Волоконно-оптическое устройство для контроля вибрации несущей конструкции гидроакустического рабочего средства измерений в натурном водоеме

 

Волоконно-оптическое устройство для контроля вибрации несущей конструкции гидроакустического рабочего средства измерений в натурном водоеме содержит инерционную массу, упругую подложку и волоконно-оптический интерферометр, выполненный в виде измерительной и опорной волоконных катушек, источника когерентного света и фотоприемника, подключенного выходом через усилитель к регистратору. Измерительная катушка намотана с натягом на наружную поверхность упругой подложки, которая выполнена в виде полой емкости, жестко закрепленной на контролируемой несущей конструкции. Инерционная масса выполнена в виде шарика, размещенного внутри полой емкости. Технический результат - обеспечение изотропного характера контроля уровня вибраций объекта. 9 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и виброметрии и может быть использовано для контроля уровня вибраций несущих конструкций спуско-подъемных устройств различных гидрофизических средств измерений в натурном водоеме.

Установленное в натурном водоеме, например на буйковой станции, гидроакустическое рабочее средство измерений (РСИ) помимо собственного веса подвержено воздействию ветра, волн и течений, создающих гидродинамические и механические нагрузки на его составные части, в частности на кабель-трос. Под действием указанных факторов несущие конструкции РСИ подвергаются в натурном водоеме вибрации, уровень которых может принять недопустимо большое значение для нормальной эксплуатации гидроакустического рабочего средства измерений.

Данные обстоятельства приводят к необходимости внесения в состав подводных ДСИ специальных виброметров для контроля уровня вибрации несущих конструкций средства измерений.

Известны различные волоконно-оптические устройства, пригодные для решения поставленной задачи [1].

Наиболее близким по технической сущности и количеству общих признаков к заявленному является волоконно-оптическое устройство [2], принятое за прототип.

Прототип содержит инерционную массу в виде цилиндра и две упругие подложки, расположенные по разные стороны от инерционной массы. Имеется также волоконно-оптический интерферометр с двумя катушками, намотанными с натягом на наружную поверхность упругих подложек и оптически согласованные с источником когерентного света и фотоприемником, подключенным через усилитель к регистратору.

Недостатком прототипа является однокомпонентный характер контроля вибрации объекта.

Техническим результатом, полученным от внедрения изобретения, является обеспечение изотропного характера контроля уровня вибраций объекта, в частности несущей конструкции гидроакустического РСИ.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном волоконно-оптическом устройстве для контроля вибраций несущих конструкций гидроакустического РСИ в натурном водоеме, содержащем инерционную массу, упругую подложку и волоконно-оптический интерферометр, выполненный в виде измерительной и опорной волоконных катушек, оптически согласованных с источником когерентного света и фотоприемником, подключенным выходом через усилитель к регистратору, причем измерительная катушка намотана с натягом на наружную поверхность упругой подложки, упругая подложка выполнена в виде полой емкости, жестко закрепленной на контролируемой несущей конструкции, а инерционная масса - в виде шарика, размещенного внутри полой емкости.

Полая емкость жестко крепится к контролируемой конструкции, например, с помощью прижимной скобы.

Устройство также содержит поплавок нейтральной плавучести, на наружной поверхности которого намотана опорная волоконная катушка интерферометра, при этом поплавок с помощью гибкого кабель-троса прикреплен к прижимной скобе.

Полая емкость и поплавок нейтральной плавучести выполняют одинаковой формы и объема.

Опорная волоконная катушка может также крепиться на наружной поверхности прижимной скобы.

Упругая подложка может быть выполнена в виде сферы или эллипсоида вращения.

Инерционная масса может быть подвешена в центральной части упругой подложки на слабоупругих подвесах, а сама упругая подложка может быть заполнена жидкостью, например водой или маслом.

Источник когерентного света и фотоприемник, а также усилитель с регистратором размещены на подводном центре управления гидроакустического РСИ.

Изобретение поясняется чертежом, на фиг.1 которого представлена схема реализации данного технического решения для несущего кабель-троса РСИ; на фиг.2 - оптическая схема волоконно-оптического интерферометра, применяемого в устройстве.

Волоконно-оптическое устройство для контроля вибраций кабель-троса 1 гидроакустического РСИ в натурном водоеме содержит инерционную массу 2, выполненную в виде шара, например, из металла, расположенного внутри упругой подложки 3, выполненной также их металла, например нержавеющей стали, в форме шаровой (3₁) или эллиптической поверхности (3₃).

Устройство может также содержать поплавок 4 нейтральной плавучести, выполненный по форме и размерам, совпадающими с формой и размером упругой подложки 3.

Упругая подложка 3 жестко крепится к контролируемому кабель-тросу 1 с помощью прижимной скобы 5 и болта. А поплавок 4 нейтральной плавучести крепится к скобе 5 с помощью гибкого кабель-троса 7.

Инерционная масса 2₂ может крепиться к внутренней поверхности упругой подложки 3₂ в ее центральной части с помощью слабоупругих подвесов 8. А сама упругая подложка 3 может быть заполнена жидкостью, например водой или маслом.

Для съема сигнала о вибрациях кабель-троса в направлениях х, у, z устройство включает в себя волоконно-оптический интерферометр, измерительная катушка 9 которого наматывается с натягом на наружную поверхность упругой подложки 3, а опорная катушка 10 наматывается на поплавок 4 нейтральной плавучести или крепится к зажимной скобе 5 (последний случай на чертеже не представлен).

Источник 11 когерентного света и фотоприемник 12 оптически согласованы с измерительной и опорной волоконными катушками 9, 10 (фиг.2) интерферометра.

Выход фотоприемника 12 подключен через усилитель к регистратору (на чертеже не представлены).

Гидроакустическое РСИ (на чертеже не представлено) опускается на кабель-трос 1, вибрации которого следует контролировать, в натурный водоем, например, с подводного центра управления (на чертеже не приведен). При этом все электронные блоки устройства, фотоприемник 12 и источник 11 когерентного света располагаются вне натурного водоема, например, на надводном центре управления. Оптическая связь источника 11 когерентного света и фотоприемника 12 осуществляется по волокнам оптического кабеля 13 (фиг.1).

Оптическая связь опорной (10) и измерительной (9) волоконных катушек осуществляется по оптическому волокну (на чертеже не показан), расположенному в гибком кабеле-тросе 7.

Для контроля уровня вибраций несущей конструкции РСИ в нескольких местах аналогичное устройство располагается в требуемом количестве в соответствующих местах конструкции.

Например, на фиг.1 приведены три варианта выполнения устройства, закрепляемого с помощью зажимных скоб 5 и винтов 6 в трех местах контролируемого кабель-троса, который в данном случае и является несущей конструкцией РСИ. Одни и те же элементы устройства на фиг.1 оцифрованы одинаково, но с различными подстрочными цифрами.

Волоконно-оптическое устройство для контроля вибраций несущей конструкции гидроакустического РСИ в натурном водоеме работает следующим образом.

При механических колебаниях кабель-троса 1 упругая подложка 3 приходит в движение, и инерционная масса 2 начинает ударяться о внутреннюю поверхность упругой подложки 3. Причем данный процесс протекает независимо от направления механического воздействия х, у, z.

В том случае, если необходимо выделить какое-то преимущественное направление колебаний, например если уровень колебаний в направлении z значительно больше уровня колебаний в направлениях х, у, то упругую подложку 3₃ выполняют в форме эллипсоида.

Удары инерционной массы 3, выполненной в виде шарика, о стенки упругой подложки 3 приводят к возникновению акустических импульсов, воздействующих на измерительную волоконную катушку 9. Данные импульсы выделяются на выходе фотоприемника 12 и после усиления регистрируются регистратором.

Волоконно-оптический интерферометр при этом может работать в трех режимах.

В режиме счета интерференционных полос, когда фазовый сдвиг оптической волны в измерительной волоконной катушке по сравнению с опорной волоконной катушкой достаточно большой. В этом случае в качестве регистратора применяется счетчик импульсов.

В гомодинном режиме, когда фазовый сдвиг не превышает π/4. При этом с помощью фазосдвигающего устройства (на чертеже не показано) начальную разность фаз устанавливают π/2, а в качестве регистратора используют амплитудный детектор фототока.

В гетеродинном режиме, когда в одно из плеч интерферометра вводят частотный модулятор, в качестве детектора используют измеритель доплеровской частоты.

Величину регистрируемого сигнала задают длиной волокон в измерительной и опорной катушках 9, 10, заполнением упругой катушки 3 той или иной вязкой жидкостью и жесткостью, применяемых в варианте 2 мягкоупругих подвесов инерционной массы 2₂.

Поскольку длины волокон измерительной и опорной катушек выбираются одинаковыми и обе катушки находятся в одних и тех же гидрофизических условиях, например намотаны на одинаковые сферы, то воздействие посторонних факторов на показания измерителя (температуры, давления, солености, гидроакустических помех) будет отсутствовать.

Таким образом, с помощью данного волоконно-оптического устройства надежно контролируются вибрации несущих конструкций гидроакустического РСИ в натурном водоеме независимо от направления воздействия вибрации. Что позволяет вовремя принять соответствующие меры для исключения нештатного режима работы РСИ.

Источники информации

1. Балаев В.И. и др. Волоконно-оптические датчики параметров физических полей (обзор). Квантовая электроника. - 1984, №1, с.10-30.

2. Патент 2115933 РФ, кл. G 01 P 15/08, 1998 - прототип.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптическое устройство для контроля вибрации несущей конструкции гидроакустического рабочего средства измерений в натурном водоеме, содержащее инерционную массу, упругую подложку и волоконно-оптический интерферометр, выполненный в виде измерительной и опорной волоконных катушек с одинаковыми длинами волокон, оптически согласованных с источником когерентного света и фотоприемником, подключенным выходом через усилитель к регистратору, причем измерительная катушка намотана с натягом на наружную поверхность упругой подложки, отличающееся тем, что упругая подложка выполнена в виде полой емкости, жестко закрепленной на контролируемой несущей конструкции, а инерционная масса - в виде шарика, размещенного внутри полой емкости.

2. Волоконно-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит поплавок нейтральной плавучести, на наружной поверхности которого намотана опорная волоконная катушка интерферометра.

3. Волоконно-оптическое устройство по п.2, отличающееся тем, что полая емкость жестко прикреплена к контролируемой несущей конструкции с помощью прижимной скобы.

4. Волоконно-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что упругая подложка выполнена в форме сферы.

5. Волоконно-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что упругая подложка выполнена в форме эллипсоида.

6. Волоконно-оптическое устройство по п.1, или 4, или 5, отличающееся тем, что инерционная масса подвешена в центре упругой подложки на слабоупругих подвесах.

7. Волоконно-оптическое устройство по п.1, или 4, или 5, отличающееся тем, что упругая подложка заполнена жидкостью.

8. Волоконно-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что источник когерентного света и фотоприемник, а также усилитель с регистратором размещены на надводном центре управления гидроакустического рабочего средства измерений.

9. Волоконно-оптическое устройство по п.3, отличающееся тем, что поплавок нейтральной плавучести с помощью гибкого кабель-троса прикреплен к прижимной скобе.

10. Волоконно-оптическое устройство по п.3, отличающееся тем, что опорная волоконная катушка закреплена на наружной поверхности прижимной скобы.

11. Волоконно-оптическое устройство по п.9, отличающееся тем, что полая емкость и поплавок нейтральной плавучести выполняются одинаковой формы и объема.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2