ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ Российский патент 2015 года по МПК G01N21/00 

Изобретение относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного оптического излучения.

Известны волоконно-оптические датчики распределения механического напряжения (растяжения) на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: http://www.lscom.ru/art2.html, http://nepa-ru.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/, дата обращения 13/05/2013), у которых само оптическое волокно на всем его протяжении представляет собой непрерывный распределенный чувствительный элемент.

Известен волоконно-оптический сенсор деформации, предназначенный для использования в распределенных волоконно-оптических системах мониторинга (4-th International Conference on Structural Health Monitoring on Intelligent Infrastructure (международная конференция SHMII-4) 2009, 22-24 июля, Цюрих, Швейцария доклад M. Iten, F. Ravet, M. Nikles, M. Facchini, T. Hertig, D. Hauswirth, A. Puzrin «Soil-embedded fiber optic strain sensor for detection of differential soil displacement»). Сенсор состоит из оптического волокна, покрытого армирующими покрытиями, в числе которых есть продольно сваренная встык трубка из нержавеющей стали, герметично запечатывающая оптическое волокно и повышающая стойкость сенсора к раздавливанию, проволочная броня из круглых стальных проволок для обеспечения высокой прочности сенсора на растяжение и его защиты от грызунов, герметичная защитная полимерная оболочка.

Традиционные методы повышения стойкости конструкции протяженного сенсора к раздавливающим нагрузкам связаны с применением армирующих покрытий в виде спиралей, обмоток, оплеток, что может приводить к неравномерным по длине воздействиям со стороны армирующих покрытий на чувствительный элемент сенсора - оптическое волокно. Как следствие, эти неравномерные по длине воздействия приводят к артефактам измерения - неравномерным по длине деформациям, которые не связаны с измеряемой деформацией объекта мониторинга и ведут к увеличению погрешности измерения.

Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом), из числа известных по совокупности признаков, является высокочувствительный волоконно-оптический сенсор распределения деформации, содержащий оптическое волокно, армирующее покрытие, в виде продольных силовых элементов вокруг оптического волокна, и наружную защитную полимерную оболочку (патент на полезную модель РФ №123526 U1, опубл. 27.12.2012).

К недостатку данного технического решения следует отнести небольшую стойкость сенсора к раздавливающим нагрузкам, не способную противостоять необходимому сдавливанию как в процессе монтажа сенсора на поверхности объекта мониторинга, так и в процессе последующей эксплуатации. Недостаточная стойкость к раздавливающим нагрузкам объясняется перемещением, под действием нагрузки, одного из силовых элементов между двух других, приводящим к давлению на оптическое волокно. К дополнительному недостатку прототипа следует отнести неприспособленность его конструкции для монтажа на поверхности объекта мониторинга, так как его наружная защитная полимерная оболочка не имеет широкой стороны, которая могла бы упростить монтаж, например, методом приклейки. Недостатком прототипа является также и сложность разделки волоконно-оптического сенсора до оптического волокна, так как у него отсутствуют элементы конструкции, облегчающие его разделку.

Недостатком прототипа является и малый диапазон допустимых деформаций, который органичен упругими свойствами силовых элементов. В частности, для силового элемента из трех проволок, с указанным в описании прототипа диаметром 1,6 мм, диапазон упругих деформаций ограничен 0,6%. Диаметр проволоки, в свою очередь, определяется диаметром полимерного покрытия оптического волокна 0,25 мм.

Недостатками прототипа являются также слабая механическая связь наружной защитной полимерной оболочки с силовыми элементами и слабое закрепление наружной защитной полимерной оболочки на объекте мониторинга, что может привести к повреждению сенсора в процессе эксплуатации в задаче мониторинга деформации объекта, так как сенсор крепится к объекту мониторинга за наружную оболочку.

Поставленная задача состоит в разработке конструкции волоконно-оптического сенсора деформации растяжения, в первую очередь максимально стойкого к действию раздавливающих нагрузок. Технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом сенсоре распределения продольных деформаций, содержащем, по меньшей мере, одно чувствительное оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, одинаковые прямые продольные силовые элементы, наружную защитную полимерную оболочку, согласно заявленному изобретению оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с наружной защитной полимерной оболочкой, имеющей широкую сторону, обеспечивающую механический контакт с объектом мониторинга, причем для защиты оптического волокна от раздавливающей нагрузки, действующей перпендикулярно широкой стороне наружной оболочки, волокно расположено между силовыми элементами совместно с последними в плоскости, параллельной широкой стороне наружной оболочки.

Максимальная эффективность защиты от раздавливающей нагрузки достигается в случае, когда внутри плотной наружной защитной полимерной оболочки, например, прямоугольного сечения, в геометрическом центре которого располагается оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, симметрично по обеим сторонам от оптического волокна располагаются два, четыре и т.д. круглых силовых элемента с диаметром, превышающим диаметр плотного полимерного покрытия оптического волокна. В качестве силовых элементов может быть использована стальная калиброванная проволока или стеклопластиковые либо арамидопастиковые прутки. Для лучшей связи с защитной оболочкой силовые элементы могут быть дополнительно покрыты составом, повышающим адгезию к полимеру, например этилакрилатным сополимером. Для улучшения контакта защитной полимерной оболочки с объектом измерения на широкую сторону защитной полимерной оболочки может быть нанесен слой клеящего материала. Дополнительно, для упрощения разделки сенсора при его монтаже защитная полимерная оболочка содержит две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно в буферном покрытии раздвиганием в стороны силовых элементов. На поверхность широкой стороны наружной оболочки нанесен по всей длине сенсора слой клеящего материала. Поперечный размер силовых элементов может превышать диаметр плотного полимерного покрытия оптического волокна. Сенсор может содержать четное число продольных силовых элементов, расположенных центрально симметрично относительно оптического волокна. Поперечное сечение силового элемента может иметь круглую форму.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен в сечении волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций поверхности объекта мониторинга, содержащий оптическое волокно 1 в плотном полимерном покрытии 2, наружную защитную полимерную оболочку 3 с продольными бороздами 4 и армирующими одинаковыми прямыми продольными силовыми элементами 5. Оптическое волокно 1, являющееся на всем его протяжении непрерывным распределенным чувствительным элементом, жестко связано посредством полимерного покрытия 2 с наружной защитной полимерной оболочкой 3, имеющей широкую сторону 6 (площадь которой превышает 25% от общей площади поверхности наружной оболочки), обеспечивающую механический контакт с объектом мониторинга (на чертеже не показан). Для защиты оптического волокна 1 от раздавливающей нагрузки, действующей перпендикулярно широкой стороне 6 наружной оболочки, волокно 1 расположено между силовыми элементами 5 совместно с последними в плоскости, параллельной широкой стороне 6 наружной оболочки.

Поперечный размер силовых элементов 5 превышает диаметр плотного полимерного покрытия 2 оптического волокна 1. Поперечное сечение защитной полимерной оболочки 3 может иметь прямоугольную форму. Сенсор может содержать также любое четное число продольных силовых элементов 5, расположенных в плоскости, параллельной широкой стороне 6 наружной оболочки и центрально симметрично относительно оптического волокна 1. Поперечное сечение силового элемента 5 может иметь круглую форму. Защитная полимерная оболочка 3 содержит две симметричные относительно волокна 1 продольные борозды 4 на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно 1 в буферном покрытии раздвиганием в стороны силовых элементов 5. Причем, для облегчения освобождения волокна, одна из борозд может располагаться на широкой стороне 6, в месте, где расстояние от волокна 1 до наружной поверхности защитной полимерной оболочки минимально. В качестве силовых элементов 5 могут использоваться стальные проволоки или стеклопластиковые или арамидопластиковые прутки. Силовые элементы 5 могут быть покрыты полимерным составом, повышающим адгезию к полимеру наружной оболочки 3, например этилакрилатным сополимером. На поверхность широкой стороны 6 наружной оболочки 3 также может быть нанесен по всей длине сенсора слой клеящего материала. Следует иметь ввиду, что сенсор, применительно к заявленному изобретению, - устройство для преобразования распределения относительной деформации (удлинения/сжатия) в сигнал вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне.

Несомненным достоинством предлагаемого решения является то, что все элементы конструкции сенсора, в частности элементы армирующего покрытия, как и в прототипе, но в отличие от традиционных конструкций защищенных сенсоров, максимально однородны по длине, что обеспечивает отсутствие артефактов измерения, вызванных неоднородностью сенсора по длине. В процессе эксплуатации сенсор смонтирован на объекте мониторинга, так что широкая сторона наружной оболочки закреплена на поверхности объекта, и защищен от значительного числа внешних механических воздействий самим объектом мониторинга. При этом очевидно, что сам сенсор не обязан оказывать сопротивление измеряемой деформации объекта мониторинга. Однако смонтированный на объекте мониторинга сенсор может подвергаться механическим воздействиям со стороны внешних сил, которые можно разделить на две группы. Во-первых, это силы, действующие перпендикулярно поверхности объекта мониторинга, которые могут раздавить сенсор и повредить чувствительный элемент - оптическое волокно. Для защиты от раздавливания в сенсоре используются прямые продольные силовые элементы: стальная калиброванная проволока, стеклопластиковые или арамидопастиковые прутки, которые значительно более прочные, чем материал наружной защитной полимерной оболочки. Так как силовые элементы образуют плоскость, параллельную широкой стороне наружной оболочки, которая обеспечивает механический контакт с объектом мониторинга, то они обеспечивают защиту расположенного между ними оптического волокна от раздавливающей нагрузки, действующей перпендикулярно поверхности объекта и, следовательно, перпендикулярно широкой стороне наружной оболочки. Во-вторых, это силы, действующие параллельно поверхности объекта мониторинга как перпендикулярно оси сенсора, так и параллельно, которые могут нарушить механическую связь сенсора и объекта мониторинга (оторвать сенсор от поверхности), в результате чего сенсор перестанет выполнять свою функцию измерения деформации объекта мониторинга. Для предотвращения отрыва сенсора от объекта мониторинга наружная оболочка имеет широкую сторону, обеспечивающую хороший механический контакт с объектом мониторинга, что позволяет надежно закрепить сенсор на поверхности объекта мониторинга методом приклейки или сварки за счет увеличения площади контакта. Для упрощения монтажа сенсора на поверхности и улучшения контакта защитной полимерной оболочки с объектом мониторинга на широкую сторону защитной полимерной оболочки может быть нанесен слой клеящего материала. Кроме того, плоская форма кабеля позволяет снизить удельное давление на элементы конструкции кабеля по сравнению с кабелями круглого сечения при равной нагрузке, таким образом повышая стойкость к раздавливающей нагрузке.

Далее приводятся сведения, подтверждающие промышленную применимость заявленного изобретения.

Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления сенсора на существующем традиционно используемом кабельном оборудовании с применением промышленно выпускаемых оптических волокон в плотном полимерном покрытии и промышленно выпускаемых и коммерчески доступных материалов. Так, оболочка сенсора может быть изготовлена из полиэтилена (см., например, URL: http://www.borealisgroup.com/datasheets/10023736, дата обращения 13/05/2013), а силовые элементы - из стальной проволоки (см., например, URL: http://www.cablematerial.ru/1-6-galvanized-steel-wire.html, дата обращения 13/05/2013), стеклопластиковых (см., например, URL: http://www.fiber-line.com/pageid=101/FRP.html, дата обращения 13/05/2013) или арамидопластиковых прутков (см., например, URL: http://www.akshoptifibre.com/product-description.php?pid=3&ctid=29&subid=139, дата обращения 13/05/2013), в том числе с дополнительным этилакрилатным покрытием (см., например, URL: http://www.akshoptifibre.com/product-description.php?pid=3&ctid=27&subid=140, дата обращения 13/05/2013), увеличивающих сцепление с полимером защитной оболочки. Для увеличения сцепления стальных силовых элементов с полимером наружной оболочки может быть использован ламинирующий состав, аналогичный широко применяемому в кабельной промышленности для покрытия стальной ленты (см., например, http://www.cablemar.com/pdf/en/343be8c2_tfs_steel_tape.pdf, обращения 13/05/2013).

Несомненным достоинством заявленного изобретения является возможность применения для инсталляции сенсора плоских натяжных зажимов, что обеспечивается его высокой стойкостью к раздавливающим нагрузкам.

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорам распределения деформации для систем мониторинга различных объектов на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, в частности к сенсорам растяжения на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций содержит по меньшей мере одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, одинаковые прямые продольные силовые элементы, наружную защитную полимерную оболочку. Оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с наружной защитной полимерной оболочкой, имеющей широкую сторону, обеспечивающую механический контакт с объектом мониторинга. Для защиты оптического волокна от раздавливающей нагрузки, действующей перпендикулярно широкой стороне наружной оболочки, волокно расположено между силовыми элементами совместно с последними в плоскости, параллельной широкой стороне наружной оболочки. Технический результат - повышение стойкости к действию раздавливающих нагрузок волоконно-оптического сенсора деформации растяжения. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций, содержащий по меньшей мере одно чувствительное оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, одинаковые прямые продольные силовые элементы, наружную защитную полимерную оболочку, отличающийся тем, что оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с наружной защитной полимерной оболочкой, имеющей широкую сторону, обеспечивающую механический контакт с объектом мониторинга, причем для защиты оптического волокна от раздавливающей нагрузки, действующей перпендикулярно широкой стороне наружной оболочки, волокно расположено между силовыми элементами совместно с последними в плоскости, параллельной широкой стороне наружной оболочки.

2. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что поперечный размер силовых элементов превышает диаметр плотного полимерного покрытия оптического волокна.

3. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение защитной полимерной оболочки имеет прямоугольную форму.

4. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что сенсор содержит четное число продольных силовых элементов, расположенных центрально симметрично относительно оптического волокна.

5. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение силового элемента имеет круглую форму.

6. Сенсор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что защитная полимерная оболочка содержит две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно в буферном покрытии раздвиганием в стороны силовых элементов.

7. Сенсор по любому пп.1-2, отличающийся тем, что в качестве силовых элементов используются стальные проволоки.

8. Сенсор по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что в качестве силовых элементов используются стеклопластиковые прутки.

9. Сенсор по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что в качестве силовых элементов используются арамидопластиковые прутки.

10. Сенсор по п.7, отличающийся тем, что силовые элементы покрыты ламинирующим составом, повышающим адгезию к полимеру наружной оболочки.

11. Сенсор по п.8, отличающийся тем, что силовые элементы покрыты этилакрилатным сополимером, повышающим адгезию к полимеру наружной оболочки.

12. Сенсор по п.9, отличающийся тем, что силовые элементы покрыты этилакрилатным сополимером, повышающим адгезию к полимеру наружной оболочки.

13. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что на поверхность широкой стороны наружной оболочки нанесен по всей длине сенсора слой клеящего материала.