CC BY
68
УДК 681.7.068
В.И. Борисов, д-р физ.-мат. наук, доц., Е.М. Силутина, И.В. Шилова
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ТЕНЗОДАТЧИКИ
Предложены две схемы многоэлементного волоконно-оптического датчика деформации растяжения-сжатия, позволяющие увеличить чувствительность и применить некогерентные источники излучения для возбуждения волоконных световодов.
В настоящее время разработано большое количество волоконно-оптических первичных преобразователей различных физических величин [1...3]. Многие из этих схем могут быть использованы в качестве датчиков деформации различных технических устройств. Из большого разнообразия конструкций волоконно-оптических датчиков наиболее простыми и надежными являются амплитудные датчики, использующие изменение потерь в изогнутых волоконных световодах. Главным недостатком таких датчиков является низкая чувствительность по сравнению с интерференционными и поляризационными волоконно-оптическими датчиками. Поэтому не прекращаются поиски возможностей повышения чувствительности изгибных датчиков. Исследования идут в направлении использования многоэлементных конструкций, содержащих в одном датчике различные типы оптических волокон [4], применением микроструктурных волоконных световодов [5] и регистрацией изменения спектральных характеристик излучения под механическим воздействием на изогнутый световод [6].
Для повышения чувствительности таких тензодатчиков в работе предложена схема многоэлементного одноканального волоконно-оптического тензодатчика растяжения-сжатия, которая приведена на рис. 1.
3
Рис. 1. Схема многоэлементного одноканального волоконно-оптического тензодатчика на одном волоконном световоде: 1 - волоконный световод; 2 - резиновая подложка; 3 - клей; 4 - волоконные петли; 5 - устройство для крепления волокна на контролируемом объекте; 6 - полупроводниковый лазер; 7 - микрообъектив; 8 - устройство регистрации лазерного излучения; Ь - измерительная база
Основой предлагаемой конструкции волоконно-оптического тензодатчика растяжения-сжатия является зигзагообразный световод 1, который приклеен на резиновой подложке 2 с помощью полосок клея 3. В средней части между приклеенными участками световод образует петли 4, которые представляют собой первичный преобразователь тензодатчика. Резиновая подложка с помощью клея или других механических устройств 5 крепится на деформируемом объекте контроля. В качестве источника излучения применяется полупроводниковый лазер 6, излучение которого с помощью восьмикратного микрообъек-
тива 7 вводится в волоконный световод. Лазерное излучение, прошедшее волоконный световод излучения, измерялось устройством регистрации излучения 8, в качестве которого использовался ваттметр оптический поглощаемой мощности ОМ3-65. Двухсторонняя стрелка показывает направление деформации резиновой подложки.
В экспериментах в качестве чувствительного элемента использовался многомодовый кварц-кварцевый волоконный световод в полимерной защитной оболочке диаметром 300 мкм с диаметром световедущей сердцевины 50 мкм и диаметром стеклянной оболочки 125 мкм. Диаметр петель был выбран 4... 5 мм, так как проведенные эксперименты показали, что для данного типа волоконного световода при таком радиусе изгиба датчик имеет наибольшую чувствительность. Исследовались датчики с количеством петель от 1 до 20. Измерительная база составляла 20 мм. Работоспособность датчика проверялась в модельных условиях, когда резиновая подложка растягивалась с помощью винтового устройства, а величина растяжения контролировалась индикатором часового типа.
Волоконно-оптический датчик работает следующим образом. При растяжении объекта контроля растягивается и резиновая подложка. В этом случае в волоконном световоде радиус петель уменьшается, что приводит к преобразованию мод и выходу энергии мод высших порядков в защитную полимерную оболочку и поглощению излучения в ней. Вследствие этого поток излучения, попадающий на устройство регистрации излучения, уменьшается.
На рис. 2 приведены зависимости выходного сигнала от деформации растяжения-сжатия для датчика с одним витком и для датчика с 11 витками.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 мм 3
Ь ---------------^
1
2
Рис. 2. Зависимость выходного сигнала тензодатчика от деформации растяжения-сжатия: 1 - для датчика с одним витком; 2 - для датчика с 11 витками
Из графиков видно, что чувствительность датчика с 11 витками в 2 раза выше, чем у датчика с одним витком. Таким образом, для повышения чувствительности одноканального тензодатчика следует увеличивать количество витков на подложке.
Для того чтобы получить более стабильные характеристики тензодатчика и упростить его конструкцию в части облегчение ввода излучения в волоконные световоды, в
работе предлагается многоэлементная многоканальная схема волоконно-оптического тензодатчика. Она представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема многоэлементного многоканального волоконно-оптического тензодатчика на волоконно-оптическом жгуте: 1 - волоконно-оптический жгут; 2 - резиновая подложка; 3 - клей; 4 - волоконные петли; 5 - устройство для крепления волокна на контролируемом объекте; 6 - источник излучения; 7 - устройство регистрации излучения; Ь - измерительная база
Первичным преобразователем и устройством для передачи излучения от источника к фотоприемнику этого тензодатчика является волоконно-оптический жгут 1, содержащий много отрезков кварц-кварцевого волоконного световода в полимерной защитной оболочке диаметром 300 мкм с диаметром сердцевины 50 мкм и диаметром стеклянной оболочки 125 мкм. На концах жгута волокна собраны и склеены вместе в виде цилиндра, а в средней части оптические волокна не соединены друг с другом и по отдельности приклеены к резиновой подложке 2 с помощью клея 3. В этой части между приклеенными участками каждый из отрезков световода образует одну петлю 4 диаметром 4... 5 мм. Таким образом, каждый отдельный отрезок световода представляет собой одноканальный изгибный датчик. Резиновая подложка с помощью клея или других механических устройств 5 крепится на деформируемом объекте контроля.
В качестве источника излучения 6 в экспериментах использовались полупроводниковый лазер, лампа накаливания и светодиод, которые непосредственно без всяких согласующих устройств приставлялись к входному концу волоконно-оптического жгута. В качестве приемника излучения 7 использовался ваттметр оптический поглощаемой мощности ОМ3-65.
Принцип работы этого тензодатчика совершенно одинаковый, как и для одноканального многоэлементного, который описан выше.
Зависимость выходного сигнала от деформации растяжения-сжатия для многоканального тензодатчика с лазером и ИК-светодиодом в качестве источника излучения представлена на рис. 4.
Из графиков видно, что чувствительность датчика с лазером в качестве источника излучения ниже, чем с ИК-светодиодом. Это объясняется тем, что при применении высоконаправленного лазера в качестве источника излучения преимущественно возбуждаются моды низких порядков, а моды высших порядков волоконных световодов возбуждаются не в полной мере. А именно моды высших порядков преобразуются в излучательные моды световода и в большей степени влияют на чувствительность датчика.
1
отн.ед.
0,9
А
0,8
Рвых
0,7
0,6
0 0,5 1 1,5 2 2,5 мм 3
L ------------►
Рис. 4. Зависимость выходного сигнала тензодатчика от деформации растяжения-сжатия при использовании различных источников излучения: 1 - лазер; 2 - ИК-светодиод
Следовательно, для создания высокочувствительных многоканальных волоконно-оптических тензодатчиков предпочтительнее использование некогерентных источников излучения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики / T. Окоси, K. Окамото, M. Оцу ; под ред. Т. Окоси. -Л. : Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.
2. Красюк, Б. А. Оптические системы связи и световодные датчики. Вопросы технологии / Б. А. Красюк, Г. И. Корнеев. - М. : Радио и связь, 1985. - 192 с.
3. Бусурин, В. И. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения / В. И. Бусурин, Ю. Р. Носов. - М. : Энергоатомиздат, 1990 - 256 с.
4. Donlagic, D. Fiber-optic microbend sensor structure / D. Donlagic, M. Zavrsnik // Opt.Lett. - 1997. -Vol. 22, № 11. - P. 837-839.
5. Tunable fiber grating fabricated in photonic crystal fiber by use of mechanical pressure / J. H. Lim [etc.] // Opt.Lett. - 2004. - Vol. 29, № 4. - P. 331-333.
6. Ivanov, O. V. Wavelength shift and split of cladding mode resonances in microbend long-period fiber gratings under torsion / O. V. Ivanov // Opt. Commun. - 2004. - Vol. 232, № 1-6. - P. 159-166.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 20.10.2005
V.I. Borisov, E.M. Silutina, I.V. Shilova The multiple-unit fiber-optic sensor of the deformation
Belarusian-Russian University
Two schemes of the multiple-unit fiber-optic sensor of the deformation the sprain-compressions allowing enlarge sensitivity and use noncoherent sources of radiation for excitement the optical fibers is presented.
1
2
