ВКВО-202 3 СТЕНДОВЫЕ
РАЗРАБОТКА МЕМБРАННОГО ДАТЧИКА ВИБРАЦИИ НА ОСНОВЕ ЗАКРЕПЛЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
Измерение ускорения имеет большое значение во многих областях применения, таких как мониторинг состояния гражданской инфраструктуры, освоение космоса и нефтегазовая промышленность [1-3]. Обычные датчики, используемые для измерения ускорения, обычно представляют собой пьезоэлектрические [4] и емкостные преобразователи, которые обнаруживают движение по току, генерируемому инерционными силами в чувствительных материалах. Однако, они имеют ряд недостатков, к которым относятся низкая температурная стабильность и подверженность электрическим наводкам.
Использование волоконно-оптических устройств для реализации датчиков вибрации позволяет преодолеть ограничения, упомянутые ранее, и обладает следующими преимуществами: взрыво- и пожаробезопасность, помехоустойчивость и стойкость к воздействию агрессивных сред. Среди различных вариантов реализации волоконно-оптических датчиков вибрации наиболее перспективными считаются датчики, основанные на волоконных брэгговских решетках (ВБР).
Работа посвящена теоретическому исследованию конструкции датчика вибрации на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР). Общий вид датчика приведен на рисунке 1. Он состоит из двух инертных масс, которые соединены друг с другом с помощью нескольких мембран и оптического волокна с ВБР. При воздействии на датчик вибрации инертные массы растягивают оптическое волокно и меняет период ВБР. В результате наблюдается изменение длины волны отраженного сигнала.
Проведено численное исследование нагружения вибрационного датчика методом конечных элементов.
В качестве граничных условий на основании датчика установлены гармонические колебания с разными частотами (рисунок 2 а): иг=А$,т(Ш) где иг - смещение основания датчика по координате г, А - амплитуда колебаний, (о=2иу - циклическая частота колебаний, у - частота колебаний. Перемещения в плоскости ХУ отсутствуют.
Расчетная область дискретизировалась сеткой, представленной на рисунке 2 б). Для лучшего разрешения деформаций и удлинения волокна сетка на мембране и волокне была уплотнена.
1* 1 1 12 Сафарян К.А. , Голдобин А.А. , Мельников Р.М. , Трефилов И.А. '
1 Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь
2 ООО «Инверсия-Сенсор», г. Пермь * E-mail: k.safaryan2000@yandex.ru DO110.24412/2308-6920-2023-6-466-467
Рис. 1. Общий вид датчика а) снаружи, б) внутри
ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ
Рис. 2. а) граничные условия б) расчетная сетка
В результате исследования получена собственная частота датчика (рисунок 3), которая составила 434 Гц. Определено изменение длины волны при воздействии вибраций на датчик (рисунок 4). Чувствительность датчика составила 86 пм^.
V, Гц
Рис. 4. Зависимость изменения длины волны от частоты колебаний при заданном ускорении 10g
Литература
1. Lopez-Higuera J.M. et al. Fiber optic sensors in structural health monitoring //Journal of lightwave technology. -2011. - Т. 29. - №. 4. - С. 587-608
2. Ecke W. et al. Fibre optic sensor network for spacecraft health monitoring //Measurement Science and Technology. - 2001. - Т. 12. - №. 7. - С. 974
3. Rong Q., Qiao X FBG for oil and gas exploration //Journal of Lightwave Technology. - 2019. - Т. 37. - №. 11. -С. 2502-2515
4. Zhang S. et al. Piezoelectric accelerometers for ultrahigh temperature application //Applied Physics Letters. -2010. - Т. 96. - №. 1. - С. 013506