ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
FIBRE-OPTIC PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля (измерения) давления.
Известны волоконно-оптические датчики давления, выполненные из оптического волокна (ОВ), преимущественно многомодового, содержащего участок ввода излучения, собственно чувствительный элемент (ЧЭ) и участок вывода излучения. Чувствительный элемент таких датчиков состоит из одного или нескольких участков изогнутого с определенным радиусом ОВ.
Принцип работы таких датчиков основан на изменении мощности оптического излучения, прошедшего через ОВ при воздействии давления в плоскости изогнутого волокна. Такие датчики относятся к амплитудным датчикам. В волоконно-оптических датчиках в общем случае происходит увеличение сигнала при выпрямлении ОВ или его затухание при уменьшении радиуса изгиба.
Причины изменения мощности оптического сигнала в таких известных ВОДД-ах связаны с двумя факторами:
- при изменении радиуса изгиба возникают изменения локальной числовой апертуры распространяющегося по ОВ излучения и потери энергии за счет утечки из ОВ высших мод;
- при поперечном давлении на ОВ возникают микроизгибные деформации оболочек ОВ, которые приводят к возникновению взаимодействия распространяющихся по ОВ мод. За счет взаимодействия мод происходит перекачка энергии из низших мод к высшим и возникновение вытекающих мод, приводящих к потерям энергии.
В известных ВОДД-ах для контроля давления используется как первый эффект, так и второй или оба эффекта совместно.
Наиболее близким аналогом является известный волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна (ОВ), содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в резиновом корпусе прямоугольного сечения, внутри которого размещена проволочная решетка, при этом оптическое волокно проходит по площади корпуса изгибаясь и переплетаясь с проволокой решетки (см. US 5357813 А1, 25.10.1994).
В известном датчике проволочная решетка фактически является чувствительным элементом ВОДД. Кроме того, проволочная решетка армирует резиновый корпус.
При использовании известного ВОДД излучение светодиода или лазера пропускают через ОВ и анализируют сигнал на его выходе. Под воздействием внешнего давления происходит продавливание резины, вызывающее множественный изгиб волокна в местах пересечения ОВ и проволоки. Этих пересечений в известном ВОДД-е множество. В совокупности изгибы ОВ приводят к уменьшению мощности сигнала на его выходе.
Например, при диаметре проволок решетки порядка 1 мм возникающий изгиб с тем же радиусом дополняется давлением проволоки на волокно, что приводит к его разрушению. Для современных кварцевых оптических волокон, имеющих диаметр световода 125 мкм, такой изгиб действительно критичен, что хорошо известно из теории прочности оптических волокон (см. Г.Мальке, П.Гессинг, Волоконно-оптические кабели, Новосибирск: LINGUA-9, 2001, гл.9). Волокно не выдержит длительную эксплуатацию при таких радиусах изгиба, совмещенных с давлением на ОВ.
При создании чувствительного элемента ВОДД-ов прежде всего обеспечивают необходимую чувствительность измерений dA/dP, диапазон изменения зависимости А=f(Р), где Р - мощность оптического сигнала, А - амплитуда выходного сигнала ВОДД-а, требуемую погрешность измерений и надежность его функционирования.
Высокую чувствительность датчика к воздействию давления и большой динамический диапазон можно получить при уменьшении радиуса изгиба ОВ, а также за счет увеличения числа изгибов. Как правило, это приводит к увеличению длины участка чувствительного элемента датчика.
Однако известно, что для надежного функционирования датчика, наоборот, нельзя значительно уменьшать радиус изгиба ОВ, т.к. это может привести к обрыву волокна и выходу из строя датчика.
Решаемая изобретением задача заключается в создании волоконно-оптического датчика, обладающего высокой чувствительностью, широким диапазоном рабочих давлений и увеличенным сроком службы.
Технический результат заключается в повышении чувствительности и надежности датчика при длительной эксплуатации в условиях больших нагрузок за счет формирования чувствительного элемента датчика с наименьшим количеством изгибов ОВ и минимальными механическими нагрузками в местах изгиба ОВ.
Это достигается тем, что волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержит 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.
Для повышения надежности датчика металлический рукав может быть выполнен из оптического микрокабеля на основе гибкого шестипроволочного стального каната с полой сердцевиной.
Для удобства использования датчика в системе измерений на концах участков ввода и вывода излучения оптического волокна могут быть установлены оптические разъемы.
При этом длину паза, амплитуду выступов рифленой поверхности и частоту их следования определяют с учетом контролируемых нагрузок. Это позволяет оптимизировать характеристики датчика в зависимости от области его использования.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлена конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического датчика давления.
На фиг.2 - фотография нижней части заготовки корпуса предлагаемого ВОДД с двумя участками для размещения ОВ параллельно основанию.
В предлагаемом волоконно-оптическом датчике давления чувствительным элементом является участок ОВ, размещенный в прямоугольном корпусе параллельно его основанию на двух участках пропускного канала, каждый из которых выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании, и прижатый к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины.
Заготовка корпуса выполнена из термостойкой резины. Она содержит нижнюю часть и крышку.
Чувствительный элемент предложенного волоконно-оптического датчика давления, представленный на фиг.1, формируют на заготовке-корпусе ВОДД 1 следующим образом.
В нижней части 1 заготовки корпуса имеется пропускной канал 2, в котором располагают волокно 3. Канал 2 включает, по меньшей мере, один участок для размещения ОВ 3 параллельно основанию. Участок канала 2 для размещения ОВ 3 параллельно основанию выполнен в виде паза 4 с рифленой поверхностью 5 в основании. При этом в крышке 6 над пазом 4 расположены выемка 7 для размещения пластины 8. В процессе изготовления оптическое волокно 3 пропускают по пропускному каналу 2 и прижимают его к выступам рифленой поверхности 4 пластиной 8 из термостойкой резины, размеры которой соответствуют размеру выемки 7. Входной и выходной участки ОВ 3 размещают в металлический рукав. После чего нижнюю часть 1 корпуса закрывают крышкой 6 и осуществляют процесс вулканизации корпуса.
В предложенном ВОДД используют многомодовое волокно, изготавливаемое по спецификации МЭК-Т G. 651, с диаметром сердцевины 50 мкм и оболочки 125 мкм с лаковой (245 мкм) или плотной полимерной оболочкой (диаметром 0,9 мм).
При использовании ВОДД, например, для измерения давления железнодорожного состава на рельсы корпус с чувствительными элементами устанавливают основанием на шпалу непосредственно под рельс. Входной участок кабеля подключают к источнику излучения, а выходной - к измерительной системе (на фиг. не показаны).
При нагруженном ВОДД пластина 8 термостойкой резины оказывает давление на оптическое волокно 3, прижимая его к рифленой поверхности 5 основания паза 4. При этом оптическое волокно 3 изгибается и, соответственно, вызывает изменение проходящего сигнала по волокну. Величина продавливания пропорциональна давлению и может достигать насыщения.
Очевидно, что датчик работает в определенном диапазоне нагрузок. Изгиб ОВ 3 ограничен периодом и амплитудой синусоиды рифленой поверхности 5 паза 4. Параметры рифленой поверхности 5 основания паза 4 рассчитывают в зависимости от нагрузок. При этом поперечное давление ОВ 3 при сжатии на резиновом выступе рифленой поверхности 5 значительно меньше, чем у аналога.
Необходимость использования пластины 8 из термостойкой резины для фиксации ОВ 3 на выступах рифленой поверхности 5 связана с исключением размягчения и затекания резины крышки 6 корпуса при ее эксплуатации.
Изготавливают заготовку ВОДД преимущественно из маслобензостойкой резины с использованием пресс-форм.
Входной и выходной участки ОВ 3 помещают в бронированный микрокабель типа СЛ-ОКМБ-2 производства ООО « НПП СТАРЛИНК» с полой сердцевиной.
Применение оптического микрокабеля типа СЛ-ОКМБ, выполненного на основе шестипроволочного каната, определяется необходимостью обеспечения стойкости к поперечным и продольным нагрузкам и возможностью пропускания в него выбранного волокна с внешним диаметром 245 мкм.
Параметры чувствительного элемента (длина, частота и амплитуда рифленой поверхности основания паза) определяют исходя из экспериментальных зависимостей изменения сигнала от давления А=f(Р).
Для использования в системе измерений на обоих концах кабеля могут быть установлены оптические разъемы.
В частном случае предлагаемый волоконно-оптический датчик давления может быть использован для измерения веса подвижных объектов, машин, вагонов поезда и др., а также для автоматического контроля технического состояния рельсового подвижного состава в процессе его эксплуатации путем измерения динамических нагрузок, оказываемых подвижным составом на датчик.