Способ компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа Российский патент 2020 года по МПК G01D5/353 G12B7/00 G01D3/28 

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 упругой пластине в виде балки.

Как известно, деформации решетки Брэгга, сопровождающиеся изменением ее внутренней структуры, изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через нее. С целью учета погрешности, вносимой посредством температурного расширения материалов чувствительного элемента, в описанном устройстве использован дополнительный чувствительный элемент, который формируют в фоточувствительном слое, расположенном внутри упругой пластины.

Для большинства известных преобразователей механических величин (силы, расхода потока жидких сред, давления, перемещения, деформаций) балочные упругие элементы являются широко распространенным техническим решением, поскольку очень просты в изготовлении, и позволяют создавать различные схемы закрепления чувствительного элемента.

Однако, в случае использования в качестве упругой пластины четырехслойного кремний-кварцевого компонента с фоточувствительной средой, создание указанного брэгговского преобразователя балочного типа с элементом, позволяющим учитывать температурные деформации, требует сложных технологических операций.

Из описания устройства волоконно-оптического преобразователя деформации (см. RU 135119, МПК G01D 5/353, 27.11.2013) известен способ создания брэгговского чувствительного элемента на упругой пластине из монокристалла, выполненной в виде балки. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Компенсация температурных деформаций описанного брэгговского преобразователя осуществлена за счет использования дополнительных измерительных волоконных решеток Брэгга. Способ является простым с точки зрения конструкции чувствительного элемента, однако из-за использования нескольких волоконных решеток Брэгга он предполагает и более сложные алгоритмы обработки результирующего сигнала, в сравнении с обработкой сигнала от одной волоконной решетки. В ряде случаев, необходимость в обработке нескольких сигналов и последующий программный анализ температурных деформаций усложняет процесс преобразования и налагает ограничение на использование данного технического решения.

Задачей изобретения является разработка способа компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа, основанного на применении специальных конструктивных элементов упругой пластины, что представляет наибольший практический интерес и при этом не требует сложных технологий в процессе производства.

Техническим результатом является расширение арсенала способов компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа.

Технический результат достигается тем, что в способе компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа, на упругом элементе закрепляют два дополнительных конструктивных элемента – термочувствительных элемента, выполненных из материала, значение температурного коэффициента расширения которого больше значения температурного коэффициента расширения материала упругого элемента для фиксации оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга на этих конструктивных элементах, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на одном из этих двух дополнительных конструктивных элементах, а с другого конца – на другом, посредством температурного удлинения дополнительных конструктивных элементов – термочувствительных элементов компенсируют температурное удлинение волоконной решетки Брэгга и, соответственно, температурную деформацию брэгговского преобразователя балочного типа.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где схематично представлен брэгговский преобразователь балочного типа, в виде упругого элемента 1, с закрепленными на нем двумя дополнительными конструктивными элементами – термочувствительными элементами 3 и 4, между которыми, посредством закрепляющего материала 5, закреплено оптическое волокно 2 с волоконной решеткой Брэгга (G). Дополнительные конструктивные элементы – термочувствительные элементы 3 и 4 выполнены из материала, значение температурного коэффициента расширения которого больше значения температурного коэффициента расширения материала упругого элемента 1. Это позволяет использовать соотношения температурных удлинений материалов для реализации эффекта компенсации в преобразователе.

Длина деформируемой под действием внешней силы F области оптического волокна обозначена L₀. Данная область определена точками закрепления волокна на конструктивных элементах 3 и 4 брэгговского преобразователя.

На фиг.2 схематично представлено температурное удлинение области оптического волокна L₀ , в виде приращения L₀ + ΔL_T , закрепленного на упругом элементе 1, при отсутствии в брэгговском преобразователе конструктивных решений, обеспечивающих компенсацию температурных деформаций (т.е. при отсутствии конструктивных элементов, обеспечивающих компенсацию температурного удлинения волоконной решетки Брэгга).

На фиг.3 схематично представлена компенсация удлинения области L₀ за счет температурного удлинения конструктивных элементов 3 и 4, закрепленных на упругом элементе 1.

Способ реализуется следующим образом.

На упругом элементе 1 брэгговского преобразователя деформации балочного типа, закрепляют два дополнительных конструктивных элемента – термочувствительных элемента, выполненных из материала, значение температурного коэффициента расширения которого больше значения температурного коэффициента расширения материала упругого элемента 1 с возможностью фиксации на этих конструктивных элементах оптического волокна 2 с волоконной решеткой Брэгга, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала 5 закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на конструктивном элементе 3, а с другого - на конструктивном элементе 4. Посредством температурного удлинения дополнительных конструктивных элементов, превышающего температурное удлинение материала упругого элемента, компенсируют температурное удлинение волоконной решетки Брэгга и, соответственно, температурную деформацию брэгговского преобразователя.

В качестве закрепляющего материала 5 может быть использован, например, клей марки К300.

При изготовлении упругого элемента из стали, в качестве материала дополнительных конструктивных элементов 3 и 4 может быть применена, например, бериллиевая бронза марки БрБ2. При использовании для упругого элемента монокристаллического материала, а также кварца, в качестве материала дополнительных конструктивных элементов 3 и 4 могут быть применены полимерные композиционные материалы.

Дополнительные конструктивные элементы – термочувствительные элементы 3 и 4 могут иметь такие соотношения длин, которые необходимы в каждом конкретном случае температурного режима работы устройства и конструктивных особенностей прибора. Эти величины, а также места закрепления оптического волокна подбирают опытным путем, исходя из поставленных конструкторских задач.

Благодаря закреплению на упругом элементе брэгговского преобразователя балочного типа дополнительных конструктивных элементов – термочувствительных элементов, выполненных из материала, значение температурного коэффициента расширения которого больше значения температурного коэффициента расширения материала упругого элемента 1, деформации упругого элемента, вызванные воздействием внешней силы F могут быть преобразованы волоконной решеткой Брэгга (G) без учета влияния температурных деформаций упругого элемента на результат измерений. Таким образом, достигается эффект компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа.

Упругий элемент 1, а также дополнительные конструктивные элементы 3 и 4 могут быть выполнены в виде пластинок прямоугольной формы, или трапецеидальной, при этом, упругий элемент и дополнительные конструктивные элементы могут содержать конструктивные вырезы, определяющие необходимую форму распределения деформации на их поверхности для реализации предлагаемого технического решения в широкой сфере брэгговских преобразователей.

В результате поиска, на основании источников патентной и технической информации, не обнаружены способы с совокупностью существенных признаков, совпадающих с изобретением. Предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение обладающее новизной и изобретательским уровнем.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к созданию чувствительных элементов спектральных датчиков и преобразователей физических величин. На упругом элементе закрепляют два дополнительных конструктивных элемента – термочувствительных элемента, выполненных из материала, значение температурного коэффициента расширения которого больше значения температурного коэффициента расширения материала упругого элемента. На этих конструктивных элементах закрепляют волоконную решетку Брэгга. Посредством температурного удлинения дополнительных конструктивных элементов – термочувствительных элементов компенсируют температурное удлинение волоконной решетки Брэгга и соответственно температурную деформацию брэгговского преобразователя. Технический результат - расширение арсенала способов компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа. 3 ил.

Способ компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа, в соответствии с которым на упругом элементе в виде балки закрепляют оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга, отличающийся тем, что на упругом элементе закрепляют два дополнительных конструктивных элемента – термочувствительных элемента, выполненных из материала, значение температурного коэффициента расширения которого больше значения температурного коэффициента расширения материала упругого элемента для фиксации оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга на этих конструктивных элементах, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на одном из этих двух дополнительных конструктивных элементах, а с другого конца – на другом, посредством температурного удлинения дополнительных конструктивных элементов – термочувствительных элементов компенсируют температурное удлинение волоконной решетки Брэгга и соответственно температурную деформацию брэгговского преобразователя балочного типа.