Способ повышения спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа Российский патент 2018 года по МПК G01D5/353 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к созданию чувствительных элементов спектральных датчиков и преобразователей физических величин.

Из описания устройства спектрального преобразователя деформации (см. RU 149551, МПК G01D 5/353, 10.01.2015) известен способ создания брэгговского чувствительного элемента на кремний-кварцевой упругой пластине в виде балки.

Балочные упругие элементы весьма распространены, поскольку консольное закрепление такого упругого элемента является наиболее универсальным решением для большинства преобразователей механических величин (силы, расхода потока жидкости, давления, перемещения, деформаций).

Однако недостатком способа в ряде случаев является очень низкая спектральная чувствительность преобразования деформации. Известные значения предела прочности кремния и кварца (диоксида кремния), используемых для слоев упругой пластины, обуславливающие хрупкость данных материалов, не позволяют подвергать упругий элемент значительным деформациям. Малые деформации зачастую ограничивают диапазон измеряемых воздействий, то есть деформации решетки Брэгга в фоточувствительном слое упругой пластины будут малыми, и соответственно, разрешающая способность спектрального преобразования и сама чувствительность преобразователя - низкими.

Известно, что при создании решетки Брэгга возможно некоторое варьирование значений периода этой решетки, который в соответствии с известным законом Брэгга влияет на резонансную («брэгговскую») длину волны. Уменьшая, таким образом, период решетки Брэгга при ее формировании в волноводе, возможно повысить чувствительность брэгговского преобразования длины волны при последующих деформациях волновода. Это связано с тем, что при равном деформирующем воздействии на две решетки Брэгга изменение периода относительно исходного состояния всегда более выражено у той, которая изначально имеет меньший период. Однако следует помнить и то, что рабочая длина волны у решетки с меньшим периодом будет смещена (в соответствии с законом Брэгга) в коротковолновую область спектра относительно решетки Брэгга с большим периодом. На практике такое повышение чувствительности (смещением «брэгговской» длины волны в коротковолновую область спектра) весьма затруднительно ввиду того, что основная доля выпускаемого спектрального оборудования, приспособлений и устройств (к которым относятся анализаторы, источники и приемники излучения) ориентирована на работу в спектральном диапазоне длин волн в окрестности 1,3 и 1,55 мкм. Использование спектрального участка в окрестности 1,3 мкм обусловлено минимальными потерями при дисперсии (спектральное уширение передаваемого светового импульса минимально и скорость передачи информации максимальна), а спектральная область в окрестности 1,55 мкм является перспективной с точки зрения минимальных потерь в световоде не более 0,2 дБ/км (О. Бутов. Волоконно-оптические световоды и датчики предупредят катастрофы; http://www.cnews.ru/reviews/index.shtml?2003/01/10/139370).

Из экономических соображений, оптические преобразователи и датчики разрабатываются именно с использованием широкодоступного оборудования. Изменение спектрального диапазона разрабатываемых измерительных устройств представляется неоправданным и нецелесообразным (применение специфичного, редкого оборудования сказывается на стоимости разработки в целом).

В связи с этим, наибольший интерес представляет разработка способа повышения спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа, основанного на формировании специальных конструктивных элементов на упругой пластине, что не требует сложных решений, связанных с изменением рабочего спектрального диапазона приборов.

Из описания устройства волоконно-оптического преобразователя деформации, содержащего волоконную решетку Брэгга, известно о способе закрепления оптического волокна на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца (см. RU 135119, МПК G01D 5/353, 27.11.2013). Описанный способ формирования брэгговского чувствительного элемента не содержит решений, позволяющих повысить чувствительность преобразования деформации в оптический сигнал.

Выше отмечалось, что известные значения предела прочности хрупких материалов, к которым относятся монокристаллический сапфир, кремний и кварц, не позволяют подвергать упругий элемент деформациям, соответствующим рабочим деформациям волоконной брэгговской решетки (ВБР), закрепленной на нем. Упругие неметаллические элементы (подложки), используемые как самостоятельные компоненты преобразователя, по толщине всегда значительно превышают толщину (диаметр) кварцевого оптического волокна (0,125 мм), закрепленного на них. Поэтому допустимая изгибающая деформация таких сборок всегда ограничена допустимой деформацией упругой пластинки. При создании брэгговского чувствительного элемента упругие балки требуют усиления деформирующего воздействия на волоконную решетку Брэгга. В противном случае волоконная решетка Брэгга используется не на всем диапазоне своей допустимой деформации (который составляет около 0,3% от ее длины), а на более уменьшенном диапазоне. Разрешающая способность спектрального преобразования и чувствительность к деформациям упругого элемента будут невысоки.

Решением задачи повышения спектральной чувствительности путем увеличения деформации волоконных решеток Брэгга на балочном упругом элементе является формирование специальной геометрической конструкции используемой упругой пластинки. Также одной из задач при обеспечении технического результата является исключение необходимости выполнения сложных техпроцессов.

Техническим результатом является повышение спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа.

Технический результат достигается тем, что в способе повышения спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа в упругом элементе брэгговского преобразователя деформации, выполненном из кварца или монокристаллического материала, посредством упругой балки и жесткой балки формируют две области: область с упругой деформацией и область без деформаций, с возможностью фиксации на балках оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга, упругий элемент закрепляют консольно в опорной детали, волоконную решетку Брэгга с помощью клея закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на жесткой балке, а с другого - на упругой балке, воздействие внешней силы на упругую балку, посредством жесткой балки передают на малый участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брэгга.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично представлен упругий элемент с закрепленной на нем волоконной решеткой Брэгга брэгговского преобразователя деформации балочного типа с повышенной спектральной чувствительностью, реализованной предлагаемым способом, где: 1 - упругая балка, 2 - опорная деталь, 3 - оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга, 4 - жесткая балка, 5 - клей, G - волоконная решетка Брэгга.

Способ реализуется следующим образом.

В упругом элементе брэгговского преобразователя деформации балочного типа, посредством упругой балки 1 и жесткой балки 4 формируют две области: область с упругой деформацией и область без деформаций, с возможностью фиксации на балках оптического волокна 3 с волоконной решеткой Брэгга, упругий элемент закрепляют консольно в опорной детали 2, волоконную решетку Брэгга с помощью клея 5 закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на жесткой балке 4, а с другого - на упругой балке 1, воздействие внешней силы F на упругую балку 1, посредством жесткой балки 4, передают на малый участок оптического волокна 3, содержащий волоконную решетку Брэгга (G).

Деформации волоконной решетки Брэгга, сопровождающиеся изменением ее геометрических параметров, изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через оптическое волокно от излучателя к приемнику излучения (излучатель и приемник излучения на чертежах не показаны).

Формирование двух областей: области с упругой деформацией и области без деформации, в структуре упругого элемента брэгговского преобразователя, достигается наличием деформируемой (под действием внешней силы F) части, в виде балки 1, и недеформируемой (под действием внешней силы F) части, в виде балки 4 (фиг. 1).

На фиг. 1 места закрепления оптического волокна 3 обозначены в виде круглых зон клея 5, расположенных по обе стороны волоконной решетки Брэгга - на упругой балке 1 и жесткой балке 4. Опорная деталь 2 представляет собой, в общем случае, корпусную деталь брэгговского преобразователя деформации балочного типа.

Упругая и жесткая балки брэгговского преобразователя деформации выполнены из кварца или монокристаллического материала (сапфира или кремния), исходя из близких по отношению к материалу оптического волокна коэффициентов температурного расширения. Кроме того, как показывают результаты исследований, проведенных в ходе разработки способа повышения спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа, точностные параметры преобразования, при использовании монокристаллических подложек, повышены за счет уменьшения явлений остаточных деформаций в структуре материала.

На фиг. 1 преобразуемая деформация имеет силу F, приложенную к упругой балке 1, в то время как противоположная часть упругого элемента, в области его закрепления в опорной детали 2, не подвержена воздействию деформации. Закрепление жесткой балки 4 выполняют таким образом, чтобы она не подвергалась деформациям под действием внешней силы F.

Назначение жесткой балки 4 состоит в фиксации одного из концов решетки Брэгга в неизменном положении относительно области закрепления упругого элемента преобразователя деформации в опорной детали 2. Такая фиксация позволяет увеличить относительную деформацию решетки Брэгга, по сравнению с относительной деформацией упругой балки 1, воспринимающей воздействие силы F.

Увеличение относительной деформации волоконной решетки Брэгга позволяет достичь заявляемый технический результат в повышении спектральной чувствительности брэгговского преобразователя. Необходимость в увеличении относительной деформации волоконной решетки Брэгга поясняется следующим образом.

При деформации под действием силы F консольно-закрепленной балки возникает поверхностное натяжение оптического волокна 3, закрепленного на ней. Из теории сопротивления материалов известно, что продольная деформация консольно-закрепленной балки является функцией прилагаемой воздействующей силы на ее подвижный свободный конец (см., например, Синельникова Н.Г. Сопротивление материалов: Лаб. практикум / Н.Г. Синельникова, В.В. Горбунов // Приборы и системы управления. - Электросталь: ЭПИ МИСиС, 2011. - 86 с.).

Таким образом, при отсутствии рассматриваемой недеформируемой области в конструкции брэгговского преобразователя, деформация, при воздействии внешней силы F, распределяется по всей длине упругой балки и оптическое волокно 3, закрепленное только на упругой балке 1, подвергается деформации, приходящейся на участок, в пределах области закрепления. В таком случае величина относительного изменения длины оптического волокна 3, будет соответствовать относительной деформации упругой балки 1.

Жесткая балка 4 позволяет передать деформацию, приходящуюся на всю упругую балку 1 (от области ее закрепления, в опорной детали 2, до области закрепления оптического волокна на ней), к малому участку оптического волокна 3, содержащему волоконную решетку Брэгга (G).

Таким образом, величина относительной деформации оптического волокна 3 в области волоконной решетки Брэгга (G) может быть значительно увеличена, что обеспечивает повышение спектральной чувствительности устройства. Данное решение является достаточно простым и технически доступным способом повышения спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа.

При этом крутизна характеристики преобразования деформации упругим элементом в деформацию оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга будет зависеть от соотношения длин упругой балки и участка закрепления оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга. Размеры всех участков конструкции упругого элемента спектрального преобразователя деформации с учетом физических свойств материала рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае диапазона изменений величины измеряемого воздействия F.

В качестве клея может применяться клей, например, марки К300 или К400.

В результате поиска, на основании источников патентной и технической информации, не обнаружены способы с совокупностью существенных признаков, совпадающих с изобретением и обеспечивающие заявляемый технический результат, таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым и обладающим изобретательским уровнем.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к созданию чувствительных элементов спектральных датчиков и преобразователей физических величин. Упругий элемент брэгговского преобразователя деформации, из кварца или монокристаллического материала, закрепляют консольно в опорной детали. Посредством упругой балки и жесткой балки формируют в нем две области: область с упругой деформацией и область без деформаций, с возможностью фиксации на балках оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга. Волоконную решетку Брэгга с помощью клея закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на жесткой балке, а с другого - на упругой балке. Воздействие внешней силы на упругую балку, посредством жесткой балки, передают на малый участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брэгга. Технический результат - повышение спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа. 1 ил.

Способ повышения спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа, заключающийся в том, что в упругом элементе брэгговского преобразователя деформации, выполненном из кварца или монокристаллического материала, посредством упругой балки и жесткой балки формируют две области: область с упругой деформацией и область без деформаций, с возможностью фиксации на балках оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга, упругий элемент закрепляют консольно в опорной детали, волоконную решетку Брэгга с помощью клея закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на жесткой балке, а с другого - на упругой балке, воздействие внешней силы на упругую балку, посредством жесткой балки, передают на малый участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брэгга.