Волоконно-оптический датчик усилий

Полезная модель относится к измерительным устройствам, содержащим оптические волокна, и может быть использована в различных измерительных системах для контроля и измерения усилий и давления.
Известно изобретение - волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержащий участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения, при этом участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав, а пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании, причем оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины, [патент РФ №2420719, кл. G01L 11/02, дата публикации 2011 г.].
Недостатками данного изобретения является невысокая надежность, выраженная в том, что внешнее давление, оказываемое на датчик и выходящее за пределы предусмотренных порогов при установке, может привести к выходу из строя датчика, либо выходной сигнал не будет достоверным, а также датчик не позволяет определять координату внешнего усилия на объект.
За прототип принят волоконно-оптический датчик для мониторинга железнодорожного пути, содержащий чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, размещенного внутри корпуса, согласно изобретению корпус снабжен средством для крепления его к рельсу и выполнен в виде стакана с симметрично расположенными отверстиями в нижней части боковой стенки, через которые пропущен волоконно-оптический кабель, удерживаемый эластичным наполнителем, которым заполнена нижняя часть полости корпуса, на поверхности эластичного наполнителя установлен цилиндрический элемент, взаимодействующий с подпружиненной головной частью датчика, у которой в центральное отверстие с резьбой ввернут шток с ограничителем, шток вставлен в центральное сквозное отверстие цилиндрического элемента, а между ограничителем и цилиндрическим элементом установлена пружина с регулируемой жесткостью посредством штока [патент РФ №2674547, кл. B61L 1/04, B61K 9/08, дата публикации 2018 г.].
Недостатками датчика прототипа являются невысокая надежность, связанная с характером оказываемых воздействий: при движении подвижной единицы, реборда ее колеса, взаимодействуя с датчиком, может вывести из строя его головную часть при указанном способе закрепления. Кроме того, конструкция датчика не позволяет определять координату внешнего усилия на чувствительный элемент.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей волоконно-оптического датчика усилий, а именно возможность измерять внешнее усилие, оказываемое на чувствительный элемент и определять координату этого силового воздействия при мониторинге состояния длинномерных объектов.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический датчик усилий, содержащий основание датчика с крепежными отверстиями, оптическое волокно, эластичный материал согласно полезной модели с целью расширения функциональных возможностей содержит второе оптическое волокно, пазы под волокна, упорную крышку, демпфирующий материал, элемент изгиба с изгибающей волокна головкой, при этом на основание укладывается второе оптическое волокно перпендикулярно первому волокну на эластичный материал, который помещается в углубление основания, на котором находятся пазы под волокна, которые присутствуют и на нижней части упорной крышки, которая закрепляется на основании, в которой располагается демпфирующий материал, на который крепится элемент изгиба с изгибающей волокна головкой.
Таким образом, предложенная полезная модель позволит расширить функциональные возможности волоконно-оптического датчика усилий, а именно измерять внешнее усилие, оказываемое на чувствительный элемент и определять координату этого силового воздействия при мониторинге состояния длинномерных объектов.
На фиг. 1 представлен волоконно-оптический датчик усилий: с выделенными составными компонентами; взаимодействие компонентов в рабочем состоянии; в собранном виде.
На фиг. 2 изображен элемент изгиба 8 и особенности изгибающей волокна головки 9.
Волоконно-оптический датчик усилий (фиг. 1) содержит следующие компоненты: основание 1, выполнено в форме стакана с крепежными отверстиями 2 для установки на объект мониторинга. Два оптических волокна 3 уложены перпендикулярно на эластичный материал 4. Эластичный материал 4 (например, цилиндрической формы), помещается в углубление стакана основания 1 и закрепляется в нем при помощи клея. Пазы 5 выполнены с целью расположения волокон 3 на стакане основания 1 и на нижнем основании упорной крышки 6. Упорная крышка 6 закрепляется на верхней части основания 1 и содержит сквозное отверстие для доступа к волокнам 3 и имеет внутренний объем под демпфирующий материал 7 (например, тороидальной формы). Демпфирующий материал 7 располагается по всему внутреннему объему упорной крышки 6 и закрепляется внутри нее с помощью клея. Элемент изгиба 8 крепится на демпфирующем материале 7 вокруг отверстия при помощи клея. Изгибающая волокна 3 головка 9 свободно располагается внутри демпфирующего материала 7.
Датчик работает следующим образом:
Волоконно-оптический датчик усилий работает как чувствительный элемент в системе мониторинга состояния объекта (см. патент РФ №196573, кл. G08B 13/186, дата публикации 2020 г.). Для этого входы оптических волокон 3 (например, одномодовые волокна стандарта G.652.D) подключают к источникам лазерного излучения, а выходы к приемникам излучения измерительной системы (на фигурах не показаны).
В результате усилия на основание элемента изгиба 8, он начинает перемещаться вертикально вниз и сжимать демпфирующий материал 7. Сжатие происходит до того момента, пока изгибающая головка 9 элемента изгиба 8 полностью не пройдет через сквозное отверстие упорной крышки 6. Изгибающая головка 9 (фиг. 2), приближаясь к основанию 1, захватывает предусмотренными пазами оптические волокна 3, которые лежат перпендикулярно в пазах 5 и на эластичном материале 4. В результате оказываемого усилия головкой 9, волокна 3 вместе с эластичным материалом 4 начинают прогибаться вертикально вниз до того момента, пока волокна 3 полностью не примут форму головки 9. Именно в таком состоянии волокон 3 потери мощности оптических сигналов на их выходах будут регистрироваться программно-аппаратными средствами системы мониторинга. Ослабление внешнего усилия на элемент изгиба 8 приводит к тому, что эластичный материал 4 и демпфирующий материал 7 за счет своих упругих свойств начинают принимать недеформированное до сжатия состояние. В результате элемент изгиба 8 с головкой 9 возвращаются в исходное положение.
Характеристики эластичного материала 4 выбираются исходя из расчетов математической модели прогиба круглой упругой пластины, (см. Справочник по технической механике / Под ред. акад. А.Н. Динника. М.: ОГИЗ; Гостехиздат, 1949. - с. 543-546):
0
где Р - прикладываемая сила на верхнюю часть элемента изгиба 8, Н; r - концентрический радиус прикладываемой силы на элемент изгиба 8, м; b, h, ƒ - радиус, высота, прогиб пластины эластичного материала 4, м. μ - коэффициент Пуассона и Е - модуль упругости,  эластичного материала 4.
Расчет прогиба упругого материала датчика необходим для того, чтобы располагаемые оптические волокна 3 на эластичном материале 4 могли достаточно прогибаться до появления потерь мощности на выходах каждого волокна. Физико-механические параметры эластичного материала 4 определяют чувствительность волоконно-оптического датчика усилий. Физико-механические параметры материала 7 определяют диапазон измеряемых внешних усилий.
Для того, чтобы добиться достаточных сигналов о потерях мощности в волокне, радиус изгибающей головки 9 элемента изгиба 8 соответствует такому диапазону радиуса изгиба волокна (см. Стенина Т.А. Изучение влияния изгибов на оптическое волокно // Евразийский союз ученых. - 2015. - №2(11). - с. 73), при котором оптические потери мощности на выходе волокна начинают экспоненциально изменяться:
вых
вх
м
где Р - мощность измененного светового сигнала на выходе волокна, Вт; Р - значение мощности светового сигнала на входе волокна, Вт; α - потери мощности, возникающие в результате прогиба волокна под действием изгибающей головки 9, дБ;  - длина участка волокна, м.
Потери рассчитываются по формуле (3) (см. Расчет затухания в оптическом волокне [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studfile.net/preview/8101677/page:7/. - Дата доступа: 12.02.2020):
1
где d - диаметр сердцевины волокна, м; n - показатель преломления сердцевины волокна; R - заданный радиус изгибающей головки 9, м; NA - числовая апертура волокна.
Считаем величину прогиба ƒ равной радиусу R изгибающей головки 9, тогда:
Подставив (1) в (3.1), получим выражение (4):
Выражение (4) представляет собой функцию преобразования волоконно-оптического датчика усилий.
Поскольку в датчике применены два оптических волокна, то измеряемое усилие воздействия определяется как среднее арифметическое двух сигналов.
Применение двух оптических волокон в конструкции датчика позволяет при их использовании в системе мониторинга длинномерных объектов определять координату силового воздействия.
Таким образом, предложенная полезная модель позволит расширить функциональные возможности волоконно-оптического датчика усилий, а именно измерять внешнее усилие, оказываемое на чувствительный элемент и определять координату этого силового воздействия при мониторинге состояния длинномерных объектов.