрова (2) могут использоваться стеклонити или арамидные нити, которые применяются при изготовлении известных оптических кабелей связи.
В качестве продольных силовых элементов (5) могут использоваться стеклопластиковые прутки с полимерным покрытием, обеспечивающим адгезию к материалу внутренней полимерной оболочки (6), или арамидопластиковые прутки с полимерным покрытием, обеспечивающим адгезию к материалу внутренней полимерной оболочки (3). Указанные выше прутки являются коммерчески доступными и применяются при изготовлении известных оптических кабелей связи. Продольные силовые элементы (5) придают продольную механическую устойчивость центральному сердечнику (1).
Волоконно-оптический сенсор может содержать вспарывающие нити (рип-корды) (7), расположенные между защитным покровом (2) и наружной полимерной оболочкой (3). Вспарывающие нити могут использоваться аналогичные применяемым при изготовлении известных оптических кабелей связи, например, арамидные нити или полиэфирные нити. Наличие вспарывающих нитей (рип-кордов) (7), потянув за которые можно вспороть и снять наружную полимерную оболочку (3), упрощает разделку сенсора в процессе его монтажа и подключения к измерительному прибору.
Передача деформации растяжения от прикрепленной к объекту мониторинга наружной оболочки (3) к чувствительному оптическому волокну (4) может осуществляться следующим способом.
Наружная оболочка (3) выполнена с плотным обжатием защитного покрова (2) в виде повива нитей, что обеспечивает механическую связь центрального сердечника (1) и наружной оболочки (3) и, тем самым, позволяет передавать указанную деформацию от наружной оболочки (3) к центральному сердечнику (1). Так как полимерная оболочка (6) центрального сердечника (1) связана жестко с оптическим волокном посредством полимерного покрытия, то указанная выше деформация передается на чувствительное оптическое волокно и может быть измерена с помощью известных из уровня техники приборов, например, анализатора вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, который коммерчески доступен (URL: https://www.fibristerre.de/file_download/6/fibrisTerre_flver.pdf, дата обращения 28.01.2022).
Наличие вспарывающих нитей (рип-кордов) (7), потянув за которые можно вспороть и снять наружную полимерную оболочку (3) упрощает разделку сенсора в процессе его монтажа и подключения к измерительному прибору
Полимерная оболочка (6) центрального сердечника (1) содержит две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды (7) на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины. Наличие указанных борозд упрощает разделку центрального сердечника (1) волоконно-оптический сенсор, при его монтаже (подключении), которая может быть осуществлена раздвиганием в стороны продольных силовых элементов, что позволяет освобождать волокно (4).