Способ натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения Российский патент 2021 года по МПК G01D5/353 G02B6/34 G01L1/24 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованию и 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.

Известно, что деформации решетки Брэгга, сопровождающиеся изменением ее внутренней структуры, изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через нее. Погрешность, вносимая посредством температурного расширения материалов чувствительного элемента в описанном устройстве, устранена за счет использования дополнительного чувствительного элемента, сформированного в фоточувствительном слое внутри упругой пластины. Однако в случае использования в качестве упругой пластины четырехслойного кремний-кварцевого компонента с фоточувствительной средой создание указанного брэгговского преобразователя балочного типа требует сложных технологических операций.

Для большинства известных преобразователей механических величин (силы, расхода потока жидких сред, давления, перемещения, деформаций) балочные упругие элементы являются широко распространенным техническим решением. На упругих балках закрепляют волоконные брэгговские решетки и контролируют их деформации, вызванные воздействием измеряемой физической величины. Для использования конкретных волоконных решеток Брэгга (в зависимости от назначения) необходимо осуществлять предварительные исследования их механических или спектральных свойств. Для этого волоконную решетку Брэгга закрепляют на балочном упругом элементе с определенной заданной величиной начального натяжения, выражающейся в значении относительного удлинения волокна. Такое натяжение волокна приводит к смещению брэгговского пика волоконной решетки в область спектра с линейной характеристикой чувствительности. Процесс преднатяжения волокна весьма трудоемкий и в большинстве случаев не позволяет добиться повторяемости.

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 может быть использовано для исследования свойств волоконных решеток Брэгга, однако не содержит решений для осуществления преднатяжения волокна.

Известен способ компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа, при реализации которого используются дополнительные термочувствительные элементы, на которых закрепляют оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга. Патент Российской Федерации на изобретение RU 2717170, МПК G01D 5/353, G12B 7/00, G01D 3/028, 18.03.2020. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Компенсация температурных деформаций в описанном способе осуществлена за счет использования двух дополнительных конструктивных элементов - термочувствительных элементов, 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. В данном способе используется принцип изменения длины волокна за счет физических свойств материала конструктивных элементов. Способ является простым в реализации для обеспечения температурной компенсации удлинения чувствительного элемента в процессе его использования, однако не позволяет решить задачу преднатяжения волокна (см., RU 2589447, МПК G01B 11/16, G01D 5/353, 10.07.2016).

Задачей изобретения является разработка способа натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения, основанного на применении специального промежуточного конструктивного элемента на упругой пластине, что представляет практический интерес при исследовании свойств волоконных решеток Брэгга и при этом не требует сложной производственной технологии.

Техническим результатом является расширение арсенала способов натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.

Технический результат достигается тем, что в способе натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения на упругом элементе в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, закрепляют дополнительный конструктивный элемент - термочувствительный элемент, выполненный из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, для фиксации оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга на этом конструктивном элементе, сборку нагревают до заданной температуры, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала закрепляют на термочувствительном элементе, сборку остужают, посредством температурного удлинения термочувствительного элемента при его остывании осуществляют натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлен упругий элемент 1 в виде балки, выполненный из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, с закрепленным на ней дополнительным конструктивным элементом - термочувствительным элементом 3, на котором посредством закрепляющего материала 4 закреплено оптическое волокно 2 с волоконной решеткой Брэгга (G). Термочувствительный элемент 3 выполнен из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения (ТКР), что позволяет использовать соотношения температурных удлинений материалов для реализации натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.

Длина деформируемой при натяжении области оптического волокна обозначена L₀. Данная область ограничена точками закрепления волокна на конструктивном элементе 3.

Способ реализуется следующим образом.

На упругом элементе 1 в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, закрепляют дополнительный конструктивный элемент - термочувствительный элемент 3, выполненный из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения с возможностью фиксации на нем оптического волокна 2 с волоконной решеткой Брэгга, сборку нагревают до заданной температуры, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала 4 закрепляют на термочувствительном элементе 3. Сборку остужают. Посредством температурного удлинения термочувствительного элемента 3 при его остывании осуществляют натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.

В качестве закрепляющего материала 4 может быть использован, например, клей марки К300.

В качестве материалов с положительным и отрицательным ТКР могут быть применены, например, полимерные и композиционные материалы.

Термочувствительный элемент 3 может иметь строго определенную длину, которая необходима в каждом конкретном случае (в т.ч. с учетом температурного нагрева сборки) для обеспечения требуемого значения относительного удлинения волоконной решетки Брэгга. Эту длину, а также места закрепления оптического волокна подбирают опытным путем, исходя из поставленных конструкторских задач.

Благодаря закреплению на упругом элементе дополнительного конструктивного элемента - термочувствительного элемента, выполненного из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, для последующего его нагрева, фиксации на нем оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга, реализовано натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения. Таким образом, физические свойства и конструктивные параметры дополнительного конструктивного элемента - термочувствительного элемента определяют величину относительного удлинения волоконной решетки Брэгга. Такое решение позволяет автоматизировать процесс создания сборок и добиться повторяемости параметров натяжения волокна в серийном производстве.

Упругий элемент 1 и дополнительный конструктивный элемент 3 могут быть выполнены в виде пластинок прямоугольной формы, а также содержать конструктивные вырезы, определяющие необходимую форму распределения деформации на их поверхности для реализации предлагаемого технического решения в широкой сфере исследований брэгговских волоконных решеток.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованию и созданию чувствительных элементов спектральных датчиков и преобразователей физических величин. На упругом элементе в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, закрепляют дополнительный конструктивный элемент – термочувствительный элемент, выполненный из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения. Сборку нагревают до заданной температуры. Волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала закрепляют на термочувствительном элементе, выполненном из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения. Сборку остужают. Посредством температурного удлинения термочувствительного элемента при его остывании осуществляют натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения. Технический результат – расширение арсенала способов натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения. 1 ил.

Способ натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения, в соответствии с которым на упругом элементе в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, закрепляют оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга, отличающийся тем, что на упругом элементе закрепляют дополнительный конструктивный элемент – термочувствительный элемент, выполненный из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, для фиксации оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга на этом конструктивном элементе, сборку нагревают до заданной температуры, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала закрепляют на термочувствительном элементе, сборку остужают, посредством температурного удлинения термочувствительного элемента при его остывании осуществляют натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.