ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к измерителям деформаций, используемым для измерения деформаций крупных сооружений и конструкций, в том числе фундаментов строительных сооружений - зданий, мостов, дорог, трубопроводов, дамб, а также могут быть использованы в составе систем интеллектуального управления зданием, мостовым сооружением.
Известен волоконно-оптический датчики деформаций, основанный на преобразовании деформации в коэффициент отражения света, содержащий сенсорный элемент с участком световода и зеркала [Тер-Мартиросян З.Г., Егоров Ф.А., Поспелов В.И., Неугодников А.П., Туляков Ю.А., Быковский В. А. Мониторинг напряженно-деформированного состояния многофункционального высотного комплекса волоконно-оптическим датчиками. / Технологии строительства, 1(49), 2007 - с. 1-7]. Его недостаток: при возникновении боковых деформаций, направленных под углом к оси датчика, может произойти занижение величины деформации.
Наиболее близким по технической сущности являются волоконно-оптический датчик деформаций, содержащий капилляр с закрепленными в нем оптоволокном и элементом, установленным на расстоянии от торца оптоволокна, при этом корпус датчика выполнен гантелеобразным, наружные поверхности его имеют форму цилиндров, в корпусе выполнено сквозное отверстие с двумя соосными ему глухими отверстиями, в одном из которых выполнена резьба для винта, хвостовик которого установлен в сквозном отверстии, в глухом отверстии напротив резьбового установлена жестко прикрепленная к корпусу обойма с закрепленным в ней и расположенным внутри сквозного отверстия капилляром, на поверхностях концевых частей корпуса выполнены резьбы. Принцип работы датчика основан на анализе спектра интерференционной картины, возникающей при наложении световых лучей от первого и второго отражений в зазоре между световодом и зеркалом (см. патент РФ, №2393431 С1, 2009 г.). Основной недостаток указанного датчика: большая погрешность измерения ввиду сложности обработки выходного сигнала и зависимости от точности юстировки зазора между световодом и зеркалом.
Техническая задача - разработка усовершенствованной конструкции датчика деформаций, позволяющей уменьшить погрешность измерений.
Технический результат - повышение точности измерения за счет усовершенствования конструкции.
Он достигается тем, что известное устройство, содержащий капилляр с закрепленными в нем оптоволокном и элементом, установленным на расстоянии от торца оптоволокна, при этом корпус датчик выполнен гантелеобразным, наружные поверхности его имеют форму цилиндров, в корпусе выполнено сквозное отверстие с двумя соосными ему глухими отверстиями, в одном из которых выполнена резьба для винта, хвостовик которого установлен в сквозном отверстии, в глухом отверстии напротив резьбового установлена жестко прикрепленная к корпусу обойма с закрепленным в ней и расположенным внутри сквозного отверстия капилляром, на поверхностях концевых частей корпуса выполнены резьбы, дополнительно содержит эталонную оптоволоконную линию, одним концом соединенную с источником светового сигнала, а другим - с фотоприемником на основе лавинного фотодиода, хвостовик содержит демпфирующий элемент, установленный на нижней обойме, упирающийся в торец капилляра и соединенный с оболочкой оптоволокна, оптоволокно заключено в корпус, выполненный в виде металлического цилиндра, у которого нижнее основание неподвижно соединено с оболочкой оптоволокна, а верхняя часть жестко фиксирована на верхней обойме, на обоймах имеются разъемы для волоконно-оптических линий.
На чертеже (фиг. 1 - вид в разрезе, фиг. 2 - общий вид) изображено предлагаемое устройство. Устройство содержит верхнюю обойму 1 и нижнюю обойму 2, причем верхняя обойма 1 вложена в нижнюю обойму 2 и смещение обойм по отношению друг к другу ограничивается фиксаторами 3 с ограничительной головкой, в верхнюю обойму 1 помещен капилляр 4 из оптического волокна, имеющий оболочку 5 и сердцевину 6, верхний торец капилляра 4 жестко фиксирован во входном разъеме 7, нижняя обойма 2 включает выходной разъем 8 и хвостовик 9, который предназначен для демпфирования резких или больших деформационных изменений и имеет винтовую резьбу для юстировки устройства, хвостовик 9 жестко фиксирован в основании нижней обоймы 2, верхняя сторона хвостовика упирается в промежуточную планку 10, которая жестко фиксирована на нижнем торце капилляра 4, световой сигнал от источника света 11 подается на сердцевину 6 капилляра 4 через ответвитель 12 и входной разъем 7, выводится из сердцевины 6 капилляра 4 через выходной разъем 8 и передается по оптоволоконной линии на фотоприемник на основе лавинных фотодиодов 14, устройство дополнительно содержит эталонный оптоволоконную линию 13, которая расположена вне гантелиобразного корпуса датчика и по которой передается эталонный сигнал от того же источника света, на внешней стороне верхней обоймы 1 и нижней обоймы 2 имеются сквозные отверстия 15, с помощью которых устройство фиксируется на элементах конструкции объекта, на поверхностях входного разъема 7 и выходного разъема 8 выполнены резьбы, как дополнительный вариант крепления датчика на конструкции.
Устройство работает следующим образом: под воздействием деформации верхняя обойма 1 и нижняя обойма 2, закрепленные с помощью сквозных отверстий 15 на разных элементах деформируемой конструкции (например, нижняя обойма крепится на фундаменте здания, а верхняя - на несущей стене, опирающейся на фундамент), смещаются относительно друг друга, что вызывает растяжение или сжатие оболочки 5 капилляра 4 и, как следствие, аналогичное сжатие или растяжение сердцевины 6 капилляра 4. В результате происходит изменение коэффициента преломления сердцевины 6 капилляра 4, и это изменение коэффициента преломления приводит к изменению на выходе сердцевины 6 капилляра 4 мощности направляющих мод светового сигнала, поступающего на сердцевину 6 капилляра 4 через ответвитель 12 и входной разъем 7 от источника света 11, который через выходной разъем 8 передается по оптоволоконной линии в удаленно размещенный фотоприемник на основе лавинных фотодиодов 14 для измерения, усиления сигнала и сравнения с эталонным сигналом, который передается по эталонному каналу 13. По результатам сравнения находится изменение мощности светового сигнала в результате деформации и на этой основе находится величина деформации. Во избежание разрыва оптического волокна при сильных деформациях нижний торец капилляра 4 соединен с нижней обоймой 2 через хвостовик 9, выполняющий функции пружинного демпфера. Хвостовик 9 имеет винтовую резьбу, вращение винта в глухом резьбовом отверстии обеспечивает изменение базы датчика, то есть величины давления между торцом капилляра 4 и хвостовиком 9, что используется для юстировки датчика путем создания наиболее оптимальной величины натяжения оптоволокна, тем самым повышает точность измерения.
Повышение точности измерения по сравнению с прототипом достигается благодаря использованию корпуса капилляра в качестве средства растяжения/сжатия оболочки капилляра, позволившего обеспечить более простую и легче оцениваемую зависимость значения выводимого сигнала от величины деформации в отличие от прототипа, основанного на использовании более сложных и чувствительных к возмущениям интерференционных зависимостей, введению демпфирующего элемента, позволяющего обеспечить наиболее благоприятный диапазон воздействия на сердцевину капилляра в зависимости от назначения устройства, а также лавинных фотодиодов, обеспечивающих высокую точность измерения светового сигнала на выходном конце оптоволоконного канала.
Предлагаемый датчик за счет непосредственной передачи внешней нагрузки на капилляр с помощью растяженияс/сжатия оптического волокна, позволяет уменьшить погрешности анализа и оценки внешнего давления, а лавинные фотодиоды нового поколения, обладая очень высокой чувствительностью, позволяют фиксировать самые малые изменения мощности сигнала на выходном конце чувствительного элемента, что позволяет повысить чувствительность и точность показаний датчика.