RU186775U1

RU186775U1 - Spectral Vibration Transducer

Info

Publication number: RU186775U1
Application number: RU2018116436U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Даниленко; Дмитрий Иванович Уткин; Андрей Сергеевич Титов
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2019-02-01

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, представляет собой спектральный преобразователь вибрации и может использоваться в информационных системах контроля сейсмической активности и обнаружения подземных ударных волн. Спектральный преобразователь вибрации содержит корпусной элемент, волоконную решетку Брэгга и инерционную массу, корпусной элемент и инерционная масса выполнены в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром, мембрана закреплена на кварцевой пластине, волоконная решетка Брэгга закреплена между мембраной и пластиной. Техническим результатом является повышение точности спектрального преобразования вибрации. 1 ил.

The utility model relates to measuring technique, is a spectral vibration transducer and can be used in information systems for monitoring seismic activity and detecting underground shock waves. The vibrational spectral transducer contains a housing element, a Bragg fiber lattice and an inertial mass, a housing element and an inertial mass are made in the form of a quartz membrane with a massive rigid center, the membrane is fixed on a quartz plate, the Bragg fiber lattice is fixed between the membrane and the plate. The technical result is to increase the accuracy of the spectral conversion of vibration. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в информационных системах контроля сейсмической активности и обнаружения подземных ударных волн.The utility model relates to measuring technique and can be used in information systems for monitoring seismic activity and detecting underground shock waves.

Известен волоконно-оптический преобразователь вибраций, конструкция которого представляет собой корпусной элемент в виде массивной рамки, внутри которой на тонкой металлической пластинке закреплен груз. Пластинка закреплена в корпусе (посередине рамки). На пластинке закреплено оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой (ВБР). Внешние вибрации корпуса передаются на один конец тонкой пластинки, закрепленный в рамке, в то время как инерционная масса в виде подвешенного груза оказывает на второй конец пластинки деформирующее воздействие. Деформации пластинки и, соответственно, ВБР, закрепленной на ней, вызывают изменения периода волоконной решетки. Изменение периода волоконной решетки вызывает изменение ее спектрального отклика. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Bentham eBooks (2011), ISBN: 978-1-60805-084-0, p. 149-150.A fiber optic vibration converter is known, the design of which is a body element in the form of a massive frame, inside of which a load is fixed on a thin metal plate. The plate is fixed in the body (in the middle of the frame). An optical fiber with a fiber Bragg grating (FBG) is fixed to the plate. External vibrations of the case are transmitted to one end of the thin plate fixed in the frame, while the inertial mass in the form of a suspended load has a deforming effect on the second end of the plate. Deformation of the plate and, accordingly, FBG attached to it cause changes in the period of the fiber lattice. A change in the period of the fiber lattice causes a change in its spectral response. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Bentham eBooks (2011), ISBN: 978-1-60805-084-0, p. 149-150.

Преобразователь имеет достаточно простую конструкцию, однако наличие упругого элемента в виде металлической пластинки и закрепленного на ней груза не предполагает использования такой конструкции преобразователя вибраций в прецизионных измерителях и системах. Остаточные пластические деформации в металлических упругих элементах неизбежно приводят к потере точности преобразования при регистрации малых вибрационных воздействий.The converter has a fairly simple design, however, the presence of an elastic element in the form of a metal plate and a load fixed on it does not imply the use of such a vibration converter design in precision meters and systems. Residual plastic deformations in metallic elastic elements inevitably lead to a loss of conversion accuracy when registering small vibrational influences.

Известен преобразователь вибраций, содержащий инерционную массу в виде шарика, закрепленного посредством металлического Г-образного рычага к одному из концов оптического волокна с ВБР. Второй конец волокна при этом закреплен на жестком основании корпуса. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Bentham eBooks (2011), ISBN: 978-1-60805-084-0, p. 201-202. Данное техническое решение принятого в качестве прототипа.A known vibration transducer containing an inertial mass in the form of a ball, fixed by means of a metal L-shaped lever to one of the ends of the optical fiber with FBG. The second end of the fiber is fixed on the rigid base of the housing. Andrea Cusano, Antonello Cutolo, Jacques Albert. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Bentham eBooks (2011), ISBN: 978-1-60805-084-0, p. 201-202. This technical solution adopted as a prototype.

Участок волокна с ВБР в данной конструкции подвергается равномерной осевой деформации при вибрационных воздействиях, однако устройство преобразователя не обеспечивает точной передачи малых вибрационных воздействий на ВБР ввиду того, что в конструкции шарик поджат пружинной с одной из своих сторон. Возникающие колебания пружины, ее остаточные деформации, а также явления гистерезиса в металлических рычажных элементах, не позволяют производить точных преобразований вибраций посредством данной конструкции.The fiber section with FBG in this design undergoes uniform axial deformation under vibrational influences, however, the transducer device does not provide accurate transmission of small vibrational influences on FBG due to the fact that the ball is spring loaded from one of its sides in the design. The resulting oscillations of the spring, its residual deformations, as well as hysteresis in the metal lever elements, do not allow for accurate transformations of vibrations through this design.

В предложенном устройстве задача повышения точности преобразования малых вибрационных воздействий решена за счет использования конструктивных элементов специальной формы из неметаллического материала.In the proposed device, the task of improving the accuracy of the conversion of small vibration effects is solved by using structural elements of a special form of non-metallic material.

Техническим результатом является повышение точности спектрального преобразования вибрации.The technical result is to increase the accuracy of the spectral conversion of vibration.

Технический результат достигается тем, что спектральный преобразователь вибрации содержит корпусной элемент, волоконную решетку Брэгга и инерционную массу, корпусной элемент и инерционная масса выполнены в виде кварцевой мембраны с массивным жестким центром, мембрана закреплена на кварцевой пластине, волоконная решетка Брэгга закреплена между мембраной и пластиной.The technical result is achieved by the fact that the spectral vibration transducer comprises a housing element, a Bragg fiber lattice and an inertial mass, a housing element and an inertial mass are made in the form of a quartz membrane with a massive rigid center, the membrane is fixed on the quartz plate, the Bragg fiber lattice is fixed between the membrane and the plate.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where:

1 - мембрана;1 - membrane;

2 - пластина;2 - plate;

3 - жесткий центр мембраны (инерционная масса);3 - rigid center of the membrane (inertial mass);

4 - оптическое волокно;4 - optical fiber;

5 - волоконная решетка Брэгга;5 - Bragg fiber lattice;

6 - адгезионный материал.6 - adhesive material.

Спектральный преобразователь вибрации содержит корпусной элемент в виде мембраны 1, закреплённой на пластине 2. Массивный жесткий центр 3 мембраны представляет собой инерционную массу. Оптическое волокно 4 с волоконной решеткой Брэгга 5 закреплено посредством адгезионного материала 6 одним своим концом на мембране 1, а другим - на пластине 2 так, чтобы при наличии воздействующих вибраций, волоконная решетка Брэгга 5 подвергалась деформациям.The spectral vibration transducer contains a housing element in the form of a membrane 1 mounted on a plate 2. The massive rigid center 3 of the membrane is an inertial mass. The optical fiber 4 with the Bragg fiber lattice 5 is fixed by means of an adhesive material 6 with one of its ends on the membrane 1 and the other on the plate 2 so that in the presence of vibrations, the Bragg 5 fiber lattice is subjected to deformations.

Мембрана и пластина спектрального преобразователя вибрации выполнены из кварца, исходя из близких по отношению к материалу оптического волокна коэффициентов температурного расширения. Использование кварцевых деталей обеспечивает не только выраженную физическую согласованность кварцевого оптического волокна и конструктивных элементов преобразователя вибрации, но и предотвращает возникновение остаточных деформаций в элементах конструкции, присущих металлам, что повышает точностные параметры преобразования. Форма мембраны, позволяющая выполнить корпусной элемент и инерционную массу в виде единой детали, позволяет минимизировать количество конструктивных элементов преобразователя, уменьшив тем самым дополнительные погрешности, присущие каждому элементу в кинематической схеме преобразователей.The membrane and the plate of the spectral vibration transducer are made of quartz, based on the coefficients of thermal expansion that are close to the material of the optical fiber. The use of quartz parts provides not only the pronounced physical consistency of the quartz optical fiber and the structural elements of the vibration transducer, but also prevents the occurrence of permanent deformations in the structural elements inherent in metals, which increases the accuracy of the conversion parameters. The shape of the membrane, which allows to perform the housing element and the inertial mass in the form of a single part, allows you to minimize the number of structural elements of the Converter, thereby reducing the additional errors inherent in each element in the kinematic diagram of the converters.

В предложенном устройстве оптическое волокно 4 закрепляется в осевом отверстии мембраны 1 и пластины 2 при этом конструкция позволяет выбрать необходимую длину закрепления волоконной решетки Брэгга 5, т.е. промежуток между точками закрепления 6, которая определяет деформируемую область волокна, влияющую на чувствительность преобразователя к вибрациям. Крутизна характеристики преобразования при этом будет зависеть от соотношения размеров конструктивных элементов преобразователя и длины участка закрепления оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга. Такие геометрические параметры рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае диапазона изменений величины вибрационного воздействия М.In the proposed device, the optical fiber 4 is fixed in the axial hole of the membrane 1 and the plate 2, while the design allows you to choose the required length of fastening of the Bragg fiber lattice 5, i.e. the gap between the attachment points 6, which determines the deformable region of the fiber, affecting the sensitivity of the transducer to vibration. The steepness of the conversion characteristics in this case will depend on the ratio of the sizes of the structural elements of the converter and the length of the fastening section of the optical fiber with the Bragg fiber grating. Such geometric parameters are calculated depending on the range of changes in the magnitude of the vibration effect M required in each case.

Кварцевая мембрана 1 может быть закреплена на кварцевой пластине 2 посредством диффузионной пайки, а в качестве адгезионного материала для закрепления оптического волокна может применяться стеклоприпой СЦНК 77-2 или клей, например, марки К300.The quartz membrane 1 can be fixed to the quartz plate 2 by diffusion soldering, and SCPS 77-2 glass glue or glue, for example, K300, can be used as an adhesive material for fixing the optical fiber.

Спектральный преобразователь вибрации работает следующим образом.The spectral vibration transducer operates as follows.

Вибрационное воздействие М, вызывающее малые прогибы мембраны 1, обусловленные колебаниями ее жесткого центра 3, т.е. колебаниями инерционной массы относительно всей конструкции, передают на участок оптического волокна 4, содержащий волоконную решетку Брэгга 5. Деформации волоконной решетки Брэгга 5 изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через оптическое волокно от излучателя к приемнику излучения (излучатель и приемник излучения на чертеже не показаны).The vibrational action of M, causing small deflections of the membrane 1, due to fluctuations in its rigid center 3, i.e. The vibrations of the inertial mass relative to the entire structure are transferred to a portion of the optical fiber 4 containing the Bragg 5 fiber lattice. Deformations of the Bragg 5 fiber lattice change the spectral properties of the radiation transmitted through the optical fiber from the emitter to the radiation receiver (the emitter and radiation receiver are not shown in the drawing).

Устройство позволяет сформировать протяженную систему измерения вибраций в разнесенных точках одного оптического волокна, реализованную посредством нескольких волоконных решеток Брэгга.The device allows you to create an extended system for measuring vibration at spaced points of a single optical fiber, implemented by means of several Bragg fiber gratings.

Claims

A spectral vibration transducer containing a housing element, a Bragg fiber lattice and an inertial mass, characterized in that the housing element and an inertial mass are made in the form of a quartz membrane with a massive rigid center, the membrane is fixed on a quartz plate, the Bragg fiber lattice is fixed between the membrane and the plate.