СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИГНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
METHOD OF MAKING SIGNALLING DEVICES

Предлагаемое изобретение относится к области изготовления устройств тревожной сигнализации и приспособлений для индикации превышения заданных пределов деформации поверхности контролируемых объектов и может быть применено при производстве устройств охранной и тревожной сигнализации для обнаружения деформации поверхности резервуаров, котлов, трубопроводов, корпусов, оболочек, опор, балок, плит перекрытий, стен, пилонов, карнизов, стоек, упоров, навесов и других элементов несущих конструкций различных строительных, теплоэнергетических и т.п. объектов при воздействии на них как внешних, так и внутренних сил, а также для предотвращения кражи со взломом стенок и перегородок шкафов, ящиков, сейфов, кузовов, дверей и других охраняемых объектов при механическом на них воздействии.
Известен способ изготовления фотоэлектрических устройств охранной сигнализации [1], срабатывающих при прерывании светового потока в пределах границы контролируемого участка и содержащих оптически связанные между собой, закрепленные на двух отдельных стойках излучатели света и фотоприемники, включающий их изготовление и монтаж стоек жестко на поверхности объекта. При деформации поверхности объекта происходит отклонение стоек от нормального положения, в результате чего лучи света от излучателей не попадают на светочувствительные элементы фотоприемников, что вызывает срабатывание сигнального устройства.
Изготовленные для реализации данного способа устройств не обладают высокой надежностью функционирования при использовании их для индикации деформации поверхности контролируемых объектов, так как имеется возможность ложного срабатывания устройств при появлении внешней преграды (пыль, туман, дым, упавшие предметы и пр.) на пути световых лучей, или, напротив, низкая надежность функционирования устройств проявляется при наружном (случайном или умышленном) ослеплении фотоприемников боковым ярким светом.
Кроме того, известен способ изготовления оптических датчиков сигнализации [2], срабатывающих из-за прерывания светового потока в пределах границы контролируемого участка объекта и содержащих оптически связанные между собой излучатель (источник света) и фотоприемник (фоторезистор), между которыми в оптическом канале находится жестко закрепленная на контролируемой поверхности (на биметаллической пластине) шторка. При деформации поверхности объекта (при изгибе пластины внутренними силами из-за повышения температуры окружающей среды) шторка перекрывает световой поток в оптическом канале между излучателем и фотоприемником, в результате чего происходит срабатывание сигнального устройства.
При производстве сигнальных устройств по данному способу излучатель, фотоприемник и шторку монтируют на объекте, причем шторка монтируется на контролируемой поверхности жестко, а излучатель и фотоприемник не имеют жесткой связи с контролируемой поверхностью и должны оставаться неподвижными при деформации поверхности объекта.
Изготовленные по данному способу устройства также не обладают высокой надежностью функционирования при использовании их для индикации деформации поверхности контролируемых объектов, так как срабатывание устройств сигнализации происходит лишь при деформации контролируемой поверхности, вызывающей смещение шторки в сторону оси оптического канала. Кроме того, подобные устройства нечувствительны к малым деформациям, так как для срабатывания сигнального устройства величина линейного смещения шторки в результате деформации поверхности должна быть столь значительной, чтобы привести к полному перекрытию шторкой оптического канала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ изготовления устройств для измерения деформации [3], которые содержат излучатель (источник монохроматического света) и фотоприемник (объектив), оптически связанные между собой двумя световодами. При производстве сигнальных устройств по данному способу изготавливают излучатель, фотоприемник и два световода, которые затем монтируют на контролируемом объекте, причем один из световодов жестко связывают с контролируемым объектом (образцом исследуемого материала).
Изготовленные по данному способу устройства не обладают высокой надежностью функционирования при использовании их для индикации деформации поверхности контролируемых объектов. Так, например, настройка измерительной схемы предполагает проведение точной юстировки устройства через подбор расположения световодов около объектива с помощью микрометрических механизмов перемещения световодов (при этом высокоточные механизмы являются неотъемлемой частью измерительного устройства). Это необходимо для обеспечения прихода световых волн на объектив в противофазе. Подобная настройка требуется для установления разности хода лучей по световодам, равным нечетному числу полуволн монохроматического светового излучения (т.е. фактически необходимые взаимные смещения световодов осуществляются в пределах микрометра (одного микрона)). Столь малое и точное смещение световодов позволяет зафиксировать на нулевом значении исходную интенсивность общего светового потока, поступающего в объектив.
Однако известно [4], что сложные механизмы точной ручной настройки не характеризуются высокой надежностью функционирования в условиях различных внешних воздействий. Кроме того, изготовленные по данному способу устройства обеспечивают возможность выявления и измерения лишь продольной деформации, вызывающей удлинение световода, жестко закрепленного в материале, и практически не индицируют поперечную (изгибающую) деформацию поверхности объекта, не вызывающую удлинение световода. Все это характеризует низкую надежность срабатывания сигнальных устройств, изготовленных по известному способу.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности функционирования сигнальных устройств.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления сигнальных устройств, срабатывающих из-за прерывания светового потока при деформации поверхности контролируемого объекта, включающем изготовление излучателя, оптически связанного через гибкий линейный световод с фотоприемником излучения, и их монтаж на поверхности контролируемого объекта, после изготовления гибкого стеклянного световода с полированными боковыми поверхностями на них наносят тонкий светоотражающий слой и подвергают стекло световода радиационному тонированию электромагнитным рентгеновским или гамма-излучением дозой до 10 кГр. Далее жестко закрепляют на поверхности контролируемого объекта световод и пропускают через него пучок остросфокусированного импульсного или непрерывного лазерного излучения с фокусным расстоянием, многократно превышающим длину световода, с длиной волны лазерного излучения, соответствующего диапазону прозрачности стекла, и энергией до 50 мДж в течение промежутка времени до 60 с, достаточного для образования в стекле световода узкого канала по всей длине световода, причем при формировании канала происходит восстановление прозрачности стекла вдоль оси распространения лазерного обрабатывающего излучения. Затем подключают к входу световода источник узконаправленного светового импульсного или непрерывного излучения низкой интенсивности под углом к продольной оси световода с длиной волны, соответствующей длине волны лазерного обрабатывающего излучения.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 - схема формирования отсвеченного (прозрачного) канала в радиационно-тонированном прямолинейном стеклянном световоде при лазерной обработке световода вдоль осевой линии (режим воздействия лазерного обрабатывающего излучения);
фиг.2 - схема срабатывания сигнального устройства при деформации (изгибе) контролируемой поверхности, вызывающей преломление сигнального луча на границе раздела радиационно-тонированной и прозрачной областей стеклянного световода и, как следствие, приводящей к ускоренному затуханию светового сигнального луча в радиационно-тонированной части световода (режим пропускания сигнального излучения);
фиг.3 - схема преломления сигнального луча на границе раздела радиационно-тонированной и прозрачной областей стеклянного световода (режим пропускания сигнального излучения);
фиг.4 - схема формирования многократно изломленного отсвеченного (прозрачного) канала увеличенной протяженности в радиационно-тонированном стеклянном световоде с зеркальными боковыми поверхностями при его лазерной обработке (режим воздействия лазерного обрабатывающего излучения);
фиг.5 - схема формирования отсвеченного (прозрачного) канала в радиационно-тонированном стеклянном световоде с зеркальными боковыми поверхностями, повторяющем форму поверхности контролируемого объекта (режим воздействия лазерного обрабатывающего излучения).
На чертежах обозначено: 1 - технологический лазер (источник лазерного обрабатывающего излучения); 2 - пучок лазерного обрабатывающего излучения; 3 - радиационно-тонированный (затемненный) стеклянный световод; 4 - отсвеченный (прозрачный) канал стеклянною световода; 5 - граница раздела радиационно-тонированной и прозрачной областей стеклянного световода; 6 - поверхность контролируемого объекта; 7 - клей; 8 - излучатель (источник сигнального излучения); 9 - пучок сигнального излучения; 10 - затухающий луч сигнального излучения: 11 - фотоприемник сигнального излучения; 12 - усилитель сигнала фотоприемника; 13 - узел обработки сигнала усилителя и выдачи сигнала тревоги; 14 - угол ά падения сигнального излучения на границу раздела радиационно-тонированной и прозрачной областей стеклянного световода; 15 - угол β преломления сигнального излучения на границе раздела радиационно-тонированной и прозрачной областей стеклянного световода; 16 - светоотражающий (зеркальный) слой; 17 - продольная ось световода (нормаль к его торцевой поверхности); 18 - угол γ падения светового луча (лазерного обрабатывающего или сигнального излучения) на торцевую поверхность стеклянного световода; 19 - угол δ падения световою луча (лазерного обрабатывающего или сигнального излучения) на светоотражающую (зеркальную) боковую поверхность стеклянного световода; 20 - угол φ отражения светового луча (лазерного обрабатывающего или сигнального излучения) от зеркальной поверхности светоотражающего слоя; 21 - оптическая линия связи источника лазерного обрабатывающего или сигнального излучения с входом стеклянного световода (например, волоконно-оптическая линия связи).
Порядок выполнения операций предлагаемого способа изготовления сигнальных устройств состоит в следующем (см. дополнительно фиг.1…фиг.5):
1) Изготавливают излучатель 8, фотоприемник 11, усилигель 12, узел обработки и выдачи сигнала тревоги 13, а также стеклянный световод 3 (например, из боросиликатного стекла [5, с.12]) с полированными боковыми поверхностями, обладающий свойствами гибкости [5, с.24…25, рис.4].
2) Наносят на боковые поверхности световода тонкий светоотражающий (зеркальный) слой 16, например металла по технологии тонких пленок толщиной не более 12 мкм [6, с.176].
3) Подвергают стекло световода радиационному тонированию электромагнитным рентгеновским или гамма-излучением дозой до 10 кГр [7, с.273; 8, с.37].
При этом происходит потемнение стекла 3 (стекло приобретает золотисто-коричневый оттенок) и оптическая плотность (показатель преломления) радиационно-тонированного стекла 3 возрастает (например, до величины nтон = 1,52 по сравнению с показателем преломления прозрачною стекла nпр = 1,50) [7, с.273, с.279, рис.82, с.282, табл.248, табл.249, с.283, табл.252; 8, с.41; 9].
4) Закрепляют (монтируют) световод жестко на заданном участке поверхности контролируемого объекта 6, например, с помощью специального клея 7. Возможны и иные способы жесткого крепления световода на контролируемой поверхности 6, например, механические.
5) Подключают к входу световода источник 1 остросфокусированного импульсного или непрерывного лазерного обрабатывающего излучения 2 (фокусное расстояние выходной линзы источника 1 должно многократно превышать длину световода 3).
Длина волны лазерного обрабатывающего излучения 2 должна быть менее 2,5 мкм, т.е. соответствовать диапазону прозрачности стекла (5, с.9, рис.1, с.10]. Например, быть равной: 1,06 мкм (твердотельный лазер - неодим в стекле); 0,53…0,55 мкм (активаторы - редкоземельные элементы):, 0,69 мкм (рубин); 0,85 мкм (полупроводниковый лазер) [10, с.27…28, с.160, табл.25; 11, с.39, табл.4]).
Энергия обрабатывающего излучения до 50 мДж [110, с.305…313].
Угол 18 падения лазерного обрабатывающего излучения на торцевую поверхность световода 3 (см. фиг.4) должен обеспечивать преломление луча под углом менее предельного [12, с.305].
На фиг.1, 2 и 5 угол 18 (падения луча на торцевую поверхность стеклянного световода) γ=0, т.е. луч распространяется по нормали к торцевой поверхности.
6) Пропускают пучок 2 импульсного или непрерывного лазерного обрабатывающего излучения через стеклянный радиационно-тонированный световод 3 в течение промежутка времени до 60 с.
Время лазерной обработки световода предопределяется длительностью образования в стекле узкого отсвеченного [7, с.373] канала 4 по всей длине световода 3. В результате лазерной обработки происходит восстановление прозрачности стекла [8, с.38; 12].
При формировании отсвеченного канала 4 в радиационно-тонированном стеклянном световоде 3 (см. фиг.1) происходит восстановление прозрачности стекла вдоль оси распространения лазерного излучения 2. Диаметр формируемого прозрачного канала 4 предопределяется диаметром пучка лазерного обрабатывающего излучения 2 в соответствии с гауссовым законом распределения мощности излучения в сечении светового пучка, причем граница 5 раздела радиационно-тонированной 3 и прозрачной 4 областей световода имеет четко выраженный характер [8; 9].
7) Монтируют остальные части сигнального устройства на поверхности контролируемого объекта 6.
При этом подключают к входу световода 3, ранее закрепленного на поверхности контролируемого объекта 6 (см. п.4), источник 8 светового импульсного или непрерывного сигнального излучения 9 низкой интенсивности.
В качестве излучателя 8 применяют, например, малогабаритный полупроводниковый лазер (аналогичный, например, используемому в лазерных указках [10, с.318…320]) или источник на основе светоизлучающих диодов [13, с.10…15, табл.2.1]). Излучатель 8 подключают к входу световода 3 под тем же самым углом γ к продольной оси, что и при лазерной обработке (отсвечивании) стекла. При этом длина волны сигнального излучения 9 должна соответствовать длине волны лазерного обрабатывающего излучения 2, используемого (см. п.5 и п.6) для обработки (отсвечивания) стекла. К выходу световода подключают фотоприемник 11, связанный через усилитель 12 с узлом обработки и выдачи сигнала тревоги 13. Сигнал тревоги формируется в случае прерывания (исчезновения) светового потока сигнального излучения 9 в световоде 3.
Принцип срабатывания сигнального устройства, изготовленного по предлагаемому способу, состоит в следующем (см. фиг.2 и 3).
До момента изгиба контролируемой поверхности 6 сигнальное излучение 9 распространяется вдоль оси отсвеченного канала 4 прямолинейного световода 3 (см. фиг.1) от излучателя 8 до фотоприемника 11. Сигнал с выхода фотоприемника 11 через усилитель 12 поступает на вход узла обработки 13 и препятствует формированию на его выходе сигнала тревоги.
При деформации контролируемой поверхности 6 изгибается жестко связанный с ней световод 3 (см. фиг.2). В результате прямолинейно распространяющийся в стекле луч 9 (см. фиг.3) попадает на границу 5 раздела радиационно-тонированной и прозрачной областей изогнутого стеклянного световода под углом 14 ά и преломляется в точке падения под углом 15 β. Так как показатель преломления радиационно-тонированного стекла 3 (nтон = 1,52) превышает показатель преломления прозрачного стекла 4 (nпр = 1,50), то угол ά>β [12, с.305]. Следовательно, луч 10 отклоняется в точке преломления в направлении удаления от оптически прозрачного канала 4 (то есть отклоняется в толщу радиационно-тонированного стекла 3) независимо от фактического значения величины угла ά (от 0 до 90°). Это означает, что на границе раздела 5 ни при каких условиях не может проявиться эффект полного внутреннего отражения падающего луча 9 (указанный эффект мог бы привести, в случае своего проявления, к распространению сигнального излучения 10 внутри оптически прозрачного канала 4 практически без потерь на затухание [12, с.306]),
При распространении пучка 10 в радиационно-тонированной (темной) части световода 3 снижается интенсивность электромагнитного оптического излучения, так как данная область световода характеризуется более высокой оптической плотностью [12, с.305, 352].
По этим причинам при изгибе световода 3 затухающее излучение 10 не достигает фотоприемника 11, что приводит к исчезновению запрещающего сигнала на выходе усилителя 12 и, как следствие, узел обработки 13 формирует сигнал тревоги.
Для повышения чувствительности сигнального устройства к малым деформациям контролируемой поверхности (то есть к таким деформациям, которые приводят к незначительному изгибу световода 3) необходимо увеличивать длину оптически прозрачного канала 4, так как величина смещения светового пятна сигнального излучения 9 по поверхности фотоприемника 11 пропорциональна длине канала.
Однако подобное конструкторское решение приводит к увеличению продольного габарита световода 3, что затрудняет его использование на малых контролируемых поверхностях 6 при их незначительной деформации. В связи с этим предлагается осуществлять лазерную обработку радиационно-тонированного световода 3 по схеме, представленной на фиг.4. Результатом подобной обработки световода является формирование многократно изломленного оптически прозрачного канала 4 и, как следствие, значительное увеличение его протяженности за счет неоднократного переотражения пучка лазерного обрабатывающего излучения 2 от боковых зеркальных поверхностей 16 световода 3. При этом неизменной остается общая габаритная длина световода 3.
Здесь необходимо отметить, что обработка стеклянного световода 3 по схеме, представленной на фиг.4, обеспечивает возможность изготовления сигнальных устройств, регистрирующих продольные деформации. Это объясняется тем, что при продольной деформации увеличивается длина световода, но оптическая схема пространственного распространения сигнального излучения 9 в многократно изломленном канале 4 остается неизменной. В результате происходит смещение светового пятна сигнального излучения 9 по поверхности фотоприемника 11 вплоть до его границы чувствительности.
Для контроля поверхности 6 сложной формы (см. фиг.5) (например, цилиндрической, сферической, волнистой и др.) необходимо: изготовить стеклянный световод 3, повторяющий по форме контролируемую поверхность 6; нанести на его боковые поверхности слой светоотражающей зеркальной металлизации 16; радиационно тонировать стекло световода 3 и затем закрепить световод 3 жестко на соответствующем по форме участке контролируемой поверхности 6. Лазерную обработку световода 3 (формирование оптически прозрачного канала 4) следует проводить по месту монтажа сигнального устройства на поверхности контролируемого объекта 6.
При значительной упругой или остаточной пластической деформации контролируемой поверхности 6 (как поперечной, так и продольной) вследствие случайного или умышленного внешнего ударного либо статического воздействия происходит разрушение (растрескивание) стеклянного световода 3, что вызывает рассеяние сигнального излучения 9 на сколах и в трещинах стекла и, как следствие, немедленное срабатывание сигнального устройства.
При серийном производстве стеклянных световодов разнообразных стандартных или унифицированных форм и типоразмеров (крупные партии которых подвергают одновременной групповой металлизации и затем радиационному тонированию) существенно снижается себестоимость изготовления и эксплуатации готовых к применению сигнальных устройств. Тем самым обеспечивается возможность широкого использования предлагаемого способа для решения задачи контроля и охранной защиты различных объектов, подвергающихся деформирующему воздействию как внешних, так и внутренних сил, а также возможность оперативной замены световодов в отдельных случаях их повреждения при срабатывании сигнализации или при плановой перенастройке параметров или модернизации элементов сигнализации на контролируемых поверхностях.
Предлагаемый способ изготовления сигнальных устройств охранной сигнализации позволяет совместить часть операций изготовления оптической системы с ее монтажом на поверхности контролируемого объекта и тем самым повысить надежность функционирования сигнализации в целом из-за возможности настройки оптической системы по месту установки. Кроме того, этим обеспечивается существенное повышение чувствительности охранной сигнализации к механическим воздействиям.
Учитывая, что стекло как конструкционный материал обеспечивает широкое многообразие форм и размеров практической реализации гибких световодов, предлагаемый способ допускает возможность эффективного решения задачи контроля величины деформации и степени разрушения различных по исполнению и площади несущих элементов. При этом стеклянные тонированные световоды в качестве датчиков разрушения могут устанавливаться заранее в любых местах возможной деформации отдельных элементов конструкции с отсрочкой монтажа сигнального устройства в целом до момента проведения планового контроля в установленные сроки,
Источники информации
1. Патент США №3970846, кл. 250-221, опубл. 1976 (аналог).
2. А.с. №970411, МПК G08B 13/18. Оптический датчик пожарной сигнализации / Кулаков А.Т. - Заявлено 03.04.1981. - Опубл. 30.10.1982, бюл. №40 (аналог).
3. А.с. №195689, МПК G01B 11/18. Способ измерения деформации / Шейнин И.С., Носков Л.Д. - Заявлено 18.04.1966. - Опубл. 04.05.1967, бюл. №10 (прототип).
4. Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надежность / Н.А.Барканов, Б.Е.Бердичевский, П.Д.Верхопятницкий и др. Под ред. Р.Г.Варламова. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с., ил.
5. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла. - М.: Сов. радио, 1979. - 136 с., ил.
6. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1980. - 424 с., ил.
7. Радиационная стойкость материалов радиотехнических конструкций (справочник) / В.К.Князев, Н.А.Сидоров, В.Г.Курбаков, Г.В.Касьянов. Под ред. Н.А.Сидорова, В.К.Князева.- М.: Сов. радио, 1976. - 568 с., ил.
8. Кудаев С.В., Давыдов Н.Н. Моделирование параметров процесса радиационно-лазерного формирования интегрально-оптических волноводов на центрах окраски в стеклах // Проектирование и технология электронных средств. - 2001. - №3. - С.37-43.
9. Патент РФ №2183466, МПК A61L 2/08, В65В 55/16. Способ стерилизации и защиты от подделок продукции, размещенной в стеклянной упаковке / Бутин В.И., Давыдов Н.Н., Цветкова Т.Ю. - Заявлено 26.06.2001. - Опубл. 20.06.2002, бюл. №17.
10. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении.- Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1978. - 336 с., ил.
11. Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение. - М.: ДОСААФ, 1988. - 190 с., ил.
12. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 2001. - 542 с., ил.
13. Быстров Ю.А., Гапунов А.П., Персианов Г.М. Оптоэлектронные устройства в радиолюбительской практике: Справ. пособие. - М.: Радио и связь, 1995. - 160 с., ил.