Устройство измерения деформаций протяженных объектов
Устройство измерения деформаций протяженных объектов относится к измерительной технике, использующее волоконно-оптический интерферометр для непрерывного измерения деформаций протяженных объектов, и может быть использовано в сеймоакустике, строительстве, инженерной геодезии и в геофизике. Технический результат - непрерывный мониторинг протяженных объектов без снижения чувствительности, компактное исполнение длиннобазового волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера, обеспечивающее высокую помехозащищенность, при установке и эксплуатации устройства не требуются дополнительные материальные затраты. Устройство измерения деформаций протяженных объектов содержит герметичный корпус, в котором размещены полупроводниковый лазер, волоконно-оптические разветвители, одномодовые волоконные световоды, образующие интерферометр Маха-Цендера. В корпусе дополнительно размещен разъемный цилиндр, одна половина которого выполнена с возможностью перемещения, а вторая жестко закреплена в корпусе. Устройство дополнительно содержит стойку, которая фиксируется в первой точке поверхности контролируемого объекта и на которой закреплен первый конец троса, другой конец троса прикреплен к подвижной половине цилиндра. Корпус снабжен стойкой для его крепления во второй точке поверхности контролируемого объекта. Волоконный световод измерительного плеча интерферометра Маха-Цендера намотан виток к витку на разомкнутый цилиндр. Волоконный световод опорного плеча интерферометра Маха-Цендера размещен в непосредственной близости от световода измерительного плеча для снижения влияния флуктуации температуры на работу устройства. Для регистрации выходного сигнала интерферометра в корпусе размещен фотоприемник. 1 ил.
Устройство измерения деформаций протяженных объектов относится к измерительной технике, использующее волоконно-оптический интерферометр для непрерывного измерения деформаций протяженных объектов, и может быть использовано в сеймоакустике, строительстве, инженерной геодезии и в геофизике.
Известны лазерные интерферометры-деформографы (SU 1392364 А1 МПК G01B 21/00, приоритет с 1988 г.), позволяющие измерят деформацию объекта. Принцип действия данных устройств состоит в том, что при изменении базы деформографа, изменяется оптический путь лазерного луча. Изменение оптического пути приводит к изменению фазы волны лазерного излучения вследствие дополнительного фазового набега. Данное устройство содержит лазер, светоделитель, два отражателя, образующих двухплечевой оптический интерферометр, который измеряет положение объекта. Система отрицательной обратной связи, содержащая фотоэлектрический преобразователь, усилитель отрицательной обратной связи и пьезопривод, подстраивает положение отражателя так, чтобы сохранить неизменной разность оптических плеч интерферометра.
Недостаток этого устройства заключается в его больших весовых, габаритных характеристиках и низкой помехозащищенности. Кроме того, установка и настройка такого устройства трудоемка и требует специальных знаний.
Известно устройство для измерения деформаций на основе волоконно-оптического двух плечевого интерферометра (D. Inaudi, A. Elamari, L. Pflug, N. Gisin, J. Breguet, S. Vurpillot. Low-coherence deformation sensors for the monitoring of civil-engineering structures, Sensor and Actuators A, (1994), V. 44, p.125-130.). Принцип действия данного устройства состоит в том, что при изменении длины волоконно-оптического световода, изменяется оптический путь луча распространяющегося по световоду одного из плеч интерферометра. Для определения величины удлинения на выходе из интерферометра расположен второй интерферометр с системой механической подстройкой длины одного из плеч интерферометра. Данное устройство содержит лазер, волоконно-оптические Y-разветвители, герметичную пластичную трубку, в которой размещены оба плеча интерферометра, один световод закреплен на концах трубки, портативное считывающее устройство, в котором размещен второй двухплечевой интерферометр и система механического смещения зеркала, расположенного на выходе одного из световодов.
Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
К недостаткам этого устройства можно отнести следующее. Во-первых, процесс сбора данных трудоемок и требует специальной настройки аппаратуры, что исключает возможность непрерывного мониторинга. Во-вторых, измерительный интерферометр размещается непосредственно на поверхности контролируемого объекта, что ухудшает помехозащищенность и требует принятия дополнительных мер защиты световода.
Задача полезной модели - создание устройства измерения деформаций протяженных объектов, которое обеспечивает непрерывный мониторинг протяженных объектов без снижения чувствительности, с обеспечением высокой помехозащищенности, а так же не требующего дополнительных материальных затрат при его установке и эксплуатации.
Устройство измерения деформаций протяженных объектов содержит герметичный корпус, в котором размещены полупроводниковый лазер, волоконно-оптические разветвители, которые с одномодовыми волоконно-оптическими световодами образуют интерферометр Маха-Цендера. В корпусе дополнительно размещен разомкнутый цилиндр, одна половина которого выполнена с возможностью перемещения, а вторая жестко закреплена в корпусе. Устройство дополнительно содержит стойку, которая фиксируется в первой точке поверхности контролируемого объекта и на которой закреплен первый конец троса, другой конец троса прикреплен к подвижной половине цилиндра, которая размещена в герметичном корпусе. Корпус снабжен стойкой для его крепления во второй точке поверхности контролируемого объекта. Волоконно-оптический световод измерительного плеча интерферометра Маха-Цендера намотан виток к витку на разомкнутый цилиндр. Волоконно-оптический световод опорного плеча интерферометра Маха-Цендера размещен в непосредственной близости от световода измерительного плеча для снижения влияния флуктуации температуры на работу устройства. Для регистрации выходного сигнала интерферометра в корпусе размещен фотоприемник.
Признаки отличительной части формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи:
признак «интерферометр размещен в герметичном корпусе» - позволяет повысить помехозащищенность и стабильность работы измерительного устройства, а также упростить монтаж устройства, его обслуживание и обеспечить непрерывный мониторинг;
признак «волоконно-оптический световод измерительного плеча интерферометра намотан на разомкнутый цилиндр, одна часть которого размещена в одной точке контролируемого протяженного объекта, а другая часть крепится к одному концу троса, другой конец которого закреплен в другой точке объекта»
- позволяет увеличить длину измерительной базы до 100 м, легко изменять ее длину и чувствительность, обеспечивая универсальность и мобильность устройства.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в компактном исполнении длиннобазового волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера, повышении помехозащищенности и увеличении измерительной базы, в упрощении монтажа устройства и обслуживания, все это обеспечивает непрерывный мониторинг состояния протяженного объекта, в обеспечении возможности изменения чувствительности, диапазона и длины базы измерений, что позволяет говорить об универсальности и повышении мобильности измерительного устройства.
Совокупность существенных признаков заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежом, на котором показана функциональная схема устройства измерения деформаций протяженных объектов. На чертеже позициями обозначены: 1 - стойка для крепления троса, 2 - трос, 3 - герметичный корпус, 4 -подвижная половина цилиндра, 5 - стойка, 6- жестко закрепленная половина цилиндра, 7 - полупроводниковый лазер, 8, 9 - Y-разветвитель, 10 - одномодовый волоконный световод измерительного плеча интерферометра Маха-Цендера, 11 - одномодовый волоконный световод опорного плеча интерферометра Маха-Цендера, 12 - фотоприемник.
Устройство измерения деформаций протяженных объектов содержит герметичный корпус 3, в котором размещены полупроводниковый лазер 7, волоконно-оптические разветвители 8 и 9, одномодовые волоконные световоды 10 и 11, образующие интерферометр Маха-Цендера. В корпусе 3 дополнительно размещен разъемный цилиндр, одна половина 4 которого выполнена с возможностью перемещения, а вторая половина 6 жестко закреплена в корпусе. Устройство дополнительно содержит стойку 1, которая фиксируется в первой точке поверхности контролируемого объекта и на которой закреплен первый конец троса 2, другой конец троса прикреплен к подвижной половине 4 цилиндра, которая размещена в герметичном корпусе 3. Корпус снабжен стойкой 5 для его крепления во второй точке поверхности контролируемого объекта. Волоконно-оптический световод 10 измерительного плеча интерферометра Маха-Цендера намотан виток к витку на разомкнутый цилиндр. Волоконный световод 11 опорного плеча интерферометра Маха-Цендера размещен в непосредственной близости от световода измерительного плеча для снижения влияния флуктуаций температуры на работу устройства. Для регистрации выходного сигнала интерферометра в герметичном корпусе размещен фотоприемник 12.
Работа устройства измерения деформаций протяженных объектов состоит в следующем. Оптическое излучение от полупроводникового лазера 3 направляется в волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера. Мощность излучения, регистрируемая фотоприемником 12 на выходе интерферометра, определяется изменением длины волоконного световода 
lc измерительного плеча, которое связано с расстоянием между точками закрепления устройства, L на поверхности контролируемого объекта следующим выражением:
где: km - коэффициент упругости троса;
kc - коэффициент упругости световода;
N - количество витков световода измерительного плеча.
В результате на выходе устройства появляется электрический сигнал, соответствующий измеряемой деформации контролируемого объекта.
Таким образом, чувствительность устройства определяется коэффициентом упругости троса, который может быть легко изменен, что обеспечивает возможность изменения чувствительности устройства измерения деформаций непосредственно при проведении измерений на контролируемом объекте.
Благодаря тому, что длина троса может доходить до 100 метров, устройство позволяет измерять деформации поверхностей протяженных объектов.
Так как интерферометр размещен в закрытом герметичном корпусе, устройство измерения деформаций имеет высокую надежность и точность измерения при непрерывном режиме измерения.
1. Устройство измерения деформаций протяженных объектов, содержащее источник излучения, корпус со световодами, волоконно-оптический Y-разветвитель, установленный на выходе источника излучения и разделяющий световод на измерительное и опорное плечи, волоконно-оптический Y-разветвитель, установленный на входе принимающего устройства, объединяющий измерительное и опорное плечи световода, отличающееся тем, что источник излучения, принимающее устройство, волоконно-оптические разветвители размещены в корпусе и со световодами образуют интерферометр Маха-Цендера, в корпусе дополнительно размещен разомкнутый цилиндр, одна половина которого выполнена с возможностью перемещения, а вторая жестко закреплена на корпусе, устройство дополнительно снабжено первой стойкой, которая фиксируется в первой точке поверхности контролируемого объекта, корпус дополнительно снабжен стойкой для его крепления во второй точке на поверхности контролируемого объекта, устройство дополнительно снабжено тросом, один конец которого закреплен на первой стойке, другой конец троса прикреплен к подвижной половине цилиндра, световод измерительного плеча интерферометра Маха-Цендера намотан виток к витку на разомкнутый цилиндр, световод опорного плеча интерферометра Маха-Цендера размещен в непосредственной близости от световода измерительного плеча для снижения влияния флуктуации температуры на работу устройства.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется полупроводниковый лазер.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве принимающего устройства используют фотоприемник.
