Волоконно-оптический датчик давления
Владельцы патента RU 2420719:
Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления. Технический результат заключается в повышении чувствительности и надежности датчика при длительной эксплуатации в условиях больших нагрузок за счет формирования чувствительного элемента датчика с наименьшим количеством изгибов оптического волокна и минимальными механическими нагрузками в местах изгиба оптического волокна. Волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержит участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения. Участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав. Пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины. На концах участков ввода и вывода излучения оптического волокна установлены оптические разъемы. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля (измерения) давления.
Известны волоконно-оптические датчики давления, выполненные из оптического волокна (ОВ), преимущественно многомодового, содержащего участок ввода излучения, собственно чувствительный элемент (ЧЭ) и участок вывода излучения. Чувствительный элемент таких датчиков состоит из одного или нескольких участков изогнутого с определенным радиусом ОВ.
Принцип работы таких датчиков основан на изменении мощности оптического излучения, прошедшего через ОВ при воздействии давления в плоскости изогнутого волокна. Такие датчики относятся к амплитудным датчикам. В волоконно-оптических датчиках в общем случае происходит увеличение сигнала при выпрямлении ОВ или его затухание при уменьшении радиуса изгиба.
Причины изменения мощности оптического сигнала в таких известных ВОДД-ах связаны с двумя факторами:
- при изменении радиуса изгиба возникают изменения локальной числовой апертуры распространяющегося по ОВ излучения и потери энергии за счет утечки из ОВ высших мод;
- при поперечном давлении на ОВ возникают микроизгибные деформации оболочек ОВ, которые приводят к возникновению взаимодействия распространяющихся по ОВ мод. За счет взаимодействия мод происходит перекачка энергии из низших мод к высшим и возникновение вытекающих мод, приводящих к потерям энергии.
В известных ВОДД-ах для контроля давления используется как первый эффект, так и второй или оба эффекта совместно.
Наиболее близким аналогом является известный волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна (ОВ), содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в резиновом корпусе прямоугольного сечения, внутри которого размещена проволочная решетка, при этом оптическое волокно проходит по площади корпуса изгибаясь и переплетаясь с проволокой решетки (см. US 5357813 А1, 25.10.1994).
В известном датчике проволочная решетка фактически является чувствительным элементом ВОДД. Кроме того, проволочная решетка армирует резиновый корпус.
При использовании известного ВОДД излучение светодиода или лазера пропускают через ОВ и анализируют сигнал на его выходе. Под воздействием внешнего давления происходит продавливание резины, вызывающее множественный изгиб волокна в местах пересечения ОВ и проволоки. Этих пересечений в известном ВОДД-е множество. В совокупности изгибы ОВ приводят к уменьшению мощности сигнала на его выходе.
Например, при диаметре проволок решетки порядка 1 мм возникающий изгиб с тем же радиусом дополняется давлением проволоки на волокно, что приводит к его разрушению. Для современных кварцевых оптических волокон, имеющих диаметр световода 125 мкм, такой изгиб действительно критичен, что хорошо известно из теории прочности оптических волокон (см. Г.Мальке, П.Гессинг, Волоконно-оптические кабели, Новосибирск: LINGUA-9, 2001, гл.9). Волокно не выдержит длительную эксплуатацию при таких радиусах изгиба, совмещенных с давлением на ОВ.
При создании чувствительного элемента ВОДД-ов прежде всего обеспечивают необходимую чувствительность измерений dA/dP, диапазон изменения зависимости А=f(Р), где Р - мощность оптического сигнала, А - амплитуда выходного сигнала ВОДД-а, требуемую погрешность измерений и надежность его функционирования.
Высокую чувствительность датчика к воздействию давления и большой динамический диапазон можно получить при уменьшении радиуса изгиба ОВ, а также за счет увеличения числа изгибов. Как правило, это приводит к увеличению длины участка чувствительного элемента датчика.
Однако известно, что для надежного функционирования датчика, наоборот, нельзя значительно уменьшать радиус изгиба ОВ, т.к. это может привести к обрыву волокна и выходу из строя датчика.
Решаемая изобретением задача заключается в создании волоконно-оптического датчика, обладающего высокой чувствительностью, широким диапазоном рабочих давлений и увеличенным сроком службы.
Технический результат заключается в повышении чувствительности и надежности датчика при длительной эксплуатации в условиях больших нагрузок за счет формирования чувствительного элемента датчика с наименьшим количеством изгибов ОВ и минимальными механическими нагрузками в местах изгиба ОВ.
Это достигается тем, что волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержит участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения, при этом участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав, а пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании, причем оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины.
Для повышения надежности датчика металлический рукав может быть выполнен из оптического микрокабеля на основе гибкого шестипроволочного стального каната с полой сердцевиной.
Для удобства использования датчика в системе измерений на концах участков ввода и вывода излучения оптического волокна могут быть установлены оптические разъемы.
При этом длину паза, амплитуду выступов рифленой поверхности и частоту их следования определяют с учетом контролируемых нагрузок. Это позволяет оптимизировать характеристики датчика в зависимости от области его использования.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлена конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического датчика давления.
На фиг.2 - фотография нижней части заготовки корпуса предлагаемого ВОДД с двумя участками для размещения ОВ параллельно основанию.
В предлагаемом волоконно-оптическом датчике давления чувствительным элементом является участок ОВ, размещенный в прямоугольном корпусе параллельно его основанию на двух участках пропускного канала, каждый из которых выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании, и прижатый к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины.
Заготовка корпуса выполнена из термостойкой резины. Она содержит нижнюю часть и крышку.
Чувствительный элемент предложенного волоконно-оптического датчика давления, представленный на фиг.1, формируют на заготовке-корпусе ВОДД 1 следующим образом.
В нижней части 1 заготовки корпуса имеется пропускной канал 2, в котором располагают волокно 3. Канал 2 включает, по меньшей мере, один участок для размещения ОВ 3 параллельно основанию. Участок канала 2 для размещения ОВ 3 параллельно основанию выполнен в виде паза 4 с рифленой поверхностью 5 в основании. При этом в крышке 6 над пазом 4 расположены выемка 7 для размещения пластины 8. В процессе изготовления оптическое волокно 3 пропускают по пропускному каналу 2 и прижимают его к выступам рифленой поверхности 4 пластиной 8 из термостойкой резины, размеры которой соответствуют размеру выемки 7. Входной и выходной участки ОВ 3 размещают в металлический рукав. После чего нижнюю часть 1 корпуса закрывают крышкой 6 и осуществляют процесс вулканизации корпуса.
В предложенном ВОДД используют многомодовое волокно, изготавливаемое по спецификации МЭК-Т G. 651, с диаметром сердцевины 50 мкм и оболочки 125 мкм с лаковой (245 мкм) или плотной полимерной оболочкой (диаметром 0,9 мм).
При использовании ВОДД, например, для измерения давления железнодорожного состава на рельсы корпус с чувствительными элементами устанавливают основанием на шпалу непосредственно под рельс. Входной участок кабеля подключают к источнику излучения, а выходной - к измерительной системе (на фиг. не показаны).
При нагруженном ВОДД пластина 8 термостойкой резины оказывает давление на оптическое волокно 3, прижимая его к рифленой поверхности 5 основания паза 4. При этом оптическое волокно 3 изгибается и, соответственно, вызывает изменение проходящего сигнала по волокну. Величина продавливания пропорциональна давлению и может достигать насыщения.
Очевидно, что датчик работает в определенном диапазоне нагрузок. Изгиб ОВ 3 ограничен периодом и амплитудой синусоиды рифленой поверхности 5 паза 4. Параметры рифленой поверхности 5 основания паза 4 рассчитывают в зависимости от нагрузок. При этом поперечное давление ОВ 3 при сжатии на резиновом выступе рифленой поверхности 5 значительно меньше, чем у аналога.
Необходимость использования пластины 8 из термостойкой резины для фиксации ОВ 3 на выступах рифленой поверхности 5 связана с исключением размягчения и затекания резины крышки 6 корпуса при ее эксплуатации.
Изготавливают заготовку ВОДД преимущественно из маслобензостойкой резины с использованием пресс-форм.
Входной и выходной участки ОВ 3 помещают в бронированный микрокабель типа СЛ-ОКМБ-2 производства ООО « НПП СТАРЛИНК» с полой сердцевиной.
Применение оптического микрокабеля типа СЛ-ОКМБ, выполненного на основе шестипроволочного каната, определяется необходимостью обеспечения стойкости к поперечным и продольным нагрузкам и возможностью пропускания в него выбранного волокна с внешним диаметром 245 мкм.
Параметры чувствительного элемента (длина, частота и амплитуда рифленой поверхности основания паза) определяют исходя из экспериментальных зависимостей изменения сигнала от давления А=f(Р).
Для использования в системе измерений на обоих концах кабеля могут быть установлены оптические разъемы.
В частном случае предлагаемый волоконно-оптический датчик давления может быть использован для измерения веса подвижных объектов, машин, вагонов поезда и др., а также для автоматического контроля технического состояния рельсового подвижного состава в процессе его эксплуатации путем измерения динамических нагрузок, оказываемых подвижным составом на датчик.
1. Волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения, при этом участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав, а пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании, причем оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что используют многомодовое оптическое волокно.
3. Датчик по пп.1 или 2, отличающийся тем, что на концах участков ввода и вывода излучения оптического волокна установлены оптические разъемы.
4. Датчик по пп.1 или 2, отличающийся тем, что длину паза, амплитуду выступов рифленой поверхности и частоту их следования определяют с учетом контролируемых нагрузок.
5. Датчик по п.3, отличающийся тем, что длину паза, амплитуду выступов рифленой поверхности его основания и частоту их следования определяют с учетом контролируемых нагрузок.
