Волоконно-оптический сенсор растяжения
Полезная модель - относится к волоконно-оптическим сенсорам для систем мониторинга на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения. Волоконно-оптический сенсор растяжения содержит оптическое волокно, жестко, без проскальзывания, связанное с плотным полимерным покрытием, отличающийся тем, что плотное полимерное покрытие армировано жестко связанными с ним арамидными нитями, расположенными параллельно оси оптического волокна. Плотное полимерное покрытие может быть изготовлено из светоотверждаемой композиции, иметь круглое сечение и быть армированным тремя нитями, расположенными в сечении в вершинах равностороннего треугольника.
Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров.
Известны волоконно-оптические распределенные сенсоры, предназначенные для мониторинга различных объектов, работа которых основана на регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, например, волоконно-оптические датчики измерения распределения температуры, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (эффект Рамана), в которых амплитуда рассеянного сигнала зависит от температуры (URL: http://temperatures.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury, дата обращения 13/08/2014; URL: http://www.thermal-rating.com/Menu/About+LIOS/LIOS+Technology+Russian, дата обращения 13/08/2014; URL: http://www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/, дата обращения 13/08/2014; патент на полезную модель РФ 
65223, опубликован 27/07/2007). Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Манделыптама-Бриллюэна) (URL: http://nepa-ru.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, дата обращения 13/08/2014; URL: http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/, дата обращения 13/08/2014).
Известен 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 «Soil-embedded fiber optic strain sensor for detection of differential soil displacement)) рисунок 3 b). Сенсор состоит из специального оптического волокна в плотном полимерном покрытии, армирующих покрытий, в числе которых, есть продольно сваренная трубка из нержавеющей стали, герметично запечатывающая оптическое волокно и повышающая стойкость сенсора к раздавливанию. Наружная оболочка сенсора из термопластичного материала дополнительно армирована проволочной броней из круглых стальных проволок.
Известен «Волоконно-оптический сенсор», предназначенный для систем мониторинга на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, представленный в патенте на полезную модель РФ 125705, опубликованном 10/03/2013. Сенсор содержит, по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, металлические армирующие покрытия и наружную оболочку из термопластичного материала, отличающейся тем, что армирующее покрытие, расположенное плотно поверх полимерного покрытия оптического волокна, выполнено из ламинированной с двух сторон металлической ленты.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели решением (прототипом) является техническое решение, представленное в патенте на полезную модель РФ 133303 «Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций», опубликованном 10/10/2013. Сенсор содержит по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, одинаковые прямые продольные силовые элементы, и наружную защитную полимерную оболочку, и отличается тем, что оптическое волокно жестко связано с наружной защитной полимерной оболочкой, наружная оболочка имеет широкую сторону, обеспечивающую механический контакт с объектом мониторинга, а силовые элементы образуют плоскость параллельную широкой стороне наружной оболочки и защищают расположенное между ними оптическое волокно от раздавливающей нагрузки, действующей перпендикулярно широкой стороне наружной оболочки. В частности, сенсор содержит два круглых силовых элемента, расположенных центрально симметрично относительно оптического волокна, а наружная оболочка имеет прямоугольную форму.
Представленное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому, из числа известных по совокупности признаков. К недостатком известного решения следует отнести высокую собственную жесткость силовых элементов, что ухудшает метрологические характеристики сенсора, так как сила сопротивления удлинению сенсора может оказывать влияние на измеряемую деформацию контролируемого объекта. Недостатком известного сенсора является также то, при его изгибе в плоскости, образованной продольными силовыми элементами, возникает их значительная деформация удлинения/сжатия, что приводит к возникновению силы сопротивления такой деформации, которая ограничивает минимальный радиус такого изгиба. Другим недостатком известного технического решения является также и асимметрия конструкции сенсора, которая ухудшает метрологические характеристики сенсора, по причине невозможности разделения удлинения оптического волокна вследствие растяжения сенсора и вследствие изгиба сенсора. По указанным выше причинам, использование известного сенсора затруднено в случаях, когда предполагается его изгиб, например, для мониторинга деформации конструкций сложной формы или в качестве составного элемента сенсоров более сложных конструкций, содержащих, например, скрутку своих элементов.
Поставленная задача состояла в разработке конструкции сенсора растяжения с меньшей величиной сопротивления растяжению, с меньшей величиной сопротивления изгибу и повышенной точностью измерения, за счет отсутствия удлинения оптического волокна при изгибе сенсора.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор растяжения для систем мониторинга на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения, содержит оптическое волокно, жестко, без проскальзывания, связанное с плотным полимерным покрытием, и отличается тем, что плотное полимерное покрытие армировано жестко связанными с ним арамидными нитями, расположенными параллельно оси оптического волокна.
В частности покрытие может быть выполнено из светоотверждаемой композиции, может иметь круглое сечение, армированное тремя нитями, расположенными в поперечном сечении на одинаковом расстоянии от оси оптического волокна в вершинах равностороннего треугольника.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображено сечение волоконно-оптического сенсора растяжения, содержащего оптическое волокно 1, в плотном полимерном покрытии 2, армированное арамидными нитями 3.
Регистрация распределения деформации растяжения по длине того или иного объекта мониторинга может быть осуществлена на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения по длине оптического волокна, механически связанного с объектом мониторинга. Однако применение для этой цели непосредственно оптического волокна, в качестве сенсора, затруднительно в силу его недостаточной прочности. Даже применение оптического волокна в плотном полимерном покрытии бывает недостаточно по тем же причинам, поскольку сопротивление удлинению обусловлено в основном упругостью оптического волокна. Применение дополнительных наружных армирующих покрытий часто ограничивается недостаточной механической связью последних с плотным полимерным покрытием оптического волокна. Лучшие результаты связаны с применением жестких силовых элементов, но которые, в то же время, значительно увеличивают собственную жесткость сенсора.
Армирование арамидными силовыми нитями плотного полимерного покрытия оптического волокна непосредственно в процессе его нанесения решает поставленную задачу дозированного увеличения сопротивления сенсора растяжению, при сохранении высокой гибкости сенсора и отсутствии дополнительного растяжения оптического волокна при изгибе сенсора, что повышает в целом точность измерений. Такой упрочненный сенсор может применяться как самостоятельно, так и в качестве элемента более сложной конструкции.
Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления сенсора на существующем кабельном оборудовании, с применением известных, промышленно выпускаемых материалов. Так плотное полимерное покрытие оптического волокна может быть изготовлено методом холодной экструзии с применением светоотверждаемых полимерных композиций.
1. Волоконно-оптический сенсор растяжения для систем мониторинга на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения, содержащий оптическое волокно, жёстко, без проскальзывания, связанное с плотным полимерным покрытием, отличающийся тем, что плотное полимерное покрытие армировано жёстко связанными с ним арамидными нитями, расположенными параллельно оси оптического волокна.
2. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что покрытие выполнено из светоотверждаемой композиции.
3. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что покрытие имеет круглое сечение и армировано тремя нитями, расположенными в поперечном сечении на одинаковом расстоянии от оси оптического волокна в вершинах равностороннего треугольника.
