ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к основным компонентам волоконно-оптических датчиков и измерителей силы, давления, перемещения, деформации для преобразования физических величин.
Известен волоконно-оптический кабель, включающий в себя датчики температуры, давления и деформации, выполненные на основе волоконно- оптических брэгговских решеток, а также средство передачи данных от датчиков к промежуточным концентраторам информации. Патент Российской Федерации на полезную модель №104904, МПК: B61K 9/08; B61L 1/00, 2012 г., аналог. Устройство имеет большие габариты и сравнительно низкую чувствительность.
Известен волоконно-оптический датчик измерения скорости жидкости и/или газа, включающий оптическое волокно, содержащее, по меньшей мере, одну волоконную решетку Брэгга, которая снабжена концентратором механических напряжений, возникающих в оптическом волокне при взаимодействии его с потоком жидкости и/или газа. Патент Российской Федерации на полезную модель №59238, МПК: G01D 5/353, 2006 г., прототип. Недостатком данного датчика является возможность его использования лишь для текучих сред и сравнительно низкая точность, возникающая из-за погрешности, вызванной гистерезисом.
Волоконные брэгговские решетки (ВБР) - один из перспективных чувствительных элементов волоконно-оптических измерительных преобразователей. Однако, ввиду малого диапазона допустимых рабочих деформаций волоконной решетки Брэгга, в устройствах преобразования физических величин предполагается использование упругого элемента, передающего деформацию на ВБР. Как известно, основным недостатком преобразователей, имеющих в своем составе упругий элемент, является снижение точности измерений, связанное с явлениями гистерезиса. Гистерезис в данном случае выражается в том, что упругий элемент не возвращается в свое начальное положение после прекращения воздействующей на него силы. Особенно это проявляется в случаях, когда в качестве упругого элемента выступает металлическая деталь (подложка, мембрана, балка, рычаг, пластина и др.). Кроме того, температурные деформации упругого элемента, передающиеся к закрепленной на нем волоконной решетке Брэгга, всегда снижают точность измерений и налагают значительные ограничения на температурные условия функционирования преобразователя.
Технический результат - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом преобразователе деформации, содержащем, по крайней мере, одну волоконную решетку Брэгга, оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца.
Сущность полезной модели поясняется на чертеже, где: 1 - упругий элемент из монокристалла, 2 - оптическое волокно, 3 - измерительная волоконная решетка Брэгга.
Полезная модель содержит упругий элемент 1, выполненный в виде пластинки, вырезанной из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца, на котором закреплено оптическое волокно 2, с чувствительным элементом в виде измерительной волоконной решетки Брэгга 3 (волоконная решетка Брэгга на чертеже и ее положение в оптическом волокне 2 изображено условно).
Упругий элемент выполнен из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца в связи с их упругими свойствами и близкими, по отношению к оптическому волокну, коэффициентами температурного расширения. Использование данных монокристаллов исключает возникновение нежелательных пластических деформаций в упругом элементе.
Если преобразуемая деформация имеет силу F, приложенную к какой-либо части упругого элемента 1, как это изображено на чертеже, то упругий элемент закрепляют торцом. Если преобразуемая деформация имеет распределенные силы (например, в случае закрепления упругого элемента по всей его плоскости на поверхности исследуемого объекта), то возможны иные варианты закреплений упругого элемента.
Точное положение волоконной брэгговской решетки в оптическом волокне определяют расчетным путем.
Преобразователь перемещений может быть расположен в герметичных конструкциях и, ввиду этого, позволяет применять его в составе жидкостных датчиков.
Преобразователь перемещений работает следующим образом.
Действие внешней силы F вызывает малые изгибы упругого элемента 1, на которой закреплено оптическое волокно 2. Деформации оптического волокна сопровождаются деформацией измерительной волоконной решетки Брэгга 3, что приводит к изменению ее периода и, следовательно, к изменению спектральных свойств излучения проходящего или отраженного от нее. Изменения спектральных свойств излучения выражаются в изменении кода резонансной частоты волоконной решетки Брэгга, обрабатываемого аппаратурой спектрального анализа (на чертеже аппаратура спектрального анализа не показана).
После прекращения действия внешней силы F, упругий элемент в виде пластинки из монокристалла возвращается в первоначальное положение.
Допускается использование одной и более измерительных волоконных решеток Брэгга.
При использовании нескольких измерительных волоконных решеток Брэгга и их симметричном расположении, относительно упругого элемента 1, возможна реализация дифференциального принципа измерений, что повышает достоверность и точность результатов, а также позволяет в значительной степени исключить необходимость учета температурных влияний на результаты измерений.
Дифференциальный принцип измерений, в данном случае, заключается в одновременном измерении величины деформации симметрично расположенных волоконных решеток Брэгга. При этом, если одна решетка испытывает растяжение, другая - сжимается. Температура, воздействуя на обе решетки, вносит одинаковую величину температурной деформации, которая может быть исключена при дальнейшей обработке сигнала, методом вычислений разности сигналов от каждой из решеток Брэгга.
В местах расположения измерительных волоконных решеток Брэгга, оптическое волокно 2 на упругом элементе 1 должно быть закреплено с обеспечением всесторонней фиксации своей наружной оболочки, например, стеклоприпоем.
Допускается использование одного и более оптических волокон с измерительными волоконными решетками Брэгга.
Для учета температурного воздействия, в полезной модели допускается использование одной или более волоконных брэгговских решеток, предназначенных исключительно для измерения температурных деформаций оптического волокна.
Каждая из волоконных брэгговских решеток имеет индивидуальный код резонансной частоты. Аппаратура спектрального анализа выполняет операции, связанные с обработкой информации об изменениях этих резонансных частот.
Изготовление полезной модели не требует разработки новых технологий и оборудования.