Волоконно-оптический сенсор деформации с защитой от запредельного растяжения

Полезная модель - относится к волоконно-оптическим сенсорам для систем мониторинга распределения деформаций на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения. Распределенный сенсор - оптический кабель, содержащий, по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, защитную оболочку, и дополнительный элемент защиты от запредельного растяжения, выполненный из полимерной трубки с гибким силовым элементом из синтетических волокон заданного сечения с установленным значением избыточной длины. Технический результат - полезная модель позволяет сохранить высокую чувствительность сенсора в рабочем диапазоне деформаций и предотвратить его разрушение (обрыв) при его запредельном растяжении.

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения.

Известны волоконно-оптические датчики распределения механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна)

(http://nepa-ru.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf;

http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/).

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является волоконно-оптический сенсор деформации, предназначенный для использования в распределенных волоконно-оптических системах мониторинга (4-th International Conference on Structural Health Monitoring on Intelligent Infrastructure (международная конференция SHMII-4) 2009, 22-24 июля, Цюрих, Швейцария доклад M.Iten, F.Ravet, M.Nikles, M.Facchini, T.Hertig, D.Hauswirth, A.Puzrin «Soilembedded fiber optic strain sensor for detection of differential soil displacement» рисунок 3а). Сенсор состоит специального оптического волокна, в плотном полимерном покрытии и содержит дополнительную защитную полимерную оболочку.

Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому, из числа известных по совокупности признаков, к недостаткам которого следует отнести низкую стойкость к растягивающим нагрузкам, которая в процессе изготовления, транспортировки, монтажа, эксплуатации может привести к разрушению сенсора. Простое же упрочнение или армирование защитных оболочек неминуемо приводит к снижению чувствительности сенсора.

Поставленная задача состояла в разработке конструкции сенсора, обеспечивающей высокую чувствительность и низкую упругость в заданном рабочем диапазоне растяжения и, в то же время, защищенной от разрушения при приложении запредельной растягивающей нагрузки.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор, содержащий, по крайней мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии и расположенную плотно, поверх полимерного покрытия, наружную защитную полимерную оболочку, дополнительно содержит, внутри наружной защитной оболочки, элемент защиты от запредельного растяжения, состоящий из полимерной трубки, содержащей гибкий силовой элемент из синтетических волокон, заданного сечения, с установленным значением избыточной длины. Дополнительный элемент защиты от запредельного растяжения имеет минимальную упругость в пределах растяжения сенсора до величины избыточной длины силового элемента. При растяжении сенсора более установленного значения избытка длины силового элемента, упругость сенсора повышается до значений, определяемых характеристиками силового элемента.

Для придания водоблокирующих свойств, свободное внутреннее пространство защитного элемента может быть заполнено гидрофобным гелем

Полезная модель иллюстрируется двумя чертежами. На первом представлено поперечное сечение волоконно-оптического сенсора, содержащего оптические волокна 1, в плотном полимерном покрытии 2, защитный элемент, состоящий из полимерной трубки 3, с расположенными внутри гибкими силовыми элементами 4 и гидрофобным гелем 5, наружную защитную оболочку 6.

На втором чертеже представлена зависимость упругости сенсора от растяжения. Начальная область растяжения соответствует рабочему диапазону с высокой чувствительностью и низким значением сопротивления растяжению. При превышении значения растяжения свыше избыточной длины силового элемента упругость сенсора резко возрастает до значений достаточных для защиты сенсора от разрушения (разрыва).

Избыток длины силового элемента должен соответствовать верхнему значению диапазона чувствительности сенсора. Обычно предельная величина чувствительности сенсора деформации не превышает 1%. Именно таким должен быть избыток длины силового элемента. Упругость силового элемента, определяемая суммарным сечением и упругостью синтетических нитей, должна значительно превышать упругость сенсора в рабочем диапазоне растяжения.

Далее приводятся сведения, подтверждающие промышленную применимость полезной модели.

Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления кабеля-сенсора на существующем, традиционно используемом, кабельном оборудовании, с применением промышленно выпускаемых оптических волокон в плотном полимерном покрытии, и промышленно выпускаемых материалов. Так оболочка защитного элемента может быть изготовлена из полибутилентерефталата, силовые элементы из арамидных (кевлар, тварон) и иных синтетических волокон, а наружная оболочка - из полиэтилена высокой плотности. Требуемая величина избыточной длины силового элемента легко достигается регулированием его натяжения и величиной послеэкструзионной усадки материала полимерной трубки.

В предлагаемой полезной модели достигается возможность сохранить высокую чувствительность сенсора в рабочем диапазоне деформаций и предотвратить его разрушение (обрыв) при его запредельном растяжении.

1. Волоконно-оптический сенсор для систем мониторинга распределения деформаций с защитой от запредельного растяжения, содержащий, по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии и расположенную плотно, поверх полимерного покрытия, наружную защитную полимерную оболочку, отличающийся тем, что внутри наружной защитной оболочки дополнительно размещен элемент защиты от запредельного растяжения, состоящий из полимерной трубки, содержащей гибкий силовой элемент заданного сечения из синтетических волокон, с установленным значением избыточной длины.

2. Волоконно-оптический сенсор по п.1, отличающийся тем, что свободное пространство в элементе защиты от запредельного растяжения дополнительно заполнено гидрофобным гелем.