ТЕСТОВЫЙ ОБРАЗЕЦ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для проведения испытаний на надежность волоконно-оптических датчиков различных физических величин, эксплуатируемых в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники, АЭС.
Известны волоконно-оптические датчики, содержащие подводящие и отводящие оптические волокна, относительно которых под воздействием измеряемой физической величины перемещается оптико-модулирующий элемент (отверстие в аттенюаторе, сферическая или цилиндрическая линза, отражающая поверхность), что ведет к изменению интенсивности оптического сигнала, поступающего по отводящему оптическому волокну на один или два приемника излучения (фотодиоды), согласованные по спектру с источником излучения (светодиодом) [патенты на изобретения РФ №2290605 Волоконно-оптический преобразователь перемещения, №2419765 Волоконно-оптический преобразователь углового перемещения, №2474798 Волоконно-оптический датчик давления, №2567176 Дифференциальный волоконно-оптический датчик разности давления, №2687868 Волоконно-оптический уровнемер сигнализатор давления; патенты на полезную модель №192336 Волоконно-оптический датчик ускорений, №199237 Волоконно-оптический датчик давления; монография «Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета" Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е.А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с., https://doi.org/10.25960/7325-1132-1].
Общим для всех перечисленных устройств является расположение оптических волокон, подводящих световой поток от источника излучения в зону измерения и обратно к приемникам излучения, в едином кабельном устройстве, которое называется «волоконно-оптический кабель», длиною 2...500 м.
Общим недостатком перечисленных устройств является влияние на результат измерений при проведении испытаний на надежность механического перемещения оптического модулирующего элемента, не позволяющего однозначно оценить вклад в общую надежность конструкции надежности волоконно-оптического кабеля, как самого «ненадежного» элемента устройства.
Наиболее близким по конструктивному исполнению чувствительного элемента является дифференциальный волоконно-оптический преобразователь угловых микроперемещений отражательного типа, содержащий оптический модулирующий элемент в виде металлической пластины, две боковые стороны которой отполированы до зеркальной поверхности, подводящие оптические волокна первого измерительного канала расположены с одной стороны пластины, а напротив них с другой стороны расположены отводящие оптические волокна второго измерительного канала. Аналогично подводящие оптические волокна второго измерительного канала расположены с другой стороны пластины, а напротив них с противоположной стороны расположены отводящие оптические волокна первого измерительного канала [монография «Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета" Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е.А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с. - с. 146-147, https://doi.org/10.25960/7325-1132-1]. Такое техническое решение максимально ненадежное из-за максимального количества оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и большого изгиба оптических волокон в зоне оптико-модулирующего элемента.
Недостатком устройства является влияние на результат измерений при проведении испытаний на надежность датчика, в состав которого входит такой преобразователь, углового механического перемещения пластины, не позволяющего однозначно оценить вклад в общую надежность конструкции надежности волоконно-оптического кабеля, как самого «ненадежного» элемента волоконно-оптического датчика.
Технический результат полезной модели заключается в возможности оценить надежность волоконно-оптического кабеля в составе тестового волоконно-оптического датчика, а также в части сокращения времени на проведение испытаний на надежность волоконно-оптических датчиков различных физических величин.
Технический  результат
1. Тестовый образец волоконно-оптического датчика, содержащий первый цилиндрический корпус, оптический модулирующий элемент в виде металлической пластины с двумя отражающими поверхностями, относительно которых на расчетном расстоянии расположены первые торцы подводящих и отводящих оптических волокон двух измерительных каналов, объединенных на выходе из корпуса в единый волоконно-оптический кабель и с помощью втулки кабеля неподвижно закрепленных на корпусе датчика, светодиод и два фотодиода, состыкованные со вторыми торцами подводящих и отводящих оптических волокон двух измерительных каналов, отличающийся тем, что волоконно-оптический кабель имеет постоянные тестовую длину и радиус изгиба, металлическая пластина жестко закреплена в корпусе и имеет толщину, обеспечивающую ее неподвижное положение относительно торцов оптических волокон в процессе испытаний на надежность, рабочие участки всех оптических волокон закреплены внутри первого корпуса неподвижно и имеют постоянный минимально возможный радиус изгиба; светодиод и фотодиоды двух измерительных каналов неподвижно закреплены в основании, установленном во втором корпусе, к светодиоду подстыкован второй торец подводящего оптического волокна, к фотодиоду первого измерительного канала подстыкован второй торец отводящего оптического волокна первого измерительного канала, к фотодиоду второго измерительного канала подстыкован второй торец отводящего оптического волокна второго измерительного канала, свето- и фотодиоды подстыкованы к электрическому разъему, закрепленному во втором корпусе.
2. Тестовый образец волоконно-оптического датчика по п. 1, отличающийся тем, что первый корпус имеет в нижней части выступ со сквозными отверстиями для крепления на испытательных стендах.
3. Тестовый образец волоконно-оптического датчика по п. 1, отличающийся тем, что на верхнем торце первого корпуса герметично установлена крышка, диаметр которой равен диаметру первого корпуса.
4. Тестовый образец волоконно-оптического датчика по п. 3, отличающийся тем, что внутреннее пространство корпуса заполнено инертным газом.
5. Тестовый образец волоконно-оптического датчика по п. 1, отличающийся тем, что второй корпус выполнен герметичным.
6. Тестовый образец волоконно-оптического датчика по п. 5, отличающийся тем, что внутреннее пространство второго корпуса заполнено инертным газом.
Сущность полезной модели поясняется фигурами:
на фиг.1 приведен осевой разрез датчика с основными обозначениями.
на фиг.2 приведен поперечный разрез блока измерительного преобразователя в зоне расположения оптических волокон и отражающей пластины;
фиг.3 показано расположение оптических волокон относительно друг друга и относительно отражающей пластины.
Тестовый образец волоконно-оптического датчика содержит корпус 1 и крышку 2, соединенные между собой, например, с помощью сварки 3 (фиг.1).
В центральной части корпуса 1 жестко закреплена пластина 4, боковые поверхности которой отполированы до зеркальной поверхности. С двух сторон пластины 4 расположены оптические волокна первого и второго измерительных каналов, причем подводящие оптические волокна (ПОВ) 5 первого измерительного канала расположены соосно с отводящими  измерительного канала расположены соосно с ООВ 8 первого измерительного канала. Рабочие концы оптических волокон 5 и 8 первого измерительного канала закреплены, например, с помощью клея во втулке 9, а рабочие концы оптических волокон 6 и 7 закреплены во втулке 10, втулки 9 и 10 фиксируются в корпусе 1 с помощью юстировочных винтов 11. Для подтверждения чистоты испытаний на надежность рабочие участки всех оптических волокон имеют постоянный минимально возможный радиус изгиба (наихудший вариант).
Оптическая система датчика юстируется так, что выходящие из торцов ПОВ 5 и ПОВ 7 световые потоки, после отражения от зеркальных поверхностей пластины 4 равномерно распределяются между торцами ООВ 8 и ООВ 6. Юстировка оптических волокон относительно отражателя 4 осуществляется перемещением втулок 9 и 10 с дальнейшей фиксацией с помощью юстировочных винтов 11.
Все оптические волокна объединяются в единый волоконно-оптический кабель (ВОК) 12, закрепленный с одной стороны во втулке 13, которая с помощью сварки 14 соединена с первым корпусом 1. Со второй стороны ВОК 12 закреплен во второй втулке 15, соединенной с помощью сварки 16 с основанием 17, которое, в свою очередь, жестко соединено со вторым корпусом 18. ВОК 12 имеет постоянные тестовую длину и радиус изгиба.
Светодиод 19 и фотодиоды 20 и 21 (фотодиод 21 на фиг.1 не показан) двух измерительных каналов неподвижно закреплены в основании 17. К светодиоду 19 подстыкован второй торец ПОВ 5, к фотодиоду 20 первого измерительного канала подстыкован второй торец ООВ 8 первого измерительного канала, к фотодиоду 21 второго измерительного канала подстыкован второй торец ООВ 7 второго измерительного канала, светодиод 19 и фотодиоды 20 и 21 подстыкованы к электрическому разъему 22, закрепленному во втором корпусе 18.
Во время испытаний корпус 1 закрепляется на испытательных стендах с помощью отверстий 13. Возможно крепление датчика с помощью резьбы на нижней части корпуса.
Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем следующим образом.
В качестве волоконно-оптического преобразователя выбран преобразователь отражательного типа с максимальными потерями оптического сигнала в зоне восприятия измерительной информации.
Закрепление рабочих торцов ПОВ и ООВ в цилиндрических втулках 9 и 10 позволяет избежать изгибов и нежелательного влияния механических факторов на оптические волокна.
Применение отражающей пластины 4, жестко закрепленной в корпусе 1, имеющей толщину, обеспечивающую ее неподвижное положение относительно торцов оптических волокон, позволяет оценить надежность волоконно-оптического кабеля в составе волоконно-оптического тестового датчика.
Соединения с помощью сварки 3 корпуса 1 и крышки 2, с помощью сварки 14 корпуса 1 и втулки 13 волоконно-оптического кабеля 12, с помощью сварки 16 основания 17, корпуса 18 и втулки 15 обеспечивают герметичность конструкции тестового образца волоконно-оптического датчика.
Заполнение свободного пространства 23 (фиг.2) внутри корпуса 1 инертным газом (например, аргоном) обеспечивает отсутствие выпадения конденсата (точка росы) на элементы оптической системы в условиях отрицательных температур.
Расположение рабочих концов оптических волокон в корпусе 1 под минимально возможным радиусом обеспечивает максимальную достоверность испытаний волоконно-оптического кабеля 12 на надежность (чистоту эксперимента) (если испытания будут успешными, то с большей уверенностью можно говорить о надежности ВОК при больших радиусах изгиба оптических волокон).
Юстировка оптических волокон относительно отражателя 4 на расчетном расстоянии X с помощью перемещения втулок 9 и 10 необходима для достижения минимального выходного сигнала датчика, что обеспечивает максимальную достоверность испытаний волоконно-оптического кабеля 12 на надежность (если испытания будут успешными, то с большей уверенностью можно говорить о надежности ВОК при больших сигналах).
Тестовый образец ВОД работает следующим образом.
0
ΝΑ
Одна часть светового потока Ф светодиода 19 с выхода ПОВ 5 под апертурным углом Θ падает на первую отражающую поверхность пластины 4, отражается от нее и поступает на приемные торцы ООВ 8 (фиг.3).
0
NA
Вторая часть светового потока Ф светодиода 19 с выхода ПОВ 7 под апертурным углом Θ падает на первую отражающую поверхность пластины 4, отражается от нее и поступает на приемные торцы ООВ 6.
1
2
1
2
2
2
По ООВ 8 и 6 световые потоки направляются на фотодиоды 20 и 21 соответственно, где преобразуют оптические сигналы Ф(Х) и Ф(Х) в электрические I(X) и I(X), поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ). В БПИ осуществляется операция деления сигналов I(Х) и I(X), что позволяет компенсировать изменения мощности светодиода 19 и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов. На выходе БПИ формируется сигнал, определяемый следующим выражением
1
2
1
2
[I(X)-I(X)]/[I(X)+I(X)].
Такое техническое решение позволяет оценить вклад в надежность самого «ненадежного» элемента датчика - ВОК. Расчетный коэффициент ускорения испытаний при использовании тестового образца составляет 420.
Таким образом, заявляемый технический результат заключается в возможности оценить надежность волоконно-оптического кабеля в составе волоконно-оптического тестового датчика, а также в части сокращения времени на проведение испытаний на надежность волоконно-оптических датчиков  различных физических величин реализуется совокупностью указанных признаков полезной модели.