RU192361U1 - Fiber optic strain gauge - Google Patents
Fiber optic strain gauge Download PDFInfo
- Publication number
- RU192361U1 RU192361U1 RU2019112624U RU2019112624U RU192361U1 RU 192361 U1 RU192361 U1 RU 192361U1 RU 2019112624 U RU2019112624 U RU 2019112624U RU 2019112624 U RU2019112624 U RU 2019112624U RU 192361 U1 RU192361 U1 RU 192361U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elastic element
- fiber
- bragg
- expansion
- optical fiber
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к измерительной технике и может использоваться в датчиках физических величин. Волоконно-оптический преобразователь деформации содержит упругий элемент и закрепленное на нем оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга, при этом упругий элемент включает в себя два конструктивных элемента, один из которых выполнен из термочувствительного материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, а второй выполнен из термочувствительного материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, при этом оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга закреплено на упругом элементе таким образом, чтобы волоконная решетка Брэгга была расположена между ними. Технический результат заключается в повышении точности спектрального преобразования. 1 ил.The utility model relates to measuring technique and can be used in sensors of physical quantities. The fiber-optic strain transducer contains an elastic element and an optical fiber fixed to it with a Bragg fiber grating, while the elastic element includes two structural elements, one of which is made of a heat-sensitive material with a positive value of the temperature coefficient of expansion, and the second is made of a heat-sensitive material with a negative value of the temperature coefficient of expansion, while the optical fiber with a Bragg fiber grating is fixed to an elastic element so that the Bragg fiber lattice is located between them. The technical result consists in increasing the accuracy of the spectral conversion. 1 ill.
Description
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к элементам датчиков физических величин.The utility model relates to measuring equipment, namely to elements of sensors of physical quantities.
Известен датчик разности давлений с чувствительным элементом в виде волоконно-оптического преобразователя балочного типа. Чувствительный к деформациям элемент представляет собой пластину (балку), на которой закреплены две волоконные решетки Брэгга: измерительная, для спектрального преобразования механических деформаций пластины и термокомпенсационная, для спектрального преобразования температурных деформаций пластины. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 127461, МПК G01L 9/12, 27.04.2013.A known differential pressure sensor with a sensing element in the form of a fiber-optic transducer beam type. The strain-sensitive element is a plate (beam) on which two Bragg fiber gratings are fixed: a measuring one for spectral conversion of mechanical deformations of the plate and thermal compensation for spectral conversion of temperature deformations of the plate. Patent of the Russian Federation for utility model RU 127461, IPC G01L 9/12, 04/27/2013.
Спектральное преобразование температуры в датчике разности давлений осуществляется с целью учета погрешности, вносимой посредством температурного расширения материалов чувствительного элемента. В данном техническом решении задача термокомпенсации решена за счет дополнительной волоконной решетки Брэгга. Обе решетки сформированы в едином оптическом волокне и, соответственно, обработка результирующего сигнала требует более сложных алгоритмов для анализа их деформаций, в сравнении с обработкой сигнала от одной волоконной решетки.The spectral conversion of temperature in the differential pressure sensor is carried out in order to take into account the error introduced by the thermal expansion of the materials of the sensing element. In this technical solution, the problem of thermal compensation is solved by an additional Bragg fiber grating. Both gratings are formed in a single optical fiber and, accordingly, the processing of the resulting signal requires more complex algorithms to analyze their deformations, in comparison with the processing of the signal from one fiber grating.
Известен датчик давления, содержащий упругий элемент - мембрану, в чувствительных зонах которой закреплены волоконные решетки Брэгга. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 130073, МПК G01L 11/00, 10.07.2013.A known pressure sensor containing an elastic element is a membrane, in the sensitive areas of which Bragg fiber gratings are fixed. Patent of the Russian Federation for utility model RU 130073, IPC G01L 11/00, 07/10/2013.
Задача термокомпенсации в данном устройстве решена за счет дифференциальной схемы измерений: закрепления волоконных решеток на мембране осуществлены в чувствительных к деформациям зонах таким образом, что при воздействии деформаций, поверхность мембраны в одной чувствительной зоне испытывает деформацию-растяжение, а в другой - деформацию-сжатие. Разностный сигнал, формируемый при обработке спектрального сигнала от двух волоконных решеток Брэгга, позволяет определить величину температурного воздействия и учесть ее при измерениях. Как и в предыдущем случае, обработка результирующего сигнала в данном техническом решении требует разработки сложных алгоритмов.The problem of thermal compensation in this device was solved by means of a differential measurement scheme: the fiber gratings were fixed to the membrane in deformation-sensitive zones in such a way that under the influence of deformations, the membrane surface experiences strain-tension and strain-compression in the other. The difference signal generated during the processing of the spectral signal from two Bragg fiber gratings allows one to determine the magnitude of the temperature effect and take it into account when measuring. As in the previous case, the processing of the resulting signal in this technical solution requires the development of complex algorithms.
Известен волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий волоконную решетку Брэгга, закрепленную на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 135119, МПК G01D 5/353, 27.11.2013. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.Known fiber optic strain transducer containing a Bragg fiber lattice mounted on an elastic element in the form of a plate of a single crystal. Patent of the Russian Federation for utility model RU 135119, IPC G01D 5/353, 11.27.2013. This technical solution was made as a prototype.
Устройство представляет собой конструктивно простой и высокоточный спектральный преобразователь, поскольку позволяет устранить явления необратимых пластических деформаций упругого элемента. Такое техническое решение проблемы непостоянства молекулярной структуры чувствительного элемента позволяет создать целый класс приборов измерения физических величин на волоконной решетке Брэгга. Однако, в прототипе не решена проблема учета температурных деформаций чувствительного элемента. При изменениях температуры точность спектрального преобразования будет понижена. В описанном устройстве отсутствуют конструктивные элементы, позволяющие компенсировать температурную деформацию упругого элемента, что на практике востребовано наиболее часто.The device is a structurally simple and high-precision spectral converter, because it allows you to eliminate the phenomenon of irreversible plastic deformations of an elastic element. Such a technical solution to the problem of the inconsistency of the molecular structure of the sensitive element allows you to create a whole class of devices for measuring physical quantities on the Bragg fiber lattice. However, the prototype does not solve the problem of taking into account the temperature deformation of the sensitive element. With temperature changes, the accuracy of the spectral conversion will be reduced. In the described device there are no structural elements to compensate for the temperature deformation of the elastic element, which in practice is most often claimed.
Компенсация температурных деформаций является решением проблемы учета внешних температур в процессе измерений.Compensation of temperature deformations is a solution to the problem of taking into account external temperatures in the measurement process.
Задачей полезной модели является создание конструктивно простого волоконно-оптического преобразователя деформации, содержащего одну волоконную решетку Брэгга и при этом позволяющего повысить точность спектрального преобразования за счет термокомпенсации деформаций упругого элемента.The objective of the utility model is the creation of a structurally simple fiber-optic strain transducer containing one Bragg fiber grating and at the same time increasing the accuracy of the spectral transformation due to thermal compensation of the strains of the elastic element.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств спектрального преобразования деформаций.The technical result is the expansion of the arsenal of technical means for the spectral transformation of strains.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический преобразователь деформации, содержит упругий элемент и закрепленное на нем оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга, упругий элемент включает в себя два конструктивных элемента, один из которых выполнен из термочувствительного материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, а второй выполнен из термочувствительного материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, при этом, оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга закреплено на упругом элементе таким образом, чтобы волоконная решетка Брэгга была расположена между ними.The technical result is achieved in that the fiber-optic strain transducer contains an elastic element and an optical fiber fixed to it with a Bragg fiber lattice, the elastic element includes two structural elements, one of which is made of a heat-sensitive material with a positive value of the temperature coefficient of expansion, and the second is made of a heat-sensitive material with a negative value of the temperature coefficient of expansion, while the optical fiber with fiber the Bragg grating is fixed to the elastic member so that the Bragg fiber grating is located between them.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where:
1 – первая часть упругого элемента;1 - the first part of the elastic element;
2 – вторая часть упругого элемента;2 - the second part of the elastic element;
3 – оптическое волокно;3 - optical fiber;
4 – волоконная решетка Брэгга.4 - Bragg fiber grating.
Волоконно-оптический преобразователь деформации содержит упругий элемент в виде пластинки, состоящий из двух частей: первой части 1, выполненной из термочувствительного материала с положительным значением температурного коэффициента расширения (ТКР), и второй части 2, выполненной из термочувствительного материала с отрицательным значением ТКР. В качестве материалов с положительным и отрицательным ТКР могут быть применены, например, полимерные композиционные материалы. Оптическое волокно 3 с волоконной решеткой Брэгга 4 (решетка Брэгга изображена на чертеже условно) закреплено на пластинке таким образом, чтобы волоконная решетка Брэгга 4 была расположена между первой и второй частями упругого элемента. В качестве закрепляющего материала может быть использован, например, клей марки К300 (на чертеже не изображен).The fiber-optic strain transducer contains an elastic element in the form of a plate, consisting of two parts: the
Назначение второй части упругого элемента 2 состоит в компенсации температурных деформаций, воздействующих на первую часть упругого элемента 1. Поскольку подобрать материалы идентичные по абсолютной величине ТКР, но различные по знаку невозможно, то при равенстве длин обоих частей упругого элемента полной компенсации температурной деформации достичь не представляется возможным. Однако, подбирая соотношения длин первой и второй частей упругого элемента, а также места закрепления волокна на каждой из них, можно получить требуемый эффект термокомпенсации, используя материалы с значительно различающимися по абсолютной величине значениями ТКР. Все это рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае температурного режима работы устройства и конструктивных особенностей прибора.The purpose of the second part of the
Благодаря использованию упругого элемента, состоящего из двух частей, выполненных из материалов с ТКР, отличающимися по знаку, деформации упругого элемента, вызванные воздействием внешней силы F могут быть преобразованы волоконной решеткой Брэгга 4 без учета влияния температурных деформаций упругого элемента на результат измерений.Due to the use of an elastic element consisting of two parts made of materials with TCR differing in sign, deformations of the elastic element caused by the action of an external force F can be transformed by the Bragg 4 fiber lattice without taking into account the influence of temperature deformations of the elastic element on the measurement result.
Упругий элемент (пластинка) может быть выполнен прямоугольной формы, а также трапецеидальной, при этом, упругий элемент может содержать конструктивные вырезы, определяющие места наибольшей деформации, позволяющие реализовать предлагаемое техническое решение в широкой сфере измерительных устройств.The elastic element (plate) can be made rectangular, as well as trapezoidal, while the elastic element may contain structural cutouts that define the location of the greatest deformation, allowing to implement the proposed technical solution in a wide range of measuring devices.
В качестве первой и второй частей упругого элемента могут быть применены и отдельные конструктивные элементы, не соединенные друг с другом, но закрепленные на общей подложке.As the first and second parts of the elastic element can be applied and individual structural elements that are not connected to each other, but mounted on a common substrate.
Волоконно-оптический преобразователь деформации работает следующим образом.Fiber optic strain transducer operates as follows.
Действие внешней силы F вызывает деформации упругого элемента, на котором закреплено оптическое волокно 3. Деформации оптического волокна 3 сопровождаются деформациями волоконной решетки Брэгга 4, расположенной между первой и второй частями упругого элемента, при этом температурные деформации первой части упругого элемента 1, вызванные температурным расширением его материала, компенсируются посредством второй части упругого элемента, выполненного из материала с отрицательным значением ТКР. Деформации волоконной решетки Брэгга, сопровождающиеся изменением ее внутренней структуры, изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через оптическое волокно.The action of an external force F causes deformations of the elastic element on which the
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019112624U RU192361U1 (en) | 2019-04-25 | 2019-04-25 | Fiber optic strain gauge |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019112624U RU192361U1 (en) | 2019-04-25 | 2019-04-25 | Fiber optic strain gauge |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU192361U1 true RU192361U1 (en) | 2019-09-13 |
Family
ID=67990151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019112624U RU192361U1 (en) | 2019-04-25 | 2019-04-25 | Fiber optic strain gauge |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU192361U1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU203379U1 (en) * | 2020-12-15 | 2021-04-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Fiber Optic Pressure Monitoring Device |
| RU203788U1 (en) * | 2020-12-15 | 2021-04-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | FIBER OPTICAL PRESSURE MEASURING DEVICE |
| RU2756461C1 (en) * | 2021-02-04 | 2021-09-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Method for tensioning bragg fiber grating to given value of relative elongation |
| RU2774648C1 (en) * | 2021-09-08 | 2022-06-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Method for stretching of the bragg fiber lattice to a given value of relative elongation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6668105B2 (en) * | 2000-07-27 | 2003-12-23 | Systems Planning & Analysis, Inc. | Fiber optic strain sensor |
| RU2276325C1 (en) * | 2005-02-15 | 2006-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method of tuning strain gage |
| RU2322649C1 (en) * | 2006-06-22 | 2008-04-20 | Федор Андреевич Егоров | Meter of deformation and modes of measuring of deformation (variants) |
| CN205958155U (en) * | 2016-08-03 | 2017-02-15 | 深圳市畅格光电有限公司 | Insensitive pressure sensor of temperature |
| RU2655471C1 (en) * | 2017-08-11 | 2018-05-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of increasing the spectral sensitivity of the bragg buck strain converter |
-
2019
- 2019-04-25 RU RU2019112624U patent/RU192361U1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6668105B2 (en) * | 2000-07-27 | 2003-12-23 | Systems Planning & Analysis, Inc. | Fiber optic strain sensor |
| RU2276325C1 (en) * | 2005-02-15 | 2006-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method of tuning strain gage |
| RU2322649C1 (en) * | 2006-06-22 | 2008-04-20 | Федор Андреевич Егоров | Meter of deformation and modes of measuring of deformation (variants) |
| CN205958155U (en) * | 2016-08-03 | 2017-02-15 | 深圳市畅格光电有限公司 | Insensitive pressure sensor of temperature |
| RU2655471C1 (en) * | 2017-08-11 | 2018-05-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of increasing the spectral sensitivity of the bragg buck strain converter |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU203379U1 (en) * | 2020-12-15 | 2021-04-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Fiber Optic Pressure Monitoring Device |
| RU203788U1 (en) * | 2020-12-15 | 2021-04-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | FIBER OPTICAL PRESSURE MEASURING DEVICE |
| RU2756461C1 (en) * | 2021-02-04 | 2021-09-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Method for tensioning bragg fiber grating to given value of relative elongation |
| RU2774648C1 (en) * | 2021-09-08 | 2022-06-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Method for stretching of the bragg fiber lattice to a given value of relative elongation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU192361U1 (en) | Fiber optic strain gauge | |
| US7903907B1 (en) | Force and deflection sensor with shell membrane and optical gratings and method of manufacture | |
| Rajabzadeh et al. | Calculation of the mean strain of smooth non-uniform strain fields using conventional FBG sensors | |
| US6647800B2 (en) | Temperature insensitive fiber-optic torque and strain sensor | |
| CN102788810B (en) | Fiber bragg grating based composite material thermal expansion coefficient measuring device and measuring method | |
| CN105136358A (en) | Dual-Fabry-Perot fiber pressure sensor, measurement device and calculation method | |
| Zhang et al. | Temperature-independent fiber-Bragg-grating-based atmospheric pressure sensor | |
| CN106198611B (en) | Calculation method of thermal expansion coefficient of composite material plate based on optical fiber strain transfer matrix | |
| Ma et al. | Strain transfer characteristics of surface-attached FBGs in aircraft wing distributed deformation measurement | |
| CN107328369A (en) | Fiber Bragg grating strain sensor | |
| CN114459646B (en) | Sensitization type temperature self-compensating fiber bragg grating force sensor | |
| Groves et al. | Surface strain measurement: a comparison of speckle shearing interferometry and optical fibre Bragg gratings with resistance foil strain gauges | |
| CN215984960U (en) | A fiber grating sensor sensitization device for measuring small meeting an emergency | |
| US3433063A (en) | Measuring element for dynamometers | |
| CN106871810A (en) | Calibration method, device and system of fiber grating strain sensor | |
| Kisała | Generation of a zone chirp in uniform Bragg grating as a way of obtaining double functionality of a sensor | |
| RU195098U1 (en) | Fiber optic strain gauge | |
| RU2717170C1 (en) | Method of compensating temperature deformations in bragg transducers of beam type | |
| RU2756461C1 (en) | Method for tensioning bragg fiber grating to given value of relative elongation | |
| US20030209089A1 (en) | Weighing cell | |
| Zagubisalo et al. | Experimental and theoretical study of the effect of temperature on the piezo-optical transducer for strain gauges | |
| Wild | Optimising the design of a pressure transducer for aircraft altitude measurement using optical fibre Bragg grating sensors | |
| RU2774648C1 (en) | Method for stretching of the bragg fiber lattice to a given value of relative elongation | |
| SU815488A1 (en) | Integrated optical strain gauge | |
| Li et al. | Dual-parameter sensing characteristics of a single fiber Bragg grating half-pasted by 1C-LV epoxy under different curing |