RU135119U1

RU135119U1 - FIBER OPTICAL DEFORMATION CONVERTER

Info

Publication number: RU135119U1
Application number: RU2013140343/28U
Authority: RU
Inventors: Олег Валерьевич Индришенок; Андрей Сергеевич Титов; Дмитрий Иванович Уткин; Дмитрий Владимирович Панфёров; Сергей Александрович Даниленко
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2013-11-27

Abstract

Волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий по крайней мере одну волоконную решётку Брэгга, отличающийся тем, что оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца.A fiber optic strain transducer containing at least one Bragg fiber grating, characterized in that the optical fiber is fixed to an elastic element in the form of a wafer made of a single crystal of sapphire, or silicon, or quartz.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к основным компонентам волоконно-оптических датчиков и измерителей силы, давления, перемещения, деформации для преобразования физических величин.The utility model relates to measuring equipment, namely to the main components of fiber-optic sensors and meters of force, pressure, displacement, deformation for the conversion of physical quantities.

Известен волоконно-оптический кабель, включающий в себя датчики температуры, давления и деформации, выполненные на основе волоконно- оптических брэгговских решеток, а также средство передачи данных от датчиков к промежуточным концентраторам информации. Патент Российской Федерации на полезную модель №104904, МПК: B61K 9/08; B61L 1/00, 2012 г., аналог. Устройство имеет большие габариты и сравнительно низкую чувствительность.Known fiber optic cable, including temperature, pressure and strain sensors made on the basis of fiber-optic Bragg gratings, as well as a means of transmitting data from sensors to intermediate information concentrators. Patent of the Russian Federation for utility model No. 104904, IPC: B61K 9/08; B61L 1/00, 2012, analogue. The device has large dimensions and relatively low sensitivity.

Известен волоконно-оптический датчик измерения скорости жидкости и/или газа, включающий оптическое волокно, содержащее, по меньшей мере, одну волоконную решетку Брэгга, которая снабжена концентратором механических напряжений, возникающих в оптическом волокне при взаимодействии его с потоком жидкости и/или газа. Патент Российской Федерации на полезную модель №59238, МПК: G01D 5/353, 2006 г., прототип. Недостатком данного датчика является возможность его использования лишь для текучих сред и сравнительно низкая точность, возникающая из-за погрешности, вызванной гистерезисом.Known fiber-optic sensor for measuring the velocity of a liquid and / or gas, including an optical fiber containing at least one Bragg fiber grating, which is equipped with a concentrator of mechanical stresses arising in the optical fiber when it interacts with the flow of liquid and / or gas. Patent of the Russian Federation for utility model No. 59238, IPC: G01D 5/353, 2006, prototype. The disadvantage of this sensor is the possibility of its use only for fluids and the relatively low accuracy arising from the error caused by hysteresis.

Волоконные брэгговские решетки (ВБР) - один из перспективных чувствительных элементов волоконно-оптических измерительных преобразователей. Однако, ввиду малого диапазона допустимых рабочих деформаций волоконной решетки Брэгга, в устройствах преобразования физических величин предполагается использование упругого элемента, передающего деформацию на ВБР. Как известно, основным недостатком преобразователей, имеющих в своем составе упругий элемент, является снижение точности измерений, связанное с явлениями гистерезиса. Гистерезис в данном случае выражается в том, что упругий элемент не возвращается в свое начальное положение после прекращения воздействующей на него силы. Особенно это проявляется в случаях, когда в качестве упругого элемента выступает металлическая деталь (подложка, мембрана, балка, рычаг, пластина и др.). Кроме того, температурные деформации упругого элемента, передающиеся к закрепленной на нем волоконной решетке Брэгга, всегда снижают точность измерений и налагают значительные ограничения на температурные условия функционирования преобразователя.Fiber Bragg gratings (FBG) is one of the promising sensitive elements of fiber-optic measuring transducers. However, due to the small range of permissible working deformations of the Bragg fiber lattice, it is proposed to use an elastic element transmitting the deformation to FBG in the devices for converting physical quantities. As you know, the main disadvantage of converters that have an elastic element in their composition is a decrease in the accuracy of measurements associated with hysteresis phenomena. Hysteresis in this case is expressed in the fact that the elastic element does not return to its initial position after the termination of the force acting on it. This is especially evident in cases when a metal part acts as an elastic element (substrate, membrane, beam, lever, plate, etc.). In addition, the temperature deformations of the elastic element, transmitted to the Bragg fiber lattice attached to it, always reduce the accuracy of measurements and impose significant restrictions on the temperature conditions of the operation of the transducer.

Технический результат - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.The technical result is an increase in measurement accuracy and expansion of functionality.

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом преобразователе деформации, содержащем, по крайней мере, одну волоконную решетку Брэгга, оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца.The technical result is achieved in that in a fiber-optic strain transducer containing at least one Bragg fiber grating, the optical fiber is mounted on an elastic element in the form of a plate made of a single crystal of sapphire, or silicon, or quartz.

Сущность полезной модели поясняется на чертеже, где: 1 - упругий элемент из монокристалла, 2 - оптическое волокно, 3 - измерительная волоконная решетка Брэгга.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where: 1 is an elastic element of a single crystal, 2 is an optical fiber, 3 is a measuring Bragg fiber grating.

Полезная модель содержит упругий элемент 1, выполненный в виде пластинки, вырезанной из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца, на котором закреплено оптическое волокно 2, с чувствительным элементом в виде измерительной волоконной решетки Брэгга 3 (волоконная решетка Брэгга на чертеже и ее положение в оптическом волокне 2 изображено условно).The utility model contains an elastic element 1 made in the form of a plate cut from a sapphire or silicon single crystal, or quartz, on which an optical fiber 2 is fixed, with a sensitive element in the form of a Bragg measuring fiber grating 3 (the Bragg fiber grating in the drawing and its position in optical fiber 2 is depicted conditionally).

Упругий элемент выполнен из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца в связи с их упругими свойствами и близкими, по отношению к оптическому волокну, коэффициентами температурного расширения. Использование данных монокристаллов исключает возникновение нежелательных пластических деформаций в упругом элементе.The elastic element is made of a single crystal of sapphire, or silicon, or quartz due to their elastic properties and close coefficients of thermal expansion with respect to the optical fiber. The use of these single crystals eliminates the occurrence of undesirable plastic deformations in the elastic element.

Если преобразуемая деформация имеет силу F, приложенную к какой-либо части упругого элемента 1, как это изображено на чертеже, то упругий элемент закрепляют торцом. Если преобразуемая деформация имеет распределенные силы (например, в случае закрепления упругого элемента по всей его плоскости на поверхности исследуемого объекта), то возможны иные варианты закреплений упругого элемента.If the transformed deformation has a force F applied to any part of the elastic element 1, as shown in the drawing, then the elastic element is fixed with an end face. If the transformed deformation has distributed forces (for example, in the case of fixing the elastic element along its entire plane on the surface of the object under study), then other options for fixing the elastic element are possible.

Точное положение волоконной брэгговской решетки в оптическом волокне определяют расчетным путем.The exact position of the fiber Bragg grating in the optical fiber is determined by calculation.

Преобразователь перемещений может быть расположен в герметичных конструкциях и, ввиду этого, позволяет применять его в составе жидкостных датчиков.The displacement transducer can be located in sealed structures and, therefore, allows it to be used as part of liquid sensors.

Преобразователь перемещений работает следующим образом.The displacement transducer works as follows.

Действие внешней силы F вызывает малые изгибы упругого элемента 1, на которой закреплено оптическое волокно 2. Деформации оптического волокна сопровождаются деформацией измерительной волоконной решетки Брэгга 3, что приводит к изменению ее периода и, следовательно, к изменению спектральных свойств излучения проходящего или отраженного от нее. Изменения спектральных свойств излучения выражаются в изменении кода резонансной частоты волоконной решетки Брэгга, обрабатываемого аппаратурой спектрального анализа (на чертеже аппаратура спектрального анализа не показана).The action of an external force F causes small bends of the elastic element 1 on which the optical fiber 2 is fixed. Deformations of the optical fiber are accompanied by deformation of the Bragg measuring fiber grating 3, which leads to a change in its period and, consequently, to a change in the spectral properties of the radiation transmitted or reflected from it. Changes in the spectral properties of radiation are expressed in a change in the resonance frequency code of the Bragg fiber lattice processed by the spectral analysis equipment (the spectral analysis equipment is not shown in the drawing).

После прекращения действия внешней силы F, упругий элемент в виде пластинки из монокристалла возвращается в первоначальное положение.After the termination of the external force F, the elastic element in the form of a plate from a single crystal returns to its original position.

Допускается использование одной и более измерительных волоконных решеток Брэгга.One or more Bragg measuring fiber gratings may be used.

При использовании нескольких измерительных волоконных решеток Брэгга и их симметричном расположении, относительно упругого элемента 1, возможна реализация дифференциального принципа измерений, что повышает достоверность и точность результатов, а также позволяет в значительной степени исключить необходимость учета температурных влияний на результаты измерений.When using several Bragg measuring fiber gratings and their symmetrical arrangement relative to the elastic element 1, it is possible to implement the differential measurement principle, which increases the reliability and accuracy of the results, and also significantly eliminates the need to take into account the temperature effects on the measurement results.

Дифференциальный принцип измерений, в данном случае, заключается в одновременном измерении величины деформации симметрично расположенных волоконных решеток Брэгга. При этом, если одна решетка испытывает растяжение, другая - сжимается. Температура, воздействуя на обе решетки, вносит одинаковую величину температурной деформации, которая может быть исключена при дальнейшей обработке сигнала, методом вычислений разности сигналов от каждой из решеток Брэгга.The differential measurement principle, in this case, is to simultaneously measure the strain value of the symmetrically arranged Bragg fiber gratings. Moreover, if one lattice is under tension, the other is compressed. The temperature, acting on both gratings, introduces the same amount of thermal deformation, which can be eliminated during further signal processing, by calculating the difference of the signals from each of the Bragg gratings.

В местах расположения измерительных волоконных решеток Брэгга, оптическое волокно 2 на упругом элементе 1 должно быть закреплено с обеспечением всесторонней фиксации своей наружной оболочки, например, стеклоприпоем.At the locations of the Bragg measuring fiber gratings, the optical fiber 2 on the elastic element 1 must be fixed to provide comprehensive fixation of its outer shell, for example, glass solder.

Допускается использование одного и более оптических волокон с измерительными волоконными решетками Брэгга.It is allowed to use one or more optical fibers with Bragg measuring fiber gratings.

Для учета температурного воздействия, в полезной модели допускается использование одной или более волоконных брэгговских решеток, предназначенных исключительно для измерения температурных деформаций оптического волокна.To take into account the temperature effect, in the utility model it is allowed to use one or more fiber Bragg gratings intended solely for measuring the temperature deformations of the optical fiber.

Каждая из волоконных брэгговских решеток имеет индивидуальный код резонансной частоты. Аппаратура спектрального анализа выполняет операции, связанные с обработкой информации об изменениях этих резонансных частот.Each of the fiber Bragg gratings has an individual resonant frequency code. The spectral analysis equipment performs operations related to the processing of information about changes in these resonant frequencies.

Изготовление полезной модели не требует разработки новых технологий и оборудования.Making a utility model does not require the development of new technologies and equipment.

Claims

A fiber optic strain transducer containing at least one Bragg fiber grating, characterized in that the optical fiber is fixed to an elastic element in the form of a wafer made of a single crystal of sapphire, or silicon, or quartz.