ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к средствам измерений непрерывного или периодического контроля и диагностики. Областью применения преимущественно является контроль деформационных изменений в строительных конструкциях (здания, мосты, тоннели). Предложенная модель волоконно-оптического датчика содержит волоконную брэгговскую решетку в качестве чувствительного элемента датчика, базовый элемент модели, подвижную каретку, пятки для закрепления на объекте наблюдения, шпунты для фиксации базового элемента к пяткам, гайки и винты для регулировки степени преднатяжения чувствительного элемента. В базовом элементе модели имеется направляющий штифт, жестко связанный с базовым элементом модели, фиксирующий каретку и задающий ей строгое позиционирование. Волоконно-оптический датчик деформации обладает возможностью контролируемого преднатяжения чувствительного элемента датчика (волоконной брэгговской решетки) непосредственно после установки на объект наблюдения. В результате этого обеспечивается возможность работы волоконно-оптического датчика деформации как на растяжение, так и на сжатие, а также обеспечивается равнозначность первоначальных состояний большого количества датчиков при комплексном обследовании зданий и транспортных сооружений. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Волоконно-оптический датчик деформации, содержащий подводящий и отводящий оптические волокна, между которыми включен чувствительный элемент датчика, отличающийся тем, что содержит подвижную каретку для регулировки степени преднатяжения чувствительного элемента, при этом чувствительный элемент датчика с одной стороны прикреплен жестко к корпусу, а с другой стороны - к подвижной каретке.

2. Волоконно-оптический датчик деформации по п. 1, отличающийся тем, что конструкция корпуса содержит винты для регулировки степени преднатяжения чувствительного элемента.

3. Волоконно-оптический датчик деформации по п. 1, отличающийся тем, что конструкция корпуса имеет направляющие стержни для установки подвижной каретки.

4. Волоконно-оптический датчик деформации по п. 1, отличающийся тем, что датчик выполнен с возможностью установки на объекте наблюдения с использованием пяток, предварительно закрепляемых на поверхности объекта наблюдения через шаблон.

5. Волоконно-оптический датчик деформации по п. 1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью подключения к измерительной аппаратуре через разъемное или неразъемное соединение.

Полезная модель относится к средствам измерений непрерывного или периодического контроля и диагностики. Областью применения преимущественно является контроль деформационных изменений в строительных конструкциях (здания, мосты, тоннели).

Известен волоконно-оптический преобразователь деформации [патент РФ на полезную модель №135119, опубл. 27.11.2013]. В волоконно-оптическом преобразователе деформации, содержащем, по крайней мере одну волоконную решетку Брэгга, оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, кремния или кварца. Действие внешней силы вызывает малые изгибы упругого элемента, на котором закреплено оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой. Деформация волоконной решетки Брэгга приводит к изменению спектральных свойств излучения, проходящего или отраженного от нее обрабатываемого аппаратурой спектрального анализа. После прекращения действия внешней силы упругий элемент в виде пластинки из монокристалла возвращается в первоначальное положение.

Известен волоконно-оптический датчик деформации [патент РФ на изобретение №2786690, опубл. 23.12.2022], содержащий подводящие и отводящие оптические волокна, между которыми размещена шторка с отверстием. Юстировка относительно отверстия в шторке осуществляется перемещением втулок вдоль отверстия с дальнейшей жесткой фиксацией, например, с помощью клея.

Ни один из перечисленных выше датчиков не обладает возможностью корректировки степени натяжения (юстировки датчика) непосредственно после установки на объект наблюдения, что не позволяет скорректировать их работу после установки и обеспечить строгое единообразие реакционных характеристик.

Известен волоконно-оптический датчик деформаций, основанный на преобразовании деформации в коэффициент отражения света, содержащий сенсорный элемент с участком световода и зеркала [Егоров Ф.А., Неугодников А.П., Быковский В.А. / Экспериментальные исследования волоконно-оптических датчиков для контроля деформаций железобетонных конструкций // Второй международный симпозиум "Проблемы современного бетона и железобетона" - Минск, 2008]. Основным недостатком данного датчика является низкая чувствительность затухания в волокне к малым деформациям, а также высокое влияние внешней температуры на стальной стержень, что существенно ограничивает область применения датчика.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является волоконно-оптический датчик деформаций Micron Optics OS 3155 [Сайт компании ООО «Монсол Рус» [Электронный ресурс] // Волоконно-оптический датчик деформации OS 3155. - URL: https://monsol.ru/volokonno-opticheskij-datchik-deformatsii-os-3155/ (дата обращения: 15.05.2024)] в виде металлической пластины, с закрепленной на ней волоконной брэгговской решеткой. Принцип работы датчика основан на смещении отраженной длины волны волоконной брэгговской решетки в зависимости от внешнего воздействия на пластину.

Недостатком указанного технического решения является возможность установки только на стальных конструкциях путем сварного соединения. Сварное соединение не обеспечивает одинаковую степень натяжения большого количества датчиков на объекте после установки. Конструкция известного датчика не имеет возможности корректировки степени натяжения чувствительного элемента.

При осуществлении заявляемой полезной модели обеспечивается решение следующей технической проблемы: создание нового устройства-волоконно-оптического датчика деформации с достижением следующего технического результата: обеспечивается возможность контролируемого преднатяжения чувствительного элемента датчика (волоконной брэгговской решетки), что позволяет обеспечить работу волоконно-оптического датчика деформации как на растяжение, так и на сжатие, а также, обеспечить равнозначность первоначальных состояний большого количества датчиков при комплексном обследовании зданий и транспортных сооружений.

Указанный технический результат достигается тем, что волоконно-оптический датчик деформации, содержащий подводящий и отводящий оптические волокна, между которыми включен чувствительный элемент датчика, согласно полезной модели содержит подвижную каретку для регулировки степени преднатяжения чувствительного элемента, при этом чувствительный элемент датчика с одной стороны прикреплен жестко к корпусу, а с другой стороны - к подвижной каретке.

Конструкция корпуса содержит винты для регулировки степени преднатяжения чувствительного элемента, направляющие стержни для установки подвижной каретки. Датчик выполнен с возможностью установки на объекте наблюдения с использованием пяток, предварительно закрепляемых на поверхности объекта наблюдения через шаблон; с возможностью подключения к измерительной аппаратуре через разъемное или неразъемное соединение. Тестовый оптический сигнал подается через подводящее или отводящее оптические волокна.

На фиг. 1 представлен волоконно-оптический датчик деформации в сборе (ракурс 1), на фиг. 2 - волоконно-оптический датчик деформации в сборе (ракурс 2), на фиг. 3 представлены все элементы датчика раздельно (ракурс 1), на фиг. 4 представлены все элементы датчика раздельно (ракурс 2). На фиг. 5 представлена схема экспериментальной установки. На фиг. 6 представлен график зависимости длины волны отражения ВОД от прилагаемой нагрузки.

Волоконно-оптический датчик деформации содержит волоконную брэгговскую решетку в качестве чувствительного элемента (1) датчика, корпус (2), подвижную каретку (3), пятки (4) для закрепления на объекте наблюдения, шпунты (5) для фиксации корпуса (2) к пяткам (4), гайки (6) и винты (7) для регулировки степени преднатяжения чувствительного элемента. В корпусе (2) имеется направляющий штифт (8), жестко связанный с корпусом (2), фиксирующий каретку (3) и задающий ей строгое позиционирование. Подключение датчика к измерительному оборудованию осуществляется через подводящее (9) и отводящее (10) оптические волокна.

Устройство работает следующим образом: предусматривается навесной монтаж. Закрепление на поверхности объекта наблюдения предусматривается путем приклеивания пяток (4) с использованием установочного шаблона. После выдерживания необходимого времени для закрепления пяток (4) на поверхности объекта наблюдения шаблон удаляется, и на пятки (4) устанавливается устройство в сборе. Закрепление устройства в сборе производится двумя шпунтами (5). Винты (7) при установке устройства в сборе должны быть в начальном положении (чувствительный элемент (1) в свободном состоянии). Датчик в сборе подключается к измерительному комплексу (спектроанализатор или интеррогатор) и при непрерывном наблюдении с помощью регулировочных винтов переводится в рабочее положение. Рабочим положением чувствительного элемента датчика считать длину волны λ_FBR.0, определяемую по следующей формуле:

где λ_FBR.min - минимальная длина волны отражения волоконной брэгговской решетки, использованной для изготовления волоконно-оптического датчика деформации (технические характеристики брэгговской решетки);

λ_FBR.max - максимальная длина волны отражения волоконной брэгговской решетки, использованной для изготовления волоконно-оптического датчика деформации (технические характеристики брэгговской решетки);

λ_FBR.0 - начальная (установочная) длина волны отражения волоконной брэгговской решетки.

Преднатяжение чувствительного элемента (1) датчика позволяет воспринимать как растягивающие, так и сжимающие воздействия, передающиеся на устройство. При растягивающих воздействиях происходит увеличение длины волны отражения волоконной брэгговской решетки, а при сжимающих воздействиях уменьшение длины волны отражения волоконной брэгговской решетки.

По величине изменения длины волны отражения судят о степени напряженно-деформированного состояния объекта наблюдения.

Для подтверждения работоспособности предлагаемой конструкции волоконно-оптического датчика проведено исследование. Схема эксперимента представлена на фиг. 5.