ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 2003 года по МПК G01B11/16 G01P3/36 

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля напряженно-деформированного состояния конструкций. Изобретение может быть использовано в авиационной, судостроительной, космической и станкостроительной промышленности для неразрушающего контроля и технической диагностики конструкций.

Известно техническое решение - волоконно-оптический датчик физических величин(авт. св. СССР 1462206, кл. МКИ6 G 01 P 3/36, опублик. 28.02.89 /1/), содержащий источник излучения с модулятором, соединенный световодом с приемником излучения, электрический выход которого подключен к демодулятору, а также кольцевой оптический участок, соединенный с ответвителем со световодом (СВ), причем источник излучения выполнен импульсным с длительностью импульса τ<τ₀, где τ₀ - время оборота оптического импульса по кольцевому оптическому участку, а демодулятор соединен с источником излучения через схему задержки с постоянной времени задержки, равной времени прохождения импульсом СВ плюс интервал времени, кратный величине τ₀, но меньший периода повторения оптических импульсов источника излучения.

Недостаток устройства /1/ - снижение чувствительности из-за больших оптических потерь в ответвителях, соединяющих прямолинейный и кольцевой оптические участки СВ. Дополнительные потери в ответвителе можно оценить, если рассмотреть результаты измерений потерь в известном 3 дБ-ответвителе, в котором теряется 50% мощности (см. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Пер. с япон. - Л. - Энергоатомиздат., Лен. отдел., 1990, с. 125). Эти данные относятся к ответвителям из кварцевых СВ. В полимерных СВ оптические потери и потери мощности на порядок выше.

В устройстве /1/ регистрируемый полезный сигнал, уровень которого как раз и определяет порог чувствительности, проходит многократно ((к+1) раз) через кольцевой оптический участок и столько же раз через ответвитель и, как это видно из фиг. 2 к описанию изобретения /1/, имеет на выходе амплитуду в n(k+1) раз меньше амплитуды исходного сигнала (n - эмпирический коэффициент) за счет (k+1) разовых потерь в ответвителе. Поэтому и чувствительность датчика /1/ приблизительно в n(k+1) раз меньше, чем в других датчиках.

Известно другое техническое решение - волоконно-оптический датчик физических величин (заявка 95120128/28, кл. G 01 В 11/16, G 01 Р 3/36, приор. 28.11.95, опуб. в бюл. "Изобрет." 27.10.97 /2/), содержащий возбуждаемый генератором импульсных сигналов источник излучения, соединенный имеющим кольцевой участок СВ с приемником излучения, электрический выход которого подключен через усилитель фототока к блоку обработки информации, причем СВ состоит из 2-х линейных прикрепленных к подложке участков и петли, удерживаемой свободно в плоскости подложки стержневым ограничителем, закрепленным вертикально к ее поверхности в точке, отстоящей от оптической оси СВ на расстоянии, равном максимальному внутреннему диаметру петли, а блок обработки информации содержит устройство вычитания, оконечный усилитель и две схемы выборки-хранения (СВХ), каждая из которых соединена с генератором импульсных сигналов так, что 1-я СВХ запоминает сигналы от усилителя фототока в минимуме, а 2-я - в максимуме амплитуды.

Недостаток датчика /2/ - ограниченная область применения, связанная с тем, что с его помощью можно измерить деформацию только при одноосном (линейном) сжатии-растяжении исследуемого объекта. При двухосном (плоском) напряженно-деформированном состоянии измерить локальную (в точке) деформацию в двух направлениях невозможно.

В тоже время известно, что при расчете на прочность тонкостенных конструкций необходимо знать главные напряжения по двум осям σ₁, σ₂ (по многим теориям прочности расчет ведется исходя из приведенных напряжений, рассчитываемых по значениям σ₁, σ₂ или σ_x, σ_y). Датчик /2/ не позволяет измерять деформации, а следовательно, и напряжения в локальных зонах по двум координатным осям.

Другой недостаток датчика /2/ заключается в недостаточной чувствительности при малых деформациях, связанной с тем, что СВ можно изогнуть (без необратимых деформаций) по радиусу, не превышающему критическое значение R_изг<R_кр (R_кр рассчитывается из условия прочности СВ). В то же время, чем меньше радиус изгиба СВ, тем меньшее значение деформации можно измерить. Поэтому чувствительность датчика /2/ при малых деформациях имеет ограничение по нижнему допустимому пределу. Этот фактор ограничивает возможность снижения порога чувствительности и повышения точности известного датчика /2/.

Предложенный авторами датчик позволяет измерять локальные деформации по двум координатным осям с повышенной точностью в диапазоне малых деформаций.

Задача, решаемая с помощью изобретения, заключается в расширении области применения и повышении точности измерения локальных деформаций.

Технический результат - измерение деформаций в двух ортогональных направлениях одновременно и в одной или в нескольких) локальной зоне испытуемой конструкции и повышение на полпорядка чувствительности датчика в диапазоне малых деформаций.

Технический результат достигается благодаря тому, что чувствительный элемент датчика - петли 1-го и 2-го СВ меняют свои радиусы изгиба в 2-х ортогональных направлениях одновременно и в одной (или нескольких) и той же локальной зоне, в следствие чего по изменению интенсивности светового потока можно измерить деформации в 2-х направлениях (ε_x, ε_y) и рассчитать соответствующие напряжения (σ_x, σ_y).
Кроме того, в диапазоне малых деформаций небольшое изменение (увеличение или уменьшение) радиуса петли 2-го СВ приводит к существенно большему изменению интенсивности отраженного светового потока (попадающего в приемные СВ световодных жгутов), чем изменение интенсивности на выходе из петли 2-го СВ. Благодаря этому повышается точность измерения деформации и снижается порог чувствительности.

Повышение точности измерения достигается также за счет снижения трения петель CB о стержневой ограничитель.

Сущность изобретения заключается в том, что волоконно-оптический датчик физических величин, содержащий генератор импульсных сигналов, подключенный к его выходу источник излучения, установленные последовательно усилитель фототока, вход которого соединен с выходом приемника излучения, и блок обработки информации, а также подложку, стержневой ограничитель, закрепленный перпендикулярно к ее плоскости в шарикоподшипнике с наружным кольцом, запрессованным заподлицо в подложке, причем блок обработки информации выполнен в виде 2-х схем СВХ, синхронизирующие входы которых подключены к генератору, а информационные входы - к выходу усилителя фототока, соединенных последовательно устройства вычитания и оконечного усилителя, выход которого является выходом блока, входы устройства вычитания соединены с выходами соответствующих СВХ, одна из которых запоминает минимальные значение сигнала от усилителя фототока, а другая - максимальное, СВ размещен на плоскости подложки и имеет петлю в средней части, охватывающую стержень ограничителя, концы СВ расположены прямолинейно и соосно и укреплены на подложке таким образом, что кратчайшее расстояние между центральной осью стержня и оптической осью концов СВ равно максимальному внутреннему диаметру петли, дополнительно включает в себя 2-й СВ, соединенный своим входом с источником излучения и состоящий из 2-х соосных прямолинейных участков, прикрепленных к подложке на кратчайшем расстоянии между их оптической осью и центральной осью стержня перпендикулярно оптической оси прямолинейного участка первого СВ и петли в средней его части, удерживаемой свободно на плоскости подложки тем же стержневым ограничителем, а выходной конец второго СВ подсоединен к входу 2-го приемника излучения, электрический выход которого подключен к блоку обработки информации, дополнительно содержащему две вторые СВХ, последовательно соединенные с ними 2-е устройство вычитания, 2-й оконечный усилитель, выход которого является вторым выходом блока, при этом синхронизирующие и информационные входы вторых двух СВХ подключены соответственно к выходам генератора импульсных сигналов и усилителя фототока таким образом, что одна из вторых СВХ запоминает минимальное значение сигнала от 2-го усилителя фототока, а другая - максимальное. Кроме того, в датчик введены 2 прикрепленные к внутренней поверхности петли второго СВ светоотражающие гибкие пластинки (СГП), два закрепленных неподвижно к подложке световодного жгута (СВЖ), состоящих каждый из одного излучающего и трех приемных СВ, а оптические оси СВЖ совпадают с плоскостью оптической оси петли второго СВ и размещены по ее минимальному диаметру, причем входы излучающих СВ жгутов подключены к источнику излучения, а их выходы вместе с входами приемных СВ жгутов расположены напротив центра СГП с зазором между СГП и торцами СВ, выходы приемных СВ подсоединены через 3-й и 4-й приемники излучения к входам сумматора, выход которого подключен к 3-му усилителю фототока, а выход последнего является третьим выходом датчика.

Зазор между СГП и торцами приемных и излучающих СВ имеет размер, равный (1,0-1,5)d_ж, где d_ж - диаметр светопропускающей жилы приемного СВ.

В дополнение к изложенному выше стержневой ограничитель установлен в шарикоподшипнике, наружное кольцо которого запрессовано заподлицо в подложке.

Геометрическая форма петли СВ может иметь как простой вид типа окружности, так и более сложный, например, в виде строфоиды, эллипса, овала и др. В случае сложных геометрических фигур за максимальный диаметр петли условно принят максимальный внутренний размер по большей оси фигуры, а за минимальный - минимальный внутренний размер по малой оси фигуры.

Предлагаемое изобретение соответствует критерию новизны, т.к. не обнаружены источники, в которых были бы найдены идентичные решения, и, кроме того, мы считаем, что оно соответствует критерию "изобретательский уровень" (не вытекает явным образом из уровня техники), т.е. неизвестны из уровня техники (из общедоступных сведений) существенные признаки:
- 2-й световод, соединенный своим входом с источником излучения, состоящий из 2-х соосных прямолинейных участков, прикрепленных к подложке, на кратчайшем расстоянии между их оптической оси прямолинейного участка 1-го СВ и петли в средней его части, удерживаемой свободно на плоскости подложки тем же стержневым ограничителем, а выходной конец второго СВ подсоединен ко входу 2-го приемника излучения, электрический выход которого подключен к блоку обработки информации;
- в блок обработки информации дополнительно входят 2 вторые СВХ, последовательно соединенные с ними 2-е устройство вычитания, 2-й оконечный усилитель, выход которого - это 2-й выход блока, причем синхронизирующие и информационные входы вторых двух СВХ подключены соответственно к выходам генератора импульсных сигналов и 2-го усилителя фототока так, что одна из вторых СВХ запоминает минимальное значение сигнала от 2-го усилителя фототока, а другая - максимальное значение;
- светоотражающие гибкие пластинки, прикрепленные к внутренней поверхности петли второго СВ;
- два закрепленных неподвижно к подложке СВЖ, состоящих каждый из одного излучающего и трех приемных СВ, а оптические оси СВЖ совпадают с плоскостью оптической оси петли 2-го СВ и размещены по ее минимальному диаметру, причем входы излучающих СB подключены к источнику излучения, а их выходы вместе с входами приемных СВ расположены напротив центра СГП с зазором между СГП и торцами СВ, выходы приемных GB подсоединены через 3-й и 4-й приемники излучения к входам сумматора, выход которого подключен к 3-му усилителю фототока, а выход последнего является 3-им выходом датчика;
- стержневой ограничитель установлен в шарикоподшипнике, наружное кольцо которого запрессовано заподлицо в подложке.

Перечисленные выше признаки устройства позволяют повысить точность измерения локальных деформаций благодаря тому, что небольшое изменение радиуса петли 2-го СВ приводит к большему (на 50%) изменению интенсивности отраженного светового потока по сравнению с изменением проходящего светового потока во 2-м СВ. Кроме того, эти существенные признаки обуславливают расширение области применения предложенного устройства, т.к. с его помощью можно измерять локальные деформации при двухосном напряженном состоянии, а известное устройство /2/ измеряет деформации при одноосном напряженном состоянии.

Изобретение иллюстрируется следующим примером (см. чертеж). Волоконно-оптический датчик физических величин состоит из генератора импульсных сигналов 1, подключенного к его выходу источника излучения 2, к которому подсоединены прямолинейный участок СВ 3, размещенного на подложке 4, причем в средней части СВ 3 имеет петлю 5, охватывающую стержень ограничителя 6, переходящую в концевой прямолинейный участок СВ 7, подключенный к первому приемнику излучения 8, электрический выход которого подсоединен ко входу 1-го усилителя фототока 9, а выход последнего подключен к входу блока обработки информации 10. При этом в блок 10 входят последовательно соединенные две первые СВХ 11, 1-е устройство вычитания 12 и 1-й оконечный усилитель 13, выход которого является выходом блока 10. Кроме того, датчик включает в себя 2-й СВ 14, вход которого подключен к источнику излучения 2, а выход последовательно подключен ко 2-му приемнику излучения 15, 2-му усилителю фототока 16, и входящим в блок двум вторым СВХ 17, устройству вычитания 18 и оконечному усилителю 19, причем выход его является вторым выходом блока 10, а 2-й СВ 14 в средней части имеет петлю, на внутренней поверхности которой прикреплены светоотражающие гибкие пластинки 20, напротив центра которых внутри петли 2-го СВ закреплены к подложке 4 два СВЖ 21, состоящие каждый из одного излучающего и 3-х приемных СВ, причем их оптические оси, расположенные в плоскости оптической оси петли 2-го СВ, размещены по ее минимальному диаметру. Выходы приемных СВ жгутов 21 подключены к третьему 22 и четвертому 23 приемникам излучения, а выходы последних последовательно подсоединены к сумматору 24, 3-му усилителю фототока 25. В дополнение к этому датчик снабжен шарикоподшипником 26, в котором установлен стержневой ограничитель 6.

В модифицированном варианте предложенного датчика в петле 1-го СВ 5 дополнительно установлены СГП и 2 СВЖ.

Волоконно-оптический датчик физических величин, прикрепленный на поверхности объекта, деформация которого измеряется, работает следующим образом.

При деформировании (растяжении или сжатии) исследуемого объекта вместе с ним деформируется прикрепленная к объекту подложка 4. Деформация подложки 4 приводит к уменьшению (или увеличению) радиусов петель обоих СВ 5, 14 и вследствие этого растет (или падает) интенсивность потока излучения на выходе из них. Пропорционально изменению интенсивности меняется значение фототока на выходе из приемников излучения 8, 15, причем интенсивность потока пропорциональна J~πD, где D - диаметр петли. Одновременно с изменением радиуса 2-го СВ 14 меняются зазоры d между СГП 20 и торцами приемных световодов жгутов 21, что приводит к изменению интенсивности отраженного потока P_вых
P_вых/P_вх ≈ kd^3/2 где P_вых, P_вх - выходная и входная мощности светового потока соответственно, k - коэффициент, зависящий от типа СВ, причем k≥1 (В. И. Бусурин, Ю.Р. Носов, Волоконно-оптические датчики: физ. основы и др. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 41).

Из этого следует, что чувствительность измерительного канала световодных жгутов 21 выше, чем чувствительность измерительного канала 2-го СВ в 1,5 раза, а это означает, что точность измерений у предложенного датчика выше, чем у известного /2/ не меньше, чем в 1,5 раза.

Предложенный датчик дает еще один положительный эффект - расширение диапазона применения по сравнению с известными датчиками. Это следует из того, что петля 2-го СВ 14 деформируется при растяжении (сжатии) подложки в направлении, перпендикулярном направлению растяжения (сжатия) первого СВ 3, 5, 7. В случае двухосного растяжения-сжатия деформируются петли обоих СВ 5, 14 одновременно, что приводит к соответствующему изменению интенсивности светового потока на выходе из этих СВ и, следовательно, позволяет измерять деформации по двум ортогональным осям.

Поэтому предложенный датчик можно использовать для измерений локальных деформаций и последующего расчета напряжений при двухосном растяжении-сжатии.

Известные датчики, в т.ч. и прототип, невозможно использовать для измерения локальных (в точке) деформаций в двух направлениях.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает расширение области применения по сравнению с известными.

Волоконно-оптический датчик физических величин содержит генератор импульсных сигналов, источник излучения, оптически связанные световод и приемник излучения, усилитель фототока, подложку, стержневой ограничитель, закрепленный перпендикулярно к ее плоскости, блок обработки информации, выполненный в виде двух схем выборки-хранения, запоминающих минимальное и максимальное значение сигналов от усилителя фототока, устройства вычитания и оконечного усилителя, выход которого является выходом блока обработки информации. Световод размещен на плоскости подложки и имеет петлю в средней части, охватывающую стержень ограничителя. Также введен второй световод, второй приемник излучения, второй усилитель фототока, подключенный к блоку обработки информации, содержащему две вторые схемы выборки-хранения, запоминающие минимальное и максимальное значение сигнала от второго усилителя фототока, второе устройство вычитания, второй оконечный усилитель, выход которого является вторым выходом блока. Технический результат: измерение деформаций в 2 ортогональных направлениях одновременно и в одной (или в нескольких) локальной зоне испытуемой конструкции и повышение на полпорядка чувствительности датчика в диапазоне малых деформаций. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Волоконно-оптический датчик физических величин, содержащий генератор импульсных сигналов, подключенный к его выходу источник излучения, установленные последовательно и оптически связанные световод и приемник излучения, соединенные последовательно усилитель фототока, вход которого соединен с выходом приемника излучения, и блок обработки информации, а также подложку, стержневой ограничитель, закрепленный перпендикулярно к ее плоскости, причем блок обработки информации выполнен в виде двух схем выборки-хранения, синхронизирующие входы которых подключены к генератору импульсных сигналов, а информационные входы - к выходу усилителя фототока, соединенных последовательно устройства вычитания и оконечного усилителя, выход которого является выходом блока, входы устройства вычитания соединены с выходом соответствующих схем выборки-хранения, одна из которых запоминает минимальное значение сигналов от усилителя, а другая - максимальное, световод размещен на плоскости подложки и имеет петлю в средней части, охватывающую стержень ограничителя, концы световода расположены прямолинейно и соосно и укреплены на подложке таким образом, что кратчайшее расстояние между центральной осью стержня и оптической осью концов световода равно максимальному внутреннему диаметру петли, отличающийся тем, что в него введен соединенный своим входом с источником излучения второй световод, состоящий из двух соосных прямолинейных участков, прикрепленных к подложке на кратчайшем расстоянии между их оптической осью и центральной осью стержня, перпендикулярно оптической оси прямолинейного участка первого световода и петли в средней его части, удерживаемой на плоскости подложки тем же стержневым ограничителем, а выходной конец второго световода подсоединен ко входу второго приемника излучения, электрический выход которого последовательно подключен к усилителю фототока, к блоку обработки информации, дополнительно содержащему две вторые схемы выборки-хранения, последовательно соединенные с ними второе устройство вычитания, второй оконечный усилитель, выход которого является вторым выходом блока, при этом синхронизирующие и информационные входы вторых двух схем выборки-хранения подключены соответственно к выходам генератора импульсных сигналов и второго усилителя фототока таким образом, что одна из вторых схем выборки-хранения запоминает минимальное значение сигнала от второго усилителя фототока, а другая - максимальное. 2. Волоконно-оптический датчик по п. 1, отличающийся тем, что в него введены две прикрепленные к внутренней поверхности петли второго световода, светоотражающие гибкие пластинки, два закрепленных неподвижно на подложке световодных жгутов, состоящих каждый из одного излучающего и трех приемных световодов, а оптические оси жгутов совпадают с плоскостью оптической оси петли второго световода и размещены по ее минимальному диаметру, причем входы излучающих световодов жгутов подключены к источнику излучения, а их выходы вместе с входами приемных световодов жгутов расположены напротив центра светоотражающих пластинок с зазором между пластинками и торцами световодов, выходы приемных световодов подсоединены через третий и четвертый приемники излучения к входам сумматора, выход которого подключен к третьему усилителю фототока, а выход последнего является третьим выходом датчика. 3. Волоконно-оптический датчик по п. 1, отличающийся тем, что стержневой ограничитель установлен в шарикоподшипнике, наружное кольцо которого запрессовано заподлицо в подложке.