ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ВИБРАЦИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам вибрации, и может быть использовано для регистрации вибраций.
Известен волоконно-оптический акселерометр, содержащий корпус, маятник с инерционной массой цилиндрической формы, две упругие цилиндрические подложки, одна из которых контактирует с одним торцом инерционной массы, две волоконные катушки, намотанные с натягом на боковые поверхности упругих цилиндрических подложек, образующие двухлучевой интерферометр, когерентный двухволновой источник света, блок обработки, состоящий из двух фотоприемников, оптического спектрально-делительного устройства, двух усилителей, двух интеграторов, двух компараторов, двух электронных ключей, двух блоков опорных напряжений, двух управляемых масштабирующих устройства, двух аналого-цифровых преобразователей и делительного устройства (патент РФ 2115933, 1998.07.20).
Недостатками известного устройства являются относительная сложность оптической схемы устройства, необходимость настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства; низкая устойчивость выходного сигнала к неконтролируемым температурным изменениям окружающей среды; необходимость обработки интерференционного сигнала для получения измерительной информации.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является волоконно-оптический акселерометр, состоящий из корпуса, жестко зафиксированного на нем маятника, чувствительного элемента в виде одномодового волоконного световода, содержащего участок с уменьшенным диаметром сердцевины, при этом корпус выполнен герметичным и заполнен средой, демпфирующей собственные колебания маятника, маятник представляет собой плоскую пружину, один конец которой закреплен на корпусе, а другой - на волоконном световоде вне участка с уменьшенным диаметром сердцевины таким образом, чтобы обеспечить его начальное смещение в продольном направлении (патент РФ №132564 от 20.09.2013 г.). Данное устройство принято за прототип.
Известное устройство позволяет производить непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта при отсутствии необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства и упрощенной конструкции.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели, - корпус, установленный с возможностью прикрепления к контролируемой поверхности; последовательно соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, чувствительный элемент, выполненный в виде участка волоконного световода, размещенного в корпусе устройства, и фотоприемник, входящий в блок обработки информации.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является расширение арсенала технических средств регистрации вибраций, позволяющих производить непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта при отсутствии необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом устройстве регистрации вибраций, содержащем корпус, установленный с возможностью прикрепления к контролируемой поверхности, последовательно соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, чувствительный элемент, выполненный в виде участка волоконного световода, размещенного в корпусе устройства, и фотоприемник, входящий в блок обработки информации, согласно полезной модели чувствительный элемент выполнен в виде петли световода, закрепленной на основании корпуса устройства, в верхней части петли световода закреплен груз, а вдоль нижней части петли установлены бортики для гашения горизонтальных колебаний, при этом источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - чувствительный элемент выполнен в виде петли световода, закрепленной на основании корпуса устройства; в верхней части петли световода закреплен груз; вдоль нижней части петли установлены бортики для гашения горизонтальных колебаний; источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволят производить непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта при отсутствии необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства. Расширяется арсенал технических средств регистрации вибраций.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-7.
На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического устройства регистрации вибраций.
На фиг. 2 представлена конструкция чувствительного элемента.
На фиг. 3 представлена деформация волокна при колебаниях грузика, закрепленного на волоконном световоде.
На фиг. 4 - зависимости ΔР от относительной амплитуды колебаний при частоте 40 Гц и разных диаметрах изгиба: 1 - d=16 мм, 2 - 18 мм, 3 - 20 мм.
На фиг. 5 - зависимости ΔР от относительной амплитуды при разных массах m: 1-m=50 мг, 2-70, 3-100, 4-130, 5-160. Частота 80 Гц, диаметре петли 18 мм.
0
На фиг. 6 - динамика изменения мощности при разных относительных амплитудах колебаний, диаметр изгиба 18 мм, частота 40 Гц. 1 - S/S=10%, 2-15%, 3-20%.
На фиг. 7 - зависимости ΔР от относительной амплитуды колебаний, диаметр изгиба 18 мм, для разных частот. 1-40 Гц, 2-80 Гц.
Волоконно-оптическое устройство регистрации вибраций (фиг. 1) содержит источник электромагнитного излучения - лазер 1, чувствительный элемент 2, фотоприемник 3, входящий в блок обработки информации 4 (персональный компьютер ПК).
Чувствительный элемент 2 с одной стороны подключен к фотоприемнику 3, ас другой стороны соединен с источником электромагнитного излучения 1 при помощи волоконного световода 5. Источник электромагнитного излучения 1 выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны.
Волоконно-оптическое устройство регистрации вибраций (фиг. 2) содержит корпус 6, установленный с возможностью прикрепления к контролируемой поверхности. Чувствительный элемент 2 выполнен в виде участка волоконного световода и размещен в корпусе 6 устройства. Чувствительный элемент выполнен в виде петли 7 световода, закрепленной на основании корпуса 6 устройства. В верхней части петли 7 световода закреплен груз 8, а вдоль нижней части петли 7 установлены бортики 9 для гашения горизонтальных колебаний. В качестве волоконного световода может быть использован одномодовый или многомодовый волоконный световод. Чувствительный элемент 2 во время работы устанавливается на контролируемый объект.
В заявленной конструкции амплитудная регистрация сигнала, возможно использование некогерентного источника излучения.
Устройство работает следующим образом.
Излучение от источника 1 направляется к чувствительному элементу 2 по волокну 5, устойчивому к изгибам (фиг. 1, 2). Наличие вибрации вызывает вертикальные колебания груза 8, что в свою очередь приводит к изменению диаметра изогнутого волокна (фиг. 3). Часть излучения, проходящего через изогнутое волокно 7, покидает световод по причине нарушения полного внутреннего отражения, следовательно, увеличиваются потери мощности. Свет, прошедший через чувствительный элемент 2, распространяется далее по световоду 5 и попадает на фотоприемник 3. Сигнал с фотоприемника 3 обрабатывается с помощью специализированных программ на ПК 4.
На фиг. 4-5 приведены результаты измерения потери мощности Р на чувствительном элементе при различных диаметрах петли, а также зависимость потерь мощности от массы груза в чувствительном элементе.
На основании данных фиг. 4-5 можно выбирать требуемую чувствительность на этапе сборки, варьируя массой груза и диаметром петли.
Для измерения вибрации реализована экспериментальная установка, схема которой приведена на фиг. 1. В качестве источника излучения 1 использован лазер Thorlabs SFL1550S с рабочей длиной волны 1550 нм. Чувствительный элемент 2 реализован из оптического волокна Corning SMF-28 Ultra в виде петли с диаметром 18 мм и массой груза 70 мг. Изменение потери мощности при воздействии вибрации производилось фотоприемником 3 Thorlabs РМ-200.
Результаты измерений потери мощности приведены на фиг. 6-7.
По полученным результатам видно, что величина потери мощности в чувствительном элементе находится в зависимости от частоты и амплитуды вибрации.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет производить непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта при отсутствии необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства. Расширяется арсенал технических средств регистрации вибраций.