Волоконно-оптический соединитель

Полезная модель относится к области волоконно-оптических средств передачи сигналов и может быть использована для систем встроенного контроля конструкций или объектов из полимерных композиционных материалов в которые заложены волоконно-оптические и электрические сенсоры, датчики или актюаторы. Предложен волоконно-оптический соединитель, интегрируемый в конструкцию из слоистого полимерного композиционного материала, состоящий из двух частей, одна из которых - съемная трубка-втулка, вторая - несъемная, содержащая центрирующую трубку и расположенную в ней трубку-втулку, выполненные из электрически не проводящего керамического материала, в трубках-втулках размещено оптическое волокно без защитной оболочки. Причем на внутреннюю и внешнюю поверхности центрирующей трубки и внешние поверхности трубок-втулок нанесено электропроводящее покрытие, обеспечивающее одновременный оптический и электрический контакты съемной и несъемной частей соединителя, а на съемной части дополнительно расположены электропроводящие фиксаторы. Электропроводящее покрытие выполнено из металла или углерода (графита). Внутренние поверхности центрирующей трубки и внешние поверхности трубок-втулок покрыты электропроводящим покрытием полностью или частично. Плоскость контакта оптических волокон расположена под углом 5-15° относительно оси, направленной перпендикулярно оптическому волокну. Технический результат: осуществляет одновременную передачу оптических и электрических сигналов в оптическое волокно и электрические провода. Устройство позволяет осуществлять контроль и определять прочностные и иные характеристики конструкции из полимерных композиционных материалов.

Полезная модель относится к области волоконно-оптических средств передачи сигналов и может быть использована для систем встроенного контроля конструкций или объектов из полимерных композиционных материалов в которые заложены волоконно-оптические и электрические сенсоры, датчики или актюаторы.

Известен волоконно-оптический соединитель для осуществления коммутации оптического волокна подводимого кабеля с оптическим волокном, интегрированным в композиционный материал, выполненный в виде съемного адаптера, прикрепляемого к композиционному материалу (патент США 5299273).

Недостатками данного волоконно-оптического соединителя являются его большие габариты и то, что предложенное решение реализуется без жесткого постоянного крепления к композиционному материалу, и в случае отсутствия адаптера возможен скол выходящего оптического волокна.

Известен волоконно-оптический соединитель, осуществляющий коммутацию оптического волокна внутри конструкции из композиционного материала на основе метода физической сварки сердцевин оптического волокна. Для проведения таких операций в конструкции из композиционного материала предусматривается система колодцев, внутри которых производится сварка оптического волокна, с последующим их закрытием монослоями композиционного материала. Основным преимуществом является надежность и качество оптического соединения (патент США 7542632).

Недостатком данного волоконно-оптического соединителя является невозможность быстрого подключения или отключения оптического кабеля от конструкции из композиционного материала, отсутствие электрического канала и существенное снижение свойств конструкции из-за нарушения непрерывности структуры армирующих волокон композиционного материала в зоне колодцев.

Известен волоконно-оптический соединитель, реализующий функцию электрического соединителя, где для коммутации используется конструкция из диэлектрического материала с направляющими, фиксирующими геометрическое расположение коммутационных каналов, расположенных в ряд. В данных коммутационных каналах могут располагаться оптические волокна или электрические проводники для осуществления электрического контакта (патент США 5367593).

Недостатком данного соединителя являются его габариты, что не позволяет его использование в составе конструкции из композиционного материала, такой соединитель можно использовать только в виде прикрепляемого накладного элемента, что влечет за собой дополнительные сложности по его интеграции в структуру конструкции и прокладке к нему оптических и электрических каналов внутри конструкции из композиционного материала. Он не может быть изготовлен в процессе изготовления композиционного материала.

Известен волоконно-оптический соединитель, с возможностью одновременного электрического соединителя, выполненный в виде классического волоконно-оптического соединителя, с прикрепляемой к его боковой наружной поверхности корпуса приставки в виде электрического соединителя (патент США 5473715).

Недостатком волоконно-оптического соединителя является невозможность его применения в составе конструкции из композиционного материала без создания специализированных мест в композиционном материале для его закрепления на поверхности конструкции.

Известен волоконно-оптический соединитель, выполняющий одновременно функцию электрического соединителя, где вокруг оптической части соединителя размещен электрический соединитель, соединяющийся в процессе коммутации оптической части (патент США 4721358).

Недостатком данного гибридного соединителя является невозможность его применения в составе конструкции из композиционного материала в виду его габаритных особенностей, не позволяющих в процессе изготовления конструкции из композиционного материала встраивать данный соединитель.

Известно устройство, предназначенное для вывода оптического волокна из конструкции с использованием гибкой трубки для защиты от излома оптического волокна. Оптическое соединение происходит внутри гибкой трубки во внутренней керамической трубке-втулке (внутренним диаметром 0,1 дюйма (2,54 мм)), центрирующей оптическое волокно. Часть гибкой трубки находится внутри конструкции, а часть вне конструкции, трубка предохраняет проходящее через нее оптическое волокно от возможных критических радиусов перегиба (патент США 6840683).

Недостатком данного устройства вывода оптического волокна из конструкции является отсутствие передачи электрических сигналов по проводникам в составе данного коммутационного устройства, достаточно большой диаметр защитной гибкой трубки, что снижает прочностные характеристики конструкции, за счет возникновения концентратора механических напряжений.

Наиболее близким по технической сущности и назначению и принятым за прототип является волоконно-оптический соединитель, интегрированный в конструкцию из полимерного композиционного материала, состоящий из двух частей, одна из которых - съемная трубка-втулка и несъемная, содержащая центрирующую трубку и расположенную в ней трубку-втулку, выполненные из электрически не проводящего керамического материала, в которые вставлено оптическое волокно без защитной оболочки. Центрирующая трубка вставлена в свою очередь в защитную трубку. Подключение (или отключение) происходит путем поступательного прямолинейного движения внешней трубки-втулки внутри центрирующей трубки к (или от) внутренней трубке-втулке (патент США 6547448).

Недостатком данного устройства является отсутствие электрических контактов в составе данного соединителя, что не позволяет осуществлять передачу (или прием) электрических сигналов в электрические датчики (или устройства актюирования), расположенные внутри конструкции из полимерного композиционного материала. Существенно большой диаметр центрирующей трубки (2,54 мм), по сравнению с толщиной монослоя композиционного материала конструкции (0,1-0,2 мм), снижает прочностные характеристики конструкции за счет возникновения концентратора механических напряжений.

Отсутствует механизм фиксации разъема в соединенном положении, так как отключение происходит простым поступательным движением внешнего оптического кабеля в направлении от соединителя, в качестве силы противодействия используется сила трения плотной центрирующей трубки.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка встраиваемого волоконно-оптического соединителя, позволяющего осуществлять одновременный экранированный электрический и оптический контакт для передачи оптических и электрических сигналов в оптическое волокно и электрические провода интегрированные в конструкцию из полимерного композиционного материала, предназначенный для использования в системах встроенного контроля конструкций или объектов из полимерных композиционных материалов.

Для решения поставленной задачи предложен волоконно-оптический соединитель, интегрируемый в конструкцию из слоистого полимерного композиционного материала, состоящий из двух частей, одна из которых съемная трубка-втулка и несъемная, содержащая центрирующую трубку и расположенную в ней трубку-втулку, выполненные из электрически не проводящего керамического материала, в трубках-втулках размещено оптическое волокно без защитной оболочки, отличающийся тем, что на внутреннюю и внешнюю поверхности центрирующей трубки и внешние поверхности трубок-втулок нанесено электропроводящее покрытие, обеспечивающее одновременный оптический и электрический контакты съемной и несъемной частей соединителя, а на съемной части дополнительно расположены электропроводящие фиксаторы.

Электропроводящее покрытие выполнено из металла или углерода (графита).

Внутренние поверхности центрирующей трубки и внешние поверхности трубок-втулок покрыты электропроводящим покрытием полностью или частично.

Электропроводящее покрытие может быть нанесено методом напыления, методом осаждения или из расплава.

Плоскость контакта оптических волокон расположена под углом 5-15° относительно оси, направленной перпендикулярно оптическому волокну.

Электропроводящие фиксаторы могут быть выполнены в виде лапок-защелок или в виде резьбового соединения.

Съемная часть может быть помещена в корпус из диэлектрического материала.

На фигурах 1 и 2 представлена схема волоконно-оптического соединителя, где:

1 - полимерный композиционный материал;

2 - центрирующая трубка;

3 - часть оптического волокна, находящегося в полимерном композиционном материале;

4 - трубки-втулки;

5 - электропроводящие фиксаторы;

6 - часть оптического волокна, находящегося на съемной части соединителя;

7, 9 - электрический проводник, соединяющий внешнюю поверхность трубок-втулок с электрическим устройством;

8, 10 - электрический проводник, соединяющий внешнюю поверхность центрирующей трубки и электрического фиксатора с электрическим устройством;

11 - корпус из диэлектрического материала;

12 - оптическое устройство (сенсор);

13 - электрическое устройство (сенсор или актюатор).

На фигуре 3 изображена центрирующая трубка с нанесенным электропроводящим покрытием, где 2-1 электропроводящее покрытие на внешней поверхности центрирующей трубки, 2-2 - электропроводящее покрытие на внутренней поверхности центрирующей трубки.

Центрирующую трубку 2 с внутренним диаметром 1,25 мм помещают в структуру конструкции из полимерного композиционного материала 1, в которой методом физического контакта соединяют две керамические трубки-втулки 4 с внешним диаметром 1,25 мм и внутренним отверстием диаметром 0,125 мм, в котором находится оптическое волокно 3 без защитной оболочки. Зону оптического контакта выполняют с углом от 5 до 15 градусов от направления, перпендикулярного оси оптического волокна, для обеспечения совпадения сегментов электрических контактов 7 и 9 внутри экранирующего контакта 8 и 10, состоящих из внешнего покрытия центрирующей трубки и контактов фиксаторов 5, соединенных с экранирующим контактом 10.

Коммутацию производят посредством поступательного движения внешней части конструкции соединителя, состоящей из внешней трубки-втулки 4, расположенной на съемной части соединителя, контактов защелок 5 и корпуса 11 из диэлектрического материала, до плотного соприкосновения керамических трубок-втулок 4 внутри центрирующей трубки 2 с возникновением оптического контакта в зоне соприкосновения оптических волокон 3 и 6, и возникновением электрического контакта на цилиндрической поверхности соединителя: для сигнального электрического контакта происходит соприкосновение внешней поверхности трубки-втулки и внутренней поверхности центрирующей трубки 2-2; для общего электрического контакта происходит соприкосновение контактов фиксаторов 5 и внешней поверхности центрирующей трубки 2-1.

Волоконно-оптический соединитель располагают между монослоев полимерного композиционного материала 1, оптическое волокно подключают к устройству 12, а электрические провода 7, 8, 9, 10 подводят к электрическому устройству 13, и располагают внутри композиционного материала между монослоями.

Процесс коммутации осуществляют последовательным поступательным движением внешней части соединителя во внутреннюю часть соединителя до образования оптического и электрического контакта, с одновременной фиксацией соединителя фиксирующим контактом.

Подают на электрическое устройство 13 переменное управляющее напряжение определенной амплитуды и частоты через волоконно-оптический соединитель. Подключают оптический кабель через соединитель к мониторинговой системе. В результате воздействия электрического устройства возникают локальные напряжения в конструкции обшивки, которые фиксируют посредством оптического устройства с брэгговской решеткой на мониторинговой системе. На основе зарегистрированных данных оптическим устройством и переданных посредством одного волоконно-оптического соединителя с функцией передачи электрических сигналов могут быть поданы или откорректированы частота или амплитуда управляющего переменного напряжения.

Таким образом, предлагаемое устройство позволит осуществлять одновременную передачу оптических и электрических сигналов в оптическое волокно и электрические провода, интегрированные в конструкцию из полимерного композиционного материала. Устройство позволяет осуществлять контроль и определять прочностные и иные характеристики конструкции из полимерных композиционных материалов.

1. Волоконно-оптический соединитель, интегрируемый в конструкцию из слоистого полимерного композиционного материала, состоящий из двух частей, одна из которых - съемная трубка-втулка, вторая - несъемная, содержащая центрирующую трубку и расположенную в ней трубку-втулку, выполненные из электрически не проводящего керамического материала, в трубках-втулках размещено оптическое волокно без защитной оболочки, отличающийся тем, что на внутреннюю и внешнюю поверхности центрирующей трубки и внешние поверхности трубок-втулок нанесено электропроводящее покрытие, обеспечивающее одновременный оптический и электрический контакты съемной и несъемной частей соединителя, а на съемной части дополнительно расположены электропроводящие фиксаторы.

2. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что электропроводящее покрытие выполнено из металла или углерода (графита).

3. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что внутренние поверхности центрирующей трубки и внешние поверхности трубок-втулок покрыты электропроводящим покрытием полностью или частично.

4. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что электропроводящее покрытие может быть нанесено методом напыления, методом осаждения или из расплава.

5. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что плоскость контакта оптических волокон расположена под углом 5-15° относительно оси, направленной перпендикулярно оптическому волокну.

6. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что электропроводящие фиксаторы могут быть выполнены в виде лапок-защелок или в виде резьбового соединения.

7. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что съемная часть может быть помещена в корпус из диэлектрического материала.