ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СПИРАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
FIBRE-OPTICAL SENSOR OF SPIRAL STRUCTURE

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам в области сенсорных технологий, в частности к спирального типа волоконно-оптическому датчику для проверки и измерения параметров напряжения с высокой точностью.
Предшествующий уровень техники изобретения
Известны различные виды волоконно-оптических датчиков, которые в основном включают волоконно-оптический датчик на основе модуляции интенсивности излучения, волоконно-оптический датчик с дифракционной решеткой, интерференционный волоконно-оптический датчик и т.д. Последние два характеризуются высокой чувствительностью. Однако они имеют недостатки, заключающиеся в сложности используемой аппараты, высоких расходах при работе и т.д., из-за чего область применения этих волоконно-оптических датчиков значительно ограничена. Главной особенностью волоконно-оптического датчика, обладающего высокой чувствительностью, например интерференционного волоконно-оптического датчика, является реагирование в процессе использования на изменения различных условий окружающей среды из-за его высокой чувствительности. Однако на практике вследствие указанной особенности датчика факторы окружающей среды, такие как температура, давление воздуха, вибрации и т.д., могут оказывать негативное влияние на его эксплуатационные параметры. Поэтому в процессе эксплуатации таких датчиков требуется предпринимать множество превентивных мер для предотвращения и исключения воздействия вышеупомянутых факторов окружающей среды, что приводит к усложнению конструкции аппаратуры (текущего) контроля и наблюдения и значительному увеличению стоимости ее использования в действии.
Волоконно-оптический датчик микроизгибов оптокабеля является волоконно-оптическим датчиком на основе модуляции интенсивности излучения и характеризуется низкой стоимостью, высокой чувствительностью и определенной емкостью антиинтерференции окружающей среды. Это достигается на основе потерь на изгибах или микроизгибах оптического волокна. Изменения в силе света вызываются изменением степени (градусов кривизны) изгиба оптического волокна.
Правило потери силы света состоит в том, что потери на изгибах могут происходить, если оптическое волокно повреждается при изгибе и, как правило, представляют собой потери на микроизгибах и потери на макроизгибах. Оба вида потерь на изгибах вызываются соединением канализированных мод части волоконного сердечника с оболочкой (оптоволоконного световода), когда оптическое волокно изогнуто, которые могут быть вычислены согласно теоретической формуле Маркуза (Marcuse) следующим образом:
OUT
IN
P=P exp(-γS),
IN
OUT
где P и P - мощность света на входе и на выходе, соответственно, γ - коэффициент потерь на изгибе и S - длина дуги изгиба. Можно заметить, что чем больше коэффициент потерь на изгибе γ, тем меньше радиус изгиба оптического волокна, больше потери. Однако даже незначительный радиус изгиба может вызвать значительное снижение срока службы оптического волокна и повлиять на срок службы датчика, в силу чего радиус изгиба оптического волокна при практическом использовании ограничивается определенными пределами. С другой стороны, при том же коэффициенте потерь на изгибе γ, ослабление (затухание) сигнала может увеличиваться с увеличением дуги изгиба S. Длина дуги изгиба S может быть существенно увеличена с целью значительного улучшения динамического диапазона и точности волоконно-оптического аттенюатора.
Решение, предложенное в патенте CN №8710210, относится к волоконно-оптическому измерителю напряжения главным образом на основе потерь на микроизгибах оптического волокна. Однако, поскольку волоконно-оптический измеритель напряжения получают при помощи двух плоских пластин, которые могут быть не очень большими, длина возможно искривленного оптического волокна ограничена, что отрицательно сказывается на динамическом диапазоне и точности такого волоконно-оптического аттенюатора. Кроме того, наибольшее приспособленное расстояние между этими двумя плоскими пластинами в соответствующем перемещении составляет только несколько сотен микрометров, и эти две плоские пластины должны существенно сохранять параллельность при перемещении. Поэтому более высокое требование к отрегулированной механической структуре таким аттенюатором не только увеличивает стоимость оборудования, но также ограничивает улучшение динамического диапазона и точности волоконно-оптического аттенюатора.
Сущность изобретения
Техническая задача
С целью преодоления недостатков в вышеупомянутом уровне техники настоящее изобретение обеспечивает спирального типа волоконно-оптический датчик высокой точности на основе потерь на изгибе оптического волокна, который имеет простую структуру и качественную конструкцию, удобен в работе, и имеет гибкий принцип действия, определенную емкость антиинтерференции окружающей среды и высокую чувствительность, что позволяет расширить диапазон его применения. Далее, волоконно-оптический датчик настоящего изобретения имеет большое преимущество в стоимости, поскольку производит измерения на основе потерь на изгибе оптического волокна. В настоящее время тесты оценки потерь на изгибах являются основой всего интерференционного метода, метода частоты и других видов тестирования при проверке оптического волокна, и также являются самой сформировавшейся (доведенной до совершенства) и стабильной технологией с самой низкой стоимостью. Кроме того, может быть выполнено квазидистрибутивное или дистрибутивное измерение с использованием технологий с временным разделением (Time Division), оптического измерения коэффициента отражения методом временных интервалов (Optical Time Domain Reflection, OTDR) и частотно-модулированной незатухающей гармонической волны (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW), которые обеспечивают широкую область применения волоконно-оптического датчика настоящего изобретения.
Решаемая техническая задача
Для решения вышеупомянутых технических проблем один аспект настоящего изобретения состоит в разработке волоконно-оптического датчика спиральной структуры, характеризующегося многовитковым спиральным элементом, сформированным пружинной проволокой, в котором множество первых зубцов деформации непрерывно распределено по верхней поверхности и нижней поверхности пружинной проволоки в продольном направлении вдоль пружинной проволоки; в двух соседних витках пружинной проволоки первые зубцы деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и первые зубцы деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки находятся по отношению друг к другу в шахматном порядке; первое сигнальное оптическое волокно зажато между первыми зубцами деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и первыми зубцами деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки; расположение обоих концов спирального элемента изменяется при наложении напряжения, и расстояние между двумя соседними витками пружинной проволоки в спиральном элементе изменяется так, что положение первых зубцов деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки относительно первых зубцов деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки в двух витках пружинной проволоки изменяется, и в результате кривизна изгиба первого сигнального оптического волокна, зажатого между двумя зубцами деформации, изменяется; и первое сигнальное оптическое волокно соединено с испытательной установкой (устройством контроля) через оптическое волокно передачи.
Когда расположение обоих концов спирального элемента изменяется, например, когда спиральный элемент удлинен под растягивающим напряжением или укорочен под напряжением сжатия, расстояние между двумя соседними витками среди множества наборов соседних витков пружинной проволоки, формирующей спиральный элемент, увеличивается или уменьшается так, что расстояние между первыми зубцами деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и первыми зубцами деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки в двух соседних витках среди множества наборов соседних витков пружинной проволоки увеличивается или уменьшается. В результате кривизна изгиба первого сигнального оптического волокна, зажатого между зубцами деформации двух соседних витков пружинной проволоки, уменьшается или увеличивается, и что вызывает увеличение или уменьшение мощности светового сигнала, переданного в первое оптическое волокно. Первое сигнальное оптическое волокно присоединено к испытательной установке через оптическое волокно передачи так, чтобы изменение в мощности светового сигнала было выявлено испытательной установкой. Испытательная установка может быть источником света и измерителем мощности света. Кроме того, испытательной установкой, адаптированной к технологиям оптического измерения коэффициента отражения методом временных интервалов (Optical Time Domain Reflection, OTDR) и частотно-модулированной незатухающей гармонической волны (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW), может быть выполнено квазидистрибутивное или дистрибутивное измерение.
Следующим техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что спиральный элемент находится в спиральной форме или в форме плоской спиральной пружины.
Дальнейшим техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что слой упругого материала помещают между верхней и нижней поверхностями пружинной проволоки, формирующей спиральный элемент. Слой упругого материала может быть сформирован из макромолекулярных материалов, волнистых (полосовых) пружин или подобных средств. При приложении внешней силы к слою упругого материала производится более значительная деформация. Поэтому, когда положения обоих концов спирального элемента изменяются, взаимное расположение зубцов деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки по отношению к зубцам деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки в двух соседних витках пружинной проволоки немного изменяется.
Еще одним техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что высота первых зубцов деформации, распределенных по поверхности пружинной проволоки, или расстояние между первыми зубцами деформации, распределенными по верхней поверхности пружинной проволоки, или расстояние между первыми зубцами деформации, распределенными по нижней поверхности пружинной проволоки, изменяется.
Следующим техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что второе сигнальное оптическое волокно зажато параллельно первому сигнальному оптическому волокну между первыми зубцами деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и первыми зубцами деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки в двух соседних витках пружинной проволоки.
Дальнейшим техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что вторые зубцы деформации размещены на верхней и нижней поверхностях пружинной проволоки, соответственно, второе сигнальное оптическое волокно зажато между вторыми зубцами деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и вторыми зубцами деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки в двух соседних витках пружинной проволоки.
Еще одним техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что сечение (профиль) пружинной проволоки имеет форму окружности, эллипса, прямоугольника или круглого кольца.
Следующим техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что испытательная установка соединена с устройством обработки данных (процессором).
Дальнейшим техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что сигнальное оптическое волокно является оптическим волокном, имеющим множество защитных слоев на внешней стороне, таким как непроницаемое буферизованное оптическое волокно, покрытое углеродом оптическое волокно, покрытое полиимидом оптическое волокно.
Еще дальнейшим техническим аспектом, который решается волоконно-оптическим датчиком настоящего изобретения, является то, что сигнальное оптическое волокно является многожильным оптическим волокном, макромолекулярным полимерным оптическим волокном или фотонным кристаллическим оптическим волокном.
Технические результаты
Настоящее изобретение имеет следующие преимущества по сравнению с предшествующим уровнем техники.
Во-первых, его конструкция проста, производство несложное, оно имеет различные структурные формы и способ его использования гибок.
Во-вторых, устройство просто и удобно в работе, соединительные связи между соответствующими узлами устройства разработаны так, чтобы достичь качественной работы устройства. Спиральный элемент и испытательная установка для определения потерь на изгибе оптического волокна используются совместно, чтобы достичь поставленной цели в реальном времени, а также точного, достоверного и быстрого тестирования приложенной силы в большом диапазоне.
В-третьих, расходы по производству и работе устройства низкие, эффект от его использования высок, кроме того, практическое значение устройства высокое и экономический выигрыш от его использования существенен. Конструкция известного испытательного устройства упрощается, стоимость изготовления и действия устройства снижаются, вместе с тем уменьшается влияние факторов окружающей среды на результаты испытаний. Поэтому результаты тестирования точны, кроме того, оно легко и просто выполняется, и точное определение может быть выполнено одновременно на основе потерь на макроизгибах и потерь на микроизгибах оптического волокна.
В-четвертых, поскольку спиральный элемент находится в спиральной форме или форме плоской спиральной пружины, сила F прикладывается к сигнальному оптическому волокну зубцами деформации на двух соседних витках пружинной проволоки в спиральном элементе при приложении внешнего напряжения F растяжения, сжатия или кручения и т.д. Сигнальное оптическое волокно получает силу так, что порождаются потери на микроизгибах, таким образом, эффективная длина оптического волокна, образующего микроизгибы, сильно увеличивается и, таким образом, чувствительность тестов повышается.
В-пятых, он может использоваться в качестве приспособленного аттенюатора оптического волокна.
В-шестых, когда внешнее напряжение F приложено к одному или обоим концам спирального элемента, и таким образом весь спиральный элемент находится в состоянии изгиба, радиус изгиба всего спирального элемента может быть точно определен устройством обработки данных согласно данным, определенным испытательной установкой для потерь на изгибах оптического волокна.
В-седьмых, для спирального элемента в спиральной форме, на каждой окружности при приблизительно 360°, в случае когда высота противодействующих зубцов деформации или расстояние между зубцами деформации на двух соседних витках пружинной проволоки является одинаковым и постепенно увеличивается или уменьшается, направление приложения внешнего напряжения F к любому месту на спиральном элементе может быть рассчитано.
В-восьмых, поскольку весь спиральный элемент находится в спиральной форме или форме плоской спиральной пружины, величина крутящего момента или угла кручения может быть вычислена согласно потерям сигнального оптического волокна при применении силы вращения или кручения.
В итоге, настоящее изобретение имеет простую конструкцию и характерный дизайн, легко производится и имеет гибкий способ использования, высокую чувствительность и хороший эффект от использования. Определение может быть выполнено одновременно использованием потерь на макроизгибах и потерь на микроизгибах оптического волокна так, что динамический диапазон становится больше и результаты испытаний являются более чувствительными и точными. В дополнение к известной области применения, тестирование параметра напряжения через потери на изгибах оптического волокна, область тестирования может быть расширена на другие физические характеристики, включая растягивающее напряжение (прочность на отрыв), кривизну изгиба, направление изгиба, угол кручения и крутящий момент. Диапазон приложения может быть и далее расширен.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - изображение, схематично поясняющее конструкцию первого варианта выполнения согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - вид сверху, схематично поясняющий спиральный элемент на фиг.1.
Фиг.3 - схематичный частичный вид в разрезе, взятый в направление А-А' спирального элемента на фиг.2.
Фиг.4 - изображение, схематично поясняющее конструкцию второго варианта выполнения согласно настоящему изобретению.
Фиг.5 - частичный вид в разрезе, схематично поясняющий многовитковую пружинную проволоку, имеющую сложную структуру.
Фиг.6 - изображение, схематично поясняющее конструкцию третьего варианта выполнения согласно настоящему изобретению.
Фиг.7 - изображение, схематично поясняющее конструкцию четвертого варианта выполнения согласно настоящему изобретению.
Фиг.8 - схематично частичный вид в разрезе, взятый в направление В-В' на фиг.7.
Фиг.9 - изображение, схематично поясняющее конструкцию пятого варианта выполнения согласно настоящему изобретению.
Фиг.10 - изображение, схематично поясняющее конструкцию шестого варианта выполнения согласно настоящему изобретению.
Обозначения на представленных чертежах
1 - волокно передачи
4 - спиральный элемент
5 - испытательная установка
6 - первое сигнальное оптическое волокно
7 - устройство обработки данных
8 - второе сигнальное оптическое волокно
10 - слой верхней поверхности пружинной проволоки
11 - слой упругого материала
12 - слой нижней поверхности пружинной проволоки
4-1 - первые зубцы деформации на нижней поверхности пружинной проволоки
4-2 - первые зубцы деформации на верхней поверхности пружинной проволоки
4-3 - вторые зубцы деформации на нижней поверхности пружинной проволоки
4-4 - вторые зубцы деформации на верхней поверхности пружинной проволоки
4-5 - первые зубцы деформации на внешней поверхности внутреннего витка пружинной проволоки
4-6 - первые зубцы деформации на внутренней поверхности внешнего витка пружинной проволоки.
Предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения
Первый вариант конструкции
Как показано на фиг.1, 2 и 3, настоящее изобретение включает многовитковый спиральный элемент 4, сформированный пружинной проволокой. Множество зубцов деформации непрерывно распределено на верхней поверхности и нижней поверхности пружинной проволоки в продольном направлении вдоль пружинной проволоки; в двух соседних витках пружинной проволоки первые зубцы деформации 4-1 на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и первые зубцы деформации 4-2 на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки находятся по отношению друг к другу в шахматном порядке. Первое сигнальное оптическое волокно 6 зажато между первыми зубцами деформации 4-1 на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и первыми зубцами деформации 4-2 на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки. Расположение обоих концов спирального элемента 4 изменяется при приложении напряжения, и расстояние между соседними витками пружинной проволоки в спиральном элементе 4 изменяется таким образом, чтобы положение первых зубцов деформации 4-1 на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки относительно первых зубцов деформации 4-2 на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки в двух витках пружинной проволоки изменилось. В результате кривизна изгиба первого сигнального оптического волокна 6, зажатого между зубцами деформации двух витков пружинной проволоки, изменяется, и, таким образом, мощность светового сигнала, переданного в первое оптическое волокно 6, изменяется. Первое сигнальное оптическое волокно 6 присоединено оптическим волокном передачи 1 к испытательной установке 5, которая соединена с устройством обработки данных.
В этом варианте выполнения спиральный элемент 4 находится полностью в спиральной форме. Когда расположение обоих концов спирального элемента 4 изменяется, например, спиральный элемент 4 удлинен под растягивающим напряжением или укорочен под напряжением сжатия, расстояние между двумя соседними витками среди множества наборов соседних витков пружинной проволоки, формирующей спиральный элемент 4, увеличивается или уменьшается таким образом, чтобы расстояние между первыми зубцами деформации 4-1 на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и первыми зубцами деформации 4-2 на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки в двух соседних витках среди множества наборов соседних витков пружинной проволоки увеличивается или уменьшается. В результате кривизна изгиба первого сигнального оптического волокна 6, зажатого между зубцами деформации двух соседних витков пружинной проволоки, уменьшается или увеличивается, и вызывает увеличение или уменьшение мощности светового сигнала, переданного в первое оптическое волокно 6. Первое сигнальное оптическое волокно 6 соединено с испытательной установкой 5 через оптическое волокно передачи 1 так, чтобы изменение в мощности светового сигнала было определено испытательной установкой. Испытательная установка 5 может быть источником света и световым измерителем мощности. Также квази-дистрибутивное или дистрибутивное измерение может быть выполнено испытательным аппаратом, адаптированным к технологиям оптического измерения коэффициента отражения методом временных интервалов (Optical Time Domain Reflection, OTDR).
Первое сигнальное оптическое волокно 6 является оптическим волокном, имеющим множество защитных слоев с внешней стороны, таким как непроницаемое буферизованное оптическое волокно, покрытое углеродом оптическое волокно, покрытое полиимидом оптическое волокно и т.д. Первое сигнальное оптическое волокно 6 может также быть пластиковым оптическим волокном или фотонным кристаллическим оптическим волокном.
Второй вариант конструкции
Как показано на фиг.4, отличие этого варианта конструкции от первого варианта состоит в том, что направление F приложения внешнего напряжения на спиральный элемент 4 является направлением навивки, т.е. спиральный элемент навит от верхнего или нижнего конца. В этом варианте конструкция, соединительные связи и принципы эксплуатации других частей являются идентичными первому варианту конструкции.
Третий вариант конструкции
Как показано на фиг.6, отличие этого варианта конструкции от первого варианта состоит в том, что направление F приложения внешнего напряжения является направлением вращения, т.е. спиральный элемент 4 вращается от верхнего или нижнего конца. В этом варианте конструкция, соединительные связи и принципы эксплуатации других частей являются идентичными первому варианту конструкции.
Четвертый вариант конструкции
Как показано на фиг.7 и 8, отличие этого варианта конструкции от первого варианта состоит в том, что спиральный элемент 4 выполнен полностью в форме плоской спиральной пружины. Два соседних витка пружинной проволоки являются соседними внутренними и внешними витками пружинной проволоки. Первые зубцы деформации 4-5 на внешней поверхности внутреннего витка пружинной проволоки и первые зубцы деформации 4-6 на внутренней поверхности внешнего витка пружинной проволоки находятся по отношению друг к другу в шахматном порядке с первым сигнальным оптическим волокном 6, зажатым между ними. Когда расположение внутреннего конца спирального элемента изменяется относительно его внешнего конца, расположение двух соседних витков пружинной проволоки изменяется таким образом, чтобы положение зубцов деформации, распределенных по поверхности внутренних и внешних витков пружинной проволоки, соответственно изменилось. В результате кривизна изгиба первого сигнального оптического волокна 6, зажатого между зубцами деформации двух соседних витков, изменяется, и вызывает изменение мощности светового сигнала, переданного в оптическое волокно 6. Первое сигнальное оптическое волокно 6 присоединено оптическим волокном передачи 1 к испытательной установке 5, которая соединена с устройством обработки данных 7. В этом варианте конструкция, соединительные связи и принципы эксплуатации других частей являются идентичными первому варианту конструкции.
Пятый вариант конструкции
Как показано на фиг.5, отличие этого варианта конструкции от первого варианта состоит в том, что пружинная проволока, формирующая спиральный элемент 4, имеет трехслойный профиль, включающий слой 10 верхней поверхности пружинной проволоки с первыми зубцами деформации 4-2 на верхней поверхности пружинной проволоки, средний слой упругого материала и слой 12 нижней поверхности пружинной проволоки с первыми зубцами деформации 4-1 на нижней поверхности пружинной проволоки. В этом варианте конструкция, соединительные связи и принципы эксплуатации других частей являются идентичными первому варианту конструкции.
Шестой вариант конструкции
Как показано на фиг.9, отличие этого варианта конструкции от первого варианта состоит в том, что второе сигнальное оптическое волокно 8 размещается параллельно первому сигнальному оптическому волокну 6. Изменение в мощности оптического сигнала во втором сигнальном оптическом волокне 8 может быть выявлено другими испытательными установками (не показаны на чертеже). В этом варианте конструкция, соединительные связи и принципы эксплуатации других частей являются идентичными первому варианту конструкции.
Седьмой вариант конструкции
Как показано на фиг.10, отличие этого варианта конструкции от шестого варианта состоит в том, что вторые зубцы деформации 4-3 на нижней поверхности пружинной проволоки и вторые зубцы деформации 4-4 на верхней поверхности пружинной проволоки снабжены вторым сигнальным оптическим волокном 8, зажатым между ними. В этом варианте, конструкция, соединительные связи и принципы эксплуатации других частей являются идентичными первому варианту конструкции.
Описанные выше варианты конструкции являются только предпочтительными вариантами выполнения настоящего изобретения и не являются ограничением настоящего изобретения. Любые простые вариации, модификации и изменения в эквивалентных структурах, сделанных к вышеупомянутым вариантам конструкции, согласно технической сущности настоящего изобретения, также находятся в пределах области действия защиты технических решений настоящего изобретения.