Волоконно-оптический преобразователь вибрации

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим измерителям и датчикам вибрации, и служит для решения задачи виброконтроля в условиях вибрационных нагрузок больших электрических машин (турбогенераторы, гидроэлектрические насосы/генераторы, электродвигатели, силовые трансформаторы). Волоконно-оптический преобразователь вибрации содержит несущее основание, элемент вибрации, оптические световоды, относительно торцов которых на расстоянии сформирована отражающая поверхность, каждый из оптических световодов выполняет одновременно функцию подвода и отвода светового потока, несущее основание из пластины монокристалла изготовлено за одно целое с элементом вибрации, сверху и снизу несущего основания закреплены световоды, оси которых перпендикулярны отражающей поверхности, причем продолжения осей указанных световодов пересекают ее верхнюю и нижнюю границы. Технический результат - повышение точности, надежности и срока эксплуатации волоконно-оптического преобразователя вибрации и датчиков/измерителей, в составе которых он используется. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим измерителям и датчикам вибрации, и служит для решения задачи виброконтроля в условиях вибрационных нагрузок больших электрических машин (турбогенераторы, гидроэлектрические насосы/генераторы, электродвигатели, силовые трансформаторы).

Известен волоконно-оптический преобразователь углового перемещения, содержащий подводящий и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых на расстоянии X₀ установлена перемещающаяся на угол α отражающая поверхность, неподвижная линия отражающей поверхности расположена относительно оптической оси подводящего оптического волокна на расстоянии L, оптическая ось подводящего оптического волокна расположена относительно оптической оси отводящих оптических волокон на расстоянии D, причем конструктивные параметры связаны между собой выражением

,

где r_c, Θ_NA - радиус сердцевины и апертурный угол оптического волокна соответственно. Патент Российской Федерации №2419765, МПК G01B 21/00, 2011 г., аналог.

Известен волоконно-оптический преобразователь перемещения, содержащий подводящие и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых на расстоянии Х₀ установлена перемещающаяся, в соответствии с измеряемым перемещением Z, поверхность с зеркальной и поглощающей частями, отличающийся тем, что Х₀=d_OB/2tgΘ_NA, где d_OB, Θ_NA - внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно, зеркальная часть выполнена в виде горизонтальной полосы шириной b, равной диаметру сердцевины d_C оптического волокна, и верхняя граница которой установлена относительно оптической оси подводящего оптического волокна при Z=0 на расстоянии H=(d_OB/2-d_C/2). Патент Российской Федерации №2308677, МПК: G01B 11/00, 2007 г., прототип.

Недостатком вышеприведенных волоконно-оптических преобразователей является пониженная точность, надежность и срок эксплуатации из-за старения оптических волокон. Старение оптического волокна приводит к ослаблению его пропускной способности, интенсивность оптического сигнала уменьшается. Ввиду того, что значение измеряемого параметра в амплитудных преобразователях связано именно с интенсивностью этого сигнала, возникает снижение точности измерений.

Технический результат изобретения - повышение точности, надежности и срока эксплуатации волоконно-оптического преобразователя вибрации и датчиков/измерителей, в составе которых он используется.

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом преобразователе вибрации, содержащем несущее основание, элемент вибрации, оптические световоды, относительно торцов которых на расстоянии сформирована отражающая поверхность, каждый из оптических световодов выполняет одновременно функцию подвода и отвода светового потока, несущее основание из пластины монокристалла изготовлено за одно целое с элементом вибрации, сверху и снизу несущего основания закреплены световоды, оси которых перпендикулярны отражающей поверхности, причем продолжения осей указанных световодов пересекают ее верхнюю и нижнюю границы. На поверхностях несущего основания выполнены канавки для укладки световодов. При работе в высокотемпературных средах конструктивные элементы изготовлены из материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты температурного расширения.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-7.

На фиг.1 схематично представлен волоконно-оптический преобразователь вибрации, где: 1 - верхний световод, 2 - нижний световод, 3 - отражающая поверхность, 4 - элемент вибрации, 5 - несущее основание из пластины монокристалла.

На фиг.2 представлено поперечное сечение несущего основания 5, отображающее взаимное расположение верхнего и нижнего световодов.

На фиг.3 представлен разрез в направлении Б-Б элементов преобразователя, изображенных на фиг.2, отображающий взаимное расположение осей световодов и границ отражающей поверхности 3.

На фиг.4 представлены графики изменения интенсивности световых потоков, отраженных от поверхности 3 при амплитуде вибраций ±Δ.

На фиг.5 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем положении верхнего световода 1 относительно верхней границы отражающей поверхности 3.

На фиг.6 схематично представлено расположение сечений световодов, при совпадении расположения осей верхнего световода 1 и нижнего световода 2 соответственно с верхней и нижней границами отражающей поверхности 3.

На фиг.7 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем положении нижнего световода 2 относительно нижней границы отражающей поверхности 3.

Волоконно-оптический преобразователь вибрации содержит элемент вибрации 4, изготовленный за одно целое с несущим основанием 5. Для верхнего 1 и нижнего 2 световодов в несущем основании 5 могут быть вырезаны продольные направляющие канавки.

Отражающая поверхность 3 строго ориентирована относительно торцов верхнего 1 и нижнего 2 световодов, а именно, продолжения осей указанных световодов пересекают ее верхнюю и нижнюю границы.

При отсутствии вибраций половина светового потока, направленного из верхнего 1 и нижнего 2 световодов на эту отражающую поверхность 3, отражается обратно, а вторая половина потока рассеивается.

Это достигается тем, что в исходном положении оси верхнего световода 1 и нижнего световода 2 соответственно совпадают с верхней и нижней границами отражающей поверхности 3 (см. фиг.6).

Световой поток коллимирован для того, чтобы исключить световые потери из-за расходимости света.

Волоконно-оптический преобразователь вибрации работает следующим образом.

Вибрация контролируемой большой электрической машины (турбогенератора, гидроэлектрического насоса/генератора, электродвигателя, силового трансформатора) воздействует на волоконно-оптический преобразователь вибрации, вызывая в нем смещения элемента вибрации 4 и, соответственно, отражающей поверхности 3, в пределах ±Δ. Эти перемещения отражающей поверхности 3 определяют площади отражения световых потоков верхнего 1 и нижнего 2 световодов (см. фиг.5-7).

Изменения отраженных световых потоков для верхнего 1 и нижнего 2 световодов имеют обратную зависимость: увеличение интенсивности отраженного сигнала для верхнего световода 1 сопровождается уменьшением интенсивности отраженного сигнала для нижнего световода 2, и наоборот.

Анализ изменения во времени значений интенсивностей отраженных световых потоков позволяет определить частоту вибрации, в то время как анализ разности значений интенсивностей отраженных световых потоков позволяет определить амплитуду вибрации.

Измерение осуществляется дифференциальным методом. Сигналы с обратно зависимыми значениями интенсивности отражения для каждого световода 1 и 2 (фиг.4) позволяют исключить необходимость учета потерь, из-за старения оптической линии передачи сигнала.

Калибровка волоконно-оптического преобразователя вибрации, при которой суммарный отраженный поток с обоих световодов 1 и 2 принят равным значению "единица" (фиг.4), позволяет повысить точность измерений и увеличить сроки эксплуатации волоконно-оптического преобразователя вибрации.

Для обеспечения термостойкости при необходимости применения волоконно-оптического преобразователя вибрации в высокотемпературных средах его конструктивные элементы изготовлены из материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты температурного расширения.

1. Волоконно-оптический преобразователь вибрации, содержащий несущее основание, элемент вибрации, оптические световоды, относительно торцов которых на расстоянии сформирована отражающая поверхность, отличающийся тем, что каждый из оптических световодов выполняет одновременно функцию подвода и отвода светового потока, несущее основание из пластины монокристалла изготовлено за одно целое с элементом вибрации, сверху и снизу несущего основания закреплены световоды, оси которых перпендикулярны отражающей поверхности, причем продолжения осей указанных световодов пересекают ее верхнюю и нижнюю границы.

2. Волоконно-оптический преобразователь вибрации по п.1, отличающийся тем, что на поверхностях несущего основания выполнены канавки для укладки световодов.

3. Волоконно-оптический преобразователь вибрации по п.1 или 2, отличающийся тем, что при работе в высокотемпературных средах конструктивные элементы изготовлены из материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты температурного расширения.