Универсальный волоконно-оптический модульный телеметрический комплекс, регистрирующий модуль, сенсорная головка и модуль расширения числа оптических каналов
Комплекс относится к области телеметрии физических величин. А именно, с его помощью могут осуществляться многоточечные, квази-распределенные или точечные одновременные измерения любого набора следующих физических величин: давление, в том числе гидростатическое; температура; механические деформации продольного растяжения/сжатия; кручение; изгиб; сдвиг; контактное давление; перемещение; сила; ускорение; вибрация; сейсмические воздействия. Комплекс включает набор согласованных унифицированных модулей: унифицированный регистрирующий модуль (1), унифицированные сенсорные головоки (5), унифицированный модуль расширения числа оптических каналов (4) и унифицированный модуль коммутации оптических каналов (3), соединенных друг с другом посредством оптических (2) и электрических интерфейсов (6). Комплекс обеспечивает точное измерение ряда физических параметров во множестве контролируемых точек. Важной особенностью полезной модели является модульность построения комплекса, что позволяет быстро проводить как монтаж телеметрических систем, так и их ремонт, путем замены унифицированных модулей. Также особенностью изобретения, является большая номенклатура унифицированных сенсорных головок, в частности, в числе заявляемых вариантов унифицированных сенсорных головок заявляются сенсорные головки, чувствительные к перемещению и ускорению, к вибрации и деформациям кручения, изгиба и сдвига.
Заявляемая полезная модель относится к области телеметрии физических величин. А именно, с ее помощью могут осуществляться многоточечные, квази-распределенные или точечные одновременные измерения любого набора следующих физических величин: давление, в том числе гидростатическое; температура; механические деформации продольного растяжения/сжатия; кручение; изгиб; сдвиг; контактное давление; перемещение; сила; ускорение; вибрация; сейсмические воздействия.
При решении ряда технических задач, связанных с комплексной телеметрией агрегатов, узлов и элементов конструкций в условиях повышенной взрывоопасности или пожароопасности, в агрессивных условиях, (химические производства, нефтеперерабатывающие предприятия, газовое хозяйство) в зонах повышенного радиационного фона (АЭС, реакторные отсеки атомоходов, хранилища радиоактивных отходов и т.п.) или под воздействием высоких электромагнитных помех (энергетика, авиация, космонавтика) наиболее перспективными из всех существующих систем являются волоконно-оптические.
Волоконно-оптические телеметрические системы обладают рядом ключевых преимуществ перед всеми остальными системами. В первую очередь их отличает нечувствительность к электромагнитным помехами при высокой точности измерений, электро- и взрыво/пожаро-безопасность, хорошие массогабаритные параметры, способность передавать телеметрическую информацию с малыми энергозатратами на значительные расстояния без дополнительного усиления и промежуточной обработки.
В силу этого, области применения заявляемой полезной модели широки и включают в себя такие отрасли, как авиация и космонавтика, наземный, водный и подводный транспорт, энергетика, в том числе - атомная и термоядерная, металлургия и химическая промышленность, нефтедобыча и газодобыча, трубопроводный транспорт, строительство и др.
Как правило, при телеметрии таких объектов необходимо отслеживать и оперативно обрабатывать не один параметр, а совокупность различных физических величин, таких как давление, температура, вибрация, механические деформации, перемещение, причем, измерения надо проводить во множестве ответственных точек конструкции.
Эта задача может быть решена как с помощью необходимого количества узкоспециализированных сенсорных систем, так и с помощью одного универсального телеметрического комплекса, что гораздо удобнее.
В настоящее время существует большое разнообразие специализированных волоконно-оптических сенсорных систем, измеряющих различные физические параметры, (как наиболее распространенные, назовем - температуру и механические деформации), однако, универсальных измерительных комплексов на волоконно-оптической основе в настоящее время в Российской Федерации не представлено.
На настоящий момент известно значительное количество различных волоконно-оптических сенсорных систем, технические решения такого рода описаны в патентах США 4, 806, 012 G01B 11/16 и 4, 761, 073 G01B 11/16, а также в российских патентах RU 2141102 C1 G01D 5/353 и в заявках RU 2005133274 A H01S 3/30; RU 2001118835 А G01L 1/00 и RU 2006106171 A Е21В 36/00.
Главным недостатком таких сенсорных телеметрических систем является низкая степень универсальности, связанная с недостаточной унифицированностью используемых чувствительных элементов, ограниченностью их номенклатуры, как по рабочим диапазонам измеряемых параметров, так и по условиям эксплуатации и типам измеряемых величин, нечеткими принципами унификации и построения комплекса в целом. Это приводит к значительным сложностям при внедрении таких систем на стадии конструкторской разработки и проектировании, а так же при эксплуатации, обслуживании и ремонте.
Так система, представленная в патенте RU 2141102, позволяет проводить измерения лишь двух параметров, а именно - давления и перепадов температуры, заявляемая в заявке RU 2001118835 - только давления, а заявляемая в заявке RU 2005133274 - деформации и температуры. При этом все системы различны по принципам построения и рабочим параметрам регистрирующих устройств, что не позволяет применять сенсорные элементы системы одного типа вместе с регистрирующим устройством системы другого типа, таким образом, вынуждая потребителя применять несколько сенсорных систем для обеспечения полноты информации в случае, если одна система не способна измерять все требуемые физические величины.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является система, предложенная в патенте RU 2141102. Это диагностическая система с оптическими датчиками, предназначенная для детектирования механических деформаций, перепадов температур.
Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, генерирующий световое излучение с переменной длиной волны, направляя его в
светопроводящее волокно. По длине волокна расположены отражательные датчики, например, типа решеток Брэгга. Датчики пропускают световое излучение с длиной волны, соответствующей пропускным минимумам этих датчиков и изменяющейся под влиянием действующего на них возмущения. Контур перестройки длины волны управляет перестраиваемым источником света, обеспечивая сканирование генерируемого светового излучения в заранее определенной области длин волн с целью индивидуального освещения каждого датчика светом с длиной волны, соответствующей его пропускному минимуму. Мощность этого пропускаемого датчиками светового излучения преобразуется детектором в электрический сигнал, который обрабатывается контуром обработки сигналов. Контур обработки сигналов выявляет провалы профиля мощности светового, излучения, воспринятого детектором, вырабатывает выходные сигналы, несущие информацию о параметрах возмущения, действующего на каждый датчик.
Основными недостатками прототипа являются малое количество измеряемых параметров, отсутствие полной номенклатуры чувствительных элементов для перекрытия значительных диапазонов измерения физических величин, сложность изготовления датчика с необходимыми параметрами в случае выхода из строя одного из элементов.
Применение таких систем на настоящий момент требует от разработчика значительных специальных знаний в области волоконной оптики, длительного поиска и тщательного продумывания сочетаемости элементов, и в большинстве случаев приводит либо к привлечению сторонних организаций, осуществляющих адаптацию систем к конкретным задачам, что сопряжено со значительными расходами, либо к отказу от применения волоконно-оптических систем в пользу традиционных электронных, иногда в ущерб надежности или с проигрышем в полноте информации. Это, с учетом соотношения качественных параметров перспективных и традиционных систем, приносит значительный экономический ущерб, а в ряде применений даже создает угрозу техногенных катастроф.
Таким образом, насколько известно заявителю, на настоящий момент существенным препятствием на пути широкого внедрения прогрессивных волоконно-оптических телеметрических систем в названные отрасли науки, техники и народного хозяйства РФ является отсутствие универсальных волоконно-оптический модульных телеметрических комплексов, удовлетворяющих требованиям удобства в проектировании, эксплуатации и обслуживании.
Существование такого универсального модульного волоконно-оптического телеметрического комплекса, сочетающего в себе указанные ранее основные преимущества волоконно-оптических сенсорных систем, полноту номенклатуры
измеряемых параметров и простоту разработки, применения и обслуживания, позволило бы разработчикам и потребителям самостоятельно принимать решения о составе, способе применения и количестве сенсорных головок, регистрирующих блоков, и других элементов комплекса, построение которого, в таком случае, сводилось бы к приобретению необходимых унифицированных модулей, в соответствии с поставленной задачей и правильном соединении их друг с другом с помощью унифицированных интерфейсов в соответствии с инструкцией. Это даст серьезный толчок в широком распространении и применении прогрессивных волоконно-оптических телеметрических систем.
Эффект от применения такого комплекса состоит в удобстве построения системы на основе стандартизованных унифицированных модулей, что облегчает применение и использование системы, как на стадии разработки, так и в процессе промышленного производства, сборки и установки на объекты, а также, и дальнейшего обслуживания или расширения в процессе эксплуатации. Такая система является более универсальной и более гибкой, чем применение отдельных волоконно-оптических измерительных приборов для измерения каждого вида параметров.
Задачу разработки и создания такого универсального модульного волоконно-оптического телеметрического комплекса решает данная полезная модель.
Полезная модель представляет собой универсальный модульный волоконно-оптический телеметрический комплекс (фиг.1), включающий в себя по меньшей мере один унифицированный регистрирующий модуль (1) и по меньшей мере одну из унифицированных сенсорных головок (5), а также в любых сочетаниях и количествах унифицированные модули расширения числа каналов (4), унифицированные модули коммутации оптических каналов (3), соединенные оптическим интерфейсом (2) друг с другом и электронным интерфейсом (6) с управляющим компьютером, при этом в заявляемом варианте стандартного исполнения все модули, находящиеся в стандартных условиях выполняются в стандартном исполнении, в частности, они могут быть выполнены из комплектующих, специфицированных для работы в стандартных условиях, в частности, волоконные световоды, используемые в качестве связных линий оптического интерфейса (2), являются стандартными связными световодами типа SMF-28 (производства Fujikura), в частности, волоконные световоды, используемые для изготовления чувствительных элементов на основе волоконных брэгговских решеток (далее - ВБР) (13) (фиг.10-15) унифицированных сенсорных головок (5), являются стандартными связными волоконными световодами типа SMF-28 (производства Fujikura); Одним из вариантов исполнения универсального модульного волоконно-оптического телеметрического комплекса (термостойкого исполнения) все унифицированные модули,
находящиеся в зоне действия высокой температуры выполняются в термостойком исполнении, в частности, они могут быть выполнены из комплектующих, предназначенных для работы в условиях повышенной температуры, в частности, они могут быть укомплектованы унифицированными сенсорными головками (5), специфицированными для работы в условиях повышенной температуры, в частности, они могут быть укомплектованы унифицированными сенсорными головками (5), чувствительные элементы на основе ВБР (13) которых специальным образом подготовлены для сохранения своих рабочих характеристик в условиях повышенной температуры, в частности, линии связи оптического интерфейса (2), находящиеся в зоне действия повышенной температуры, могут быть выполнены на основе волоконных световодов, предназначенных для работы в условиях повышенной температуры, в частности, они могут быть выполнены из световодов с термостойким покрытием, в частности, они могут быть выполнены из световодов с термостойким покрытием из металла, в частности, они могут быть выполнены из световодов с термостойким покрытием из медного сплава;
Еще одним из вариантов исполнения универсального модульного волоконно-оптического телеметрического комплекса (радиационно-стойкого исполнения) все унифицированные модули, находящиеся в зоне действия повышенной радиации выполняются в радиационно-стойком исполнении, в частности, они могут быть выполнены из комплектующих, предназначенных для работы в условиях повышенной радиации, в частности, они могут быть укомплектованы унифицированными сенсорными головками (5), специфицированными для работы в условиях повышенной радиации, в частности, они могут быть укомплектованы унифицированными сенсорными головками (5), чувствительные элементы на основе ВБР (13) которых выполнены на основе волоконных световодов с повышенной радиационной стойкостью, в частности, на основе волоконных световодов, радиационная стойкость которых повышена за счет насыщения сетки кварцевого стекла молекулярными газами, в частности, радиационная стойкость которых повышена за счет насыщения сетки кварцевого стекла водородом и/или дейтерием, в частности, чувствительные элементы (13) унифицированных сенсорных головок (5) могут быть специальным образом обработаны для обеспечения сохранения ими своих рабочих характеристик в условиях повышенной радиации, в частности, линии связи оптического интерфейса (2), находящиеся в зоне действия повышенной радиации, могут быть выполнены на основе волоконных световодов, предназначенных для работы в условиях повышенной радиации, в частности, они могут быть выполнены из световодов с радиационно-стойким покрытием, в частности, они могут быть выполнены из световодов
с радиационно-стойким покрытием из металла, в частности, они могут быть выполнены из световодов с радиационно-стойким покрытием из алюминиевого сплава, в частности, волоконные световоды линий связи оптического интерфейса могут быть выполнены радиационно-стойкими, в частности, повышенная радиационная стойкость волоконных световодов может быть достигнута за счет насыщения сетки кварцевого стекла молекулярными газами, в частности, радиационная стойкость может быть достигнута за счет насыщения сетки кварцевого стекла водородом и/или дейтерием;
Унифицированный регистрирующий модуль (фиг.3-6), содержащий источник света (7), оптическую светораспределительную систему (8), диспергирующий элемент (9), фоточувствительный датчик (10), выполненный в соответствии с указанными принципами унификации, при этом, в одном из вариантов (фиг.3), источник света (7) обеспечивает широкий спектр оптического излучения, а диспергирующий элемент (9), расположенный между оптической светораспределительной системой (8) и фотоприемником (10), выполняет роль перестраиваемого оптического фильтра, пропуская на фотоприемник (10) излучение различных спектральных интервалов, в частности, источник света (7) с широким спектром оптического излучения может быть выполнен в виде суперлюминесцентного диода, в частности, он может быть выполнен в виде волоконного суперлюминесцентного источника света, в частности, он может быть выполнен в виде светодиода, в частности, он может быть выполнен в виде лампы накаливания, в частности, он может быть выполнен в виде газоразрядной лампы; в другом заявляемом варианте (фиг.4) источник света (7) также имеет широкий спектр выходного оптического излучения, однако диспергирующий элемент (9), установленный между источником света (7) и оптической светораспределительной системой (8), выполняет роль перестраиваемого фильтра, пропуская через оптическую светораспределительную систему (8) излучение с различной длиной волны; в третьем заявляемом варианте (фиг.5) источник света (7), содержащий в своей конструкции диспергирующий элемент (9), излучает оптический сигнал с узким спектром, длина волны которого перестраивается в соответствии с управляющим сигналом, передаваемым по электронному интерфейсу (6) от компьютера; в четвертом заявляемом варианте (фиг.6) оптический приемник (10) содержит в качестве элемента своей конструкции встроенный диспергирующий элемент (9), являясь, таким образом, интегральным спектрометром.
Унифицированная сенсорная головка (фиг.10-15), содержащая по меньшей мере один чувствительный элемент на основе ВБР (13), устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14), корпус (16), оптический
интерфейс (2), выполненные в соответствии с указанными принципами унификации, при этом:
- в заявляемом варианте термочувствительной сенсорной головки (фиг.10) преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт чувствительного элемента на ВБР (13) с объектом, температура которого контролируется, в частности, он может быть выполнен в виде теплопровода, в частности, он может быть выполнен в виде теплопровода из металла с высокой теплопроводностью, в частности, он может быть выполнен из меди, в частности, он может быть выполнен из алюминия, в частности, он может быть выполнен из диэлектрического материала, в частности, он может быть выполнен из керамики, в частности, он может быть выполнен из кварцевого стекла, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия области волоконного световода с записанной ВБР чувствительного элемента (13), в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из металла, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из стали, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из никеля, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из медного сплава, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из алюминиевого сплава, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из полимерного материала, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из ПММА, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из полиэтилена, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из полистирола, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из силикона, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из фторопласта, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из композиционного материала, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из углепластика, в частности, он может быть выполнен в виде защитного покрытия из стеклопластика;
- в заявляемом варианте сенсорной головки, чувствительной к давлению (фиг.11.) содержится, как минимум, два чувствительных элемента на основе ВБР (13), причем, как минимум, один из них выполнен таким образом, чтобы на него не передавалось измеряемое воздействие, но при этом он находился бы в тепловом контакте со вторым элементом, а преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, чтобы преобразовывать измеряемое давление в контролируемом пространстве в продольную механическую деформацию второго чувствительного элемента (13), в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде упругой мембраны, ограничивающей с одной стороны объем, давление в котором измеряется, в
частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде упругой мембраны, разграничивающей два объема, разница давлений в которых измеряется, в частности, преобразователь физической величины может быть выполнен в виде упругой мембраны из металла, а чувствительный элемент (13) прикреплен к этой мембране одним концом, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде упругой мембраны из металла, а чувствительный элемент (13) прикреплен к этой мембране по всей поверхности, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде мембраны из композиционного материала, а чувствительный элемент (13) помещен внутрь этого материала, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде отрезка трубопровода, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде отрезка трубопровода из металла, а чувствительный элемент (13) закреплен на внешней цилиндрической поверхности перпендикулярно образующей цилиндра, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде отрезка трубопровода из металла, один торец которого заглушен, а чувствительный элемент (13) прикреплен к внешней или внутренней цилиндрической поверхности трубопровода в направлении параллельно образующей цилиндра, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде сильфона, а чувствительный элемент (13) прикреплен к заглушенному торцу сильфона одним концом;
- в заявляемом варианте сенсорной головки чувствительной к гидростатическому давлению (фиг.12.) содержится, как минимум, один чувствительный элемент на ВБР (13), причем, волоконный световод чувствительного элемента обладает значительным двулучепреломлением, при этом, преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, чтобы обеспечить анизотропную передачу внешнего гидростатического давления на поверхность световода чувствительного элемента на ВБР (13), в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока, причем чувствительный элемент (13) помещен внутрь этого блока, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из композиционного материала, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из углепластика, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из стеклопластика, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из полимерного материала, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из полиметилметакрилата (ПММА), в частности, преобразователь физической
величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из каучука, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из поливинилхлорида (ПВХ), в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из полистирола, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из эпоксидного компаунда, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного блока из силикона, в частности, анизотропная передача внешнего давления может быть обеспечена за счет конструктивной формы преобразователя физической величины (14), в частности, анизотропная передача внешнего давления может быть обеспечена за счет эллиптической в поперечном сечении формы преобразователя физической величины (14), причем чувствительный элемент (13) расположен внутри преобразователя физической величины, по продольной оси, причем оптические оси двулучепреломления чувствительного элемента (13) сориентированы внутри относительно осей эксцентриситета эллиптического сечения преобразователя физической величины (14) таким образом, чтобы внешнее воздействие приводило к уменьшению двулучепреломления в чувствительном элементе (13), в частности, анизотропная передача внешнего давления может быть обеспечена за счет эллиптической в поперечном сечении формы преобразователя физической величины (14), причем чувствительный элемент (13) расположен внутри преобразователя физической величины (14), по продольной оси, причем оптические оси двулучепреломления чувствительного элемента сориентированы внутри относительно осей эксцентриситета эллиптического сечения преобразователя физической величины (14) таким образом, чтобы внешнее воздействие приводило к увеличению двулучепреломления в чувствительном элементе (13);
- в заявляемом варианте сенсорной головки, чувствительной к механическим деформациям продольного растяжения/сжатия (фиг.13.) содержится, по меньшей мере, два чувствительных элемента на ВБР (13), причем, один из них размещен таким образом, чтобы на него не передавалась измеряемая механическая деформация продольного растяжения/сжатия от контролируемого объекта, но, в тоже время, он находился бы в тепловом контакте со вторым элементом, причем, преобразователь физической величины (14) сконструирован таким образом, что обеспечивает передачу измеряемой механической деформации продольного растяжения/сжатия от контролируемого объекта ко второму чувствительному элементу (13), преобразуя ее в механическую деформацию продольного растяжения/сжатия чувствительного элемента на ВБР (13), в частности, преобразователь физической величины (14) сконструирован таким образом, что обеспечивает передачу
измеряемой механической деформации продольного растяжения/сжатия от контролируемого объекта при различной форме его поверхности, в частности, при плоской форме поверхности контролируемого объекта, это достигается плоской формой части преобразователя физической величины (14), прикрепляемой к поверхности контролируемого объекта, в частности, при цилиндрической форме поверхности контролируемого объекта это достигается цилиндрической формой части преобразователя физической величины (14), прикрепляемой к поверхности контролируемого объекта, в частности, преобразователь физической величины (14) сконструирован таким образом, что обеспечивает передачу измеряемой механической деформации продольного растяжения/сжатия от контролируемого объекта ко второму чувствительному элементу (13), преобразуя ее в механическую деформацию продольного растяжения/сжатия чувствительного элемента на ВБР (13) с необходимым преобразованием величины, в частности, преобразователь физической величины (14) обеспечивает передачу измеряемой механической деформации продольного растяжения/сжатия от контролируемого объекта ко второму чувствительному элементу (13), преобразуя ее в механическую деформацию продольного растяжения/сжатия чувствительного элемента на ВБР (13) с умножением ее величины на коэффициент усиления Ку, в частности, обеспечиваемый конструкцией преобразователя коэффициент усиления Ку лежит в пределах 0-1 (ослабление), в частности, обеспечиваемый конструкцией преобразователя коэффициент усиления Ку составляет более 1 (усиление), в частности, преобразователь физической величины (14) может быть конструктивной частью устройства фиксации чувствительного элемента (15), осуществляющей механическое соединение между поверхностью контролируемого объекта и вторым чувствительным элементом на ВБР (13), при этом, если продольный по измеряемой механической деформации размер между точками крепления чувствительного элемента (13) к устройству фиксации чувствительного элемента (15) больше, чем продольный по измеряемой механической деформации размер между точками крепления преобразователя физической величины (14) к поверхности контролируемого объекта, имеет место ослабление, и коэффициент усиления Ку, определяемый отношением этих размеров, лежит в пределах 0-1, если продольный по измеряемой механической деформации размер между точками крепления чувствительного элемента (14) к устройству фиксации чувствительного элемента (15) меньше, чем продольный по измеряемой механической деформации размер между точками крепления преобразователя физической величины (14) к поверхности контролируемого объекта, имеет место усиление, и коэффициент усиления Ку, определяемый отношением этих размеров, превышает 1, в частности, устройство фиксации чувствительного элемента (15),
преобразователь физической величины (14) и корпус (16) могут быть конструктивно выполнены в виде монолитного блока из конструктивного материала, причем, чувствительный элемент (13) размещен внутри этого блока, в частности, они могут быть выполнены из композиционного материала, в частности, они могут быть выполнены из углепластика, в частности они могут быть выполнены из стеклопластика, в частности, они могут быть выполнены из полимерного материала, в частности они могут быть выполнены из полиметилметакрилата (ПММА), в частности, они могут быть выполнены из полиэтилена, в частности, они могут быть выполнены из каучука, в частности, они могут быть выполнены из силикона, в частности, они могут быть выполнены из поливинилхлорида (ПВХ), в частности, они могут быть выполнены из эпоксидного компаунда, в частности, они могут быть выполнены из эпоксидного компаунда с наполнителем;
- в заявляемом варианте унифицированной сенсорной головки, предназначенной для одновременного измерения деформаций изгиба, кручении, сдвига и контактного давления (фиг.9.) содержится, по меньшей мере, девять чувствительных элементов (13), причем, четыре из них расположены по четырем вертикальным ребрам преобразователя физической величины (14), выполненного в форме параллелепипеда, другие четыре чувствительных элемента (13) расположены по диагоналям боковых граней параллелепипеда, а один чувствительный элемент (13) размещен таким образом, чтобы он находился в тепловом контакте с остальными чувствительными элементами, но не испытывал на себе никаких механических деформаций, в частности, преобразователь физической величины (14), выполненный в форме параллелепипеда может быть выполнен из упруго-деформируемого материала и представлять из себя единую конструкцию, сочетающую функции преобразователя физической величины (14), устройства фиксации чувствительного элемента (15) и корпуса (16), при этом все чувствительные элементы (13) объединены оптическим интерфейсом (2) в единую измерительную оптическую ветвь, а обработка и анализ сигналов от всех чувствительных элементов (13) позволяет сделать вывод о характере, типе и величине деформации унифицированной сенсорной головки (5), в частности, преобразователь физической величины (14), выполненный в форме параллелепипеда может быть выполнен из металла, в частности, преобразователь физической величины (14), выполненный в форме параллелепипеда может быть выполнен из стали, в частности, преобразователь физической величины (14), выполненный в форме параллелепипеда может быть выполнен из алюминиевого сплава, в частности, преобразователь физической величины (14), выполненный в форме параллелепипеда может быть выполнен из титанового сплава, в частности, преобразователь физической
величины (14), выполненный в форме параллелепипеда может быть выполнен из полимерного материала, в частности, он может быть выполнен из полиметилметакрилата (ПММА), в частности, он может быть выполнен из композиционного материала, в частности, он может быть выполнен из стеклопластика, в частности, он может быть выполнен из углепластика, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде монолитного параллелепипеда, в частности, преобразователь физической величины (14) может быть выполнен в виде полого параллелепипеда;
- в заявляемом варианте акселерометрической и вибрационно-чувствительной головки (фиг.14) содержится, по меньшей мере, два чувствительных элемента на ВБР (13), причем, один из них размещен таким образом, чтобы на него не действовало усилие, передаваемое преобразователем физической величины (14) на второй чувствительный элемент, но, в тоже время он находился бы в одинаковых тепловых условиях с ним, при этом преобразователь физической величины (14) выполнен в виде подвижного массивного инерционного элемента на направляющих, ограничивающих его свободу перемещением вдоль выделенной оси измерения, таким, образом, чтобы под действием измеряемого ускорения происходило перемещение инерционного элемента относительно устройства фиксации чувствительного элемента (15), что приводит к возникновению продольной деформации второго чувствительного элемента (13), одним концом прикрепленного к неподвижному устройству фиксации (15), а другим к преобразователю физической величины (14), в частности, величина свободного хода инерционного элемента может быть ограничена, в частности, величина свободного хода инерционного элемента может быть ограничена специальным ограничителем в пределах, не допускающих обрыва волоконного световода чувствительного элемента на ВБР (13), в частности, величина свободного хода инерционного элемента может быть ограничена упругостью волоконного световода чувствительного элемента на ВБР (13), в частности, величина свободного хода может быть ограничена упруго-деформируемым элементом конструкции устройства фиксации (15), в котором полностью закреплен чувствительный элемент на ВБР (13), в частности, упруго-деформируемый элемент конструкции может быть выполнен в виде пружины, в частности, упруго-деформируемый элемент может быть выполнен в виде плоской пластины, а чувствительный элемент (13) может быть прикреплен на поверхности по оси этой пластины таким образом, чтобы, действующее ускорение приводило к изгибу пластины, и растяжению/сжатию чувствительного элемента на ВБР (13), в частности, упруго-деформируемый элемент может быть выполнен в виде плоской пластины, а чувствительный элемент (13) может быть прикреплен по оси этой пластины таким образом, чтобы, действующее ускорение приводило к растяжению/сжатию
пластины, и растяжению/сжатию чувствительного элемента на ВБР (13), в частности упруго-деформируемый элемент может быть выполнен в виде полого цилиндрического стержня, а чувствительный элемент (13) размещен по оси этого стержня внутри;
- в заявляемом варианте унифицированной сенсорной головки, чувствительной к силе или перемещению (динамометрическая головка) (фиг.15) содержится, по меньшей мере, два чувствительных элемента (13), один из которых закреплен в устройстве фиксации (15) таким образом, чтобы не испытывать никаких механических деформаций, но находиться в тех же температурных условиях, что и второй, причем, измеряемое перемещение преобразуется с помощью преобразователя физической величины (14) в продольную деформацию (растяжения/сжатия) второго чувствительного элемента 13), в частности преобразователь физической величины (14) может осуществлять такое преобразование посредством пружины, один конец которой закреплен на упруго-деформируемом элементе конструкции устройства фиксации (15) чувствительного элемента на ВБР (13), а второй прикреплен к подвижной штанге, таким образом, что перемещение штанги в пределах измеряемой величины приводит к натяжению пружины, которая, в свою очередь, обеспечивает продольную деформацию упруго-деформируемого элемента устройства фиксации (15) с прикрепленным к нему чувствительным элементом на ВБР (13), в частности, устройство фиксации чувствительного элемента (15) может быть конструктивно объединено с корпусом (16), а подвижная штанга может образовывать с корпусом коаксиальную телескопическую пару, внутри которой размещены по оси пружина и чувствительные элементы, в частности преобразователь физической величины (14) может осуществлять такое преобразование посредством пружины, один конец которой закреплен на упруго-деформируемом элементе конструкции устройства фиксации (15) чувствительного элемента на ВБР (13), а второй прикреплен к подвижной штанге, таким образом, что перемещение штанги в пределах измеряемой величины приводит к натяжению пружины, которая, в свою очередь обеспечивает изгибную деформацию упруго-деформируемого элемента устройства фиксации (15) с прикрепленным к нему чувствительным элементом на ВБР (13), при этом упруго-деформируемый элемент выполнен в виде пластины из конструктивного материала, в частности, он может быть выполнен из металла, а чувствительный элемент (13) прикреплен к его поверхности, в частности, он может быть выполнен из композиционного материала, а чувствительный элемент (13) помещен внутрь этого материала, в частности, он может быть выполнен из стеклопластика, в частности он может быть выполнен из углепластика, в частности, преобразователь физической величины (14) может осуществлять такое преобразование посредством передачи регистрируемого перемещения непосредственно на
упруго-деформируемый элемент, вызывая его изгибную деформацию, что приводит к натяжению/сжатию прикрепленного к нему чувствительного элемента на ВБР (13);
Унифицированный модуль расширения числа оптических каналов (рис.4.), содержащий, по меньшей мере, одну оптическую светоделительную систему (11), оптический интерфейс (2), выполненные в соответствии с указанными принципами унификации, причем, оптическое излучение из общего канала посредством оптической светоделительной системы (11) распределяется равными частями на, по меньшей мере, два ответвленных оптических канала, а излучение, поступающее из этих каналов объединяется и направляется обратно в общий канал, при этом светоделительная оптическая система (11) может быть выполнена, в частности, на основе сплавных волоконных ответвителей, в частности, она может быть выполнена также на основе интегрально-оптических ответвителей, в частности она может быть выполнена на основе объемных оптических элементов;
Унифицированный модуль коммутации оптических каналов (рис.5.), содержащий коммутирующую оптическую систему (12), оптический интерфейс (2), электронный управляющий интерфейс (6), выполненные в соответствии с указанными принципами унификации, причем оптическое излучение, поступающее на общий оптический канал посредством коммутирующей оптической системы (12), переключаемой в соответствии с электронным управляющим сигналом, поступающим по электронному интерфейсу (6), направляется в один из коммутируемых каналов, а излучение из этого канала - обратно в общий оптический канал, в частности, коммутирующая оптическая система (12) может быть построена на основе электрооптических дефлекторов, в частности, коммутирующая оптическая система (12) может быть построена на основе электромеханических оптических дефлекторов, в частности, коммутирующая оптическая система (12) может быть построена на основе технологии Микро-Электро-Механических Систем (МЭМС).
Все заявляемые модули связаны общим творческим замыслом и вместе обеспечивают реализацию задачи изобретения - построение универсального модульного волоконно-оптического телеметрического комплекса.
Как видно на блок-схеме, представленной на фиг.1, главным структурным элементом комплекса является унифицированный регистрирующий модуль (1). Он предназначен для регистрации спектрального сдвига длины волны резонансного отражения чувствительного элемента (13) унифицированной сенсорной головки (5), о принципе действия которой будет сказано ниже. Варианты его построения представлены на фигурах 3-6. В варианте исполнения А (фиг.3) оптическое излучение от источника света (7), обладающего широким спектром выходного излучения, как, например, СЛД-1550 производства АО
«Нолатех», по оптическому интерфейсу (2) поступает в оптическую светораспределительную систему (8), выполненную, например, на базе оптического циркулятора OCPI-30-2-1-1-3-1-1, производства компании Agiltron, которая направляет это излучение во внешний оптический интерфейс (2), осуществляющий соединение регистрирующего модуля (1) с другими унифицированными модулями комплекса, и, напротив, излучение, вошедшее в регистрирующий модуль (1) из внешнего оптического интерфейса (2) оптической светораспределительной системой (8) направляется по оптическому интерфейсу (2) в диспергирующий элемент (9), разделяющий входящее излучение на спектральные компоненты и пропускающий их в соответствии с управляющим сигналом, подводимым по электронному интерфейсу (6), и являющийся, таким образом, перестраиваемым фильтром, как, например, FOTF-01-5, компании Agiltron. После него выделенные спектральные компоненты направляются на фоточувствительный датчик (10), например, типа ФДМ-14-2К, производства АО «Нолатех», преобразующий оптическое излучение в электрический сигнал, направляемый в электронный интерфейс (6) для дальнейшей обработки. В варианте Б (фиг.4) диспергирующий элемент (9), управляемый по электронному интерфейсу (6), как и в варианте А (фиг.3), является перестраиваемым фильтром, пропускающим в соответствии с управляющим сигналом из электронного интерфейса (6) определенные спектральные компоненты излучения от источника света (7) в оптическую светораспределительную систему (8), которая в свою очередь, направляет это излучение во внешний оптический интерфейс (2), а излучение приходящее из него направляет по внутреннему оптическому интерфейсу (2) на фоточувствительный датчик (10). В варианте В (фиг.5) диспергирующий элемент (9) входит в качестве конструктивного элемента (части резонатора лазера) в источник света (7), который, таким образом, является источником света с перестраиваемой длиной волны, как, например, модель ECL5000D, представленная в каталоге компании Thorlabs. В остальном, вариант В (фиг.5) исполнения модуля регистрации (1) работает так же как и вариант Б (фиг.4), однако, он обладает более высокой, по сравнению с предыдущими вариантами, мощностью оптического излучения, что позволяет создавать на его основе более разветвленные системы, с большим числом унифицированных блоков, в частности, сенсорных головок, но, необходимо также отметить его более высокую стоимость. В варианте Г (фиг.6) диспергирующий элемент (9) входит в качестве составного конструктивного элемента в фоточувствительный датчик (10), являющийся, таким образом, интегральным спектрометром, как, например, спектрометр I-MON, производимый фирмой IBSEN. В остальном, этот вариант работает аналогично варианту А (фиг.3), однако этот вариант обладает повышенным по сравнению
с остальными вариантами, быстродействием. Такое многообразие вариантов позволяет разработчику создавать наиболее оптимальные системы, обеспечивая гибкость и необходимый набор диапазонов ключевых параметров.
Как видно на блок-схеме комплекса (рис.1), излучение из унифицированного регистрирующего блока (1) может коммутироваться на один из нескольких оптических каналов модулем коммутации оптических каналов (3) (рис.5), содержащим оптическую коммутирующую систему (12), которая может быть построена на основе электрооптических дефлекторов, например, NSSW-12-5 компании Agiltron, или на основе технологии МЭМС, как, например, LBSW-18-5-1, того же производителя.
Далее излучение может быть разделено на несколько измерительных ветвей посредством модуля расширения числа каналов (4) (фиг.7), светоделительная система (11) которого может быть построена, например, на основе сплавного волоконно-оптического ответвителя 1×4 типа FC-4-5-1, разделяющего входное излучение поровну на четыре канала.
В каждой измерительной ветви может находиться одна или более унифицированных сенсорных головок (5), содержащих, в свою очередь, по меньшей мере, один чувствительный элемент на ВБР (13), преобразователь физической величины (14), устройство фиксации (15) чувствительного элемента (13), корпус (16), и оптический интерфейс (2).
Принцип действия сенсорной головки основан на свойстве чувствительного элемента на ВБР (13) изменять длину волны резонансного отражения в зависимости от приложенной к чувствительному элементу (13) температуры или механической деформации. Физические основы работы такого чувствительного элемента изложены ниже.
Возможность реализации унифицированных сенсорных головок на ВБР:
Как уже было сказано, чувствительный элемент сенсорной головки основан на ВБР.
Сдвиг спектрального положения резонансной длины волны ВБР 
Br зависит от изменения температуры окружающей среды 
Т и от приложенной к световоду с ВБР относительной деформации 
. Зависимость сдвига Br от этих параметров описывается следующим уравнением:
где Pi,j - коэффициенты Поккельса упруго-оптического тензора, 
- число Пуассона, 
- коэффициент температурного расширения кварцевого стекла. Обычно используются следующие численные значения приведенных величин:
Р11=0.121, P 12=0.270, =0.164, dn/dT
10-5 K-1, 10-6 К-1
Соотношение (0.1) дает типичные значения сдвига Br в зависимости от температуры ˜0.01 nm/°C и от относительного удлинения световода ˜10 -3 nm/
( - относительное удлинение, выраженное в единицах 10 -6).
Отметим, что, несмотря на не слишком значительные абсолютные значения указанных сдвигов, их величины, отнесенные к спектральной ширине ВБР достаточно велики, что и позволяет использовать такие ВБР в качестве чувствительных элементов при измерении температуры и механических деформаций. Так, современные системы регистрации спектров позволяют измерять спектральное смещение резонансной длины волны ВБР с точностью ˜10 -3 nm, обеспечивая точность измерения температуры ˜0.1°С и относительной деформации ˜1 .
Описание принципа действия вариантов заявляемых головок:
Принцип действия термочувствительной головки (фиг.10) состоит в следующем:
тепло от контролируемого объекта подводится через теплопроводящий преобразователь физической величины (14) к закрепленному в корпусе (16), чувствительному элементу на ВБР (13), длина волны резонансного отражения которого смещается согласно соотношению (0.1) с коэффициентом пропорциональности примерно равным ˜0.01 nm/°C. Этот сдвиг регистрируется унифицированным регистрирующим модулем (1) через оптический интерфейс (2). Корпус (16) может быть выполнен как из материала, коэффициент линейного теплового расширения которого близок к кварцевому стеклу из которого изготовлен волоконный световод чувствительного элемента (13), так и из любого другого материала с наперед заданными тепловыми свойствами, что позволяет модифицировать чувствительность унифицированной сенсорной головки и должно быть учтено при калибровке.
Принцип действия сенсорной головки, чувствительной к давлению (фиг.11) состоит в следующем: измеряемое давление подводится в герметичную область корпуса (16), ограниченную с одной стороны преобразователем физической величины (14), выполненным в виде деформируемой мембраны, подвижного поршня или сильфона. Это давление создает пропорциональную площади поверхности преобразователя физической величины (14) силу, деформирующую его, а также чувствительный элемент на ВБР (13), находящийся в жесткой механической связи с ним. При этом происходит продольная деформация чувствительного элемента на ВБР(13), пропорциональная измеряемому давлению, что приводит к смещению длины волны резонансного отражения чувствительного элемента на ВБР(13), что, в свою очередь регистрируется унифицированным регистрирующим модулем (1), через оптический интерфейс (2). В тоже
время, общее тепловое воздействие окружающей среды, являющееся паразитным воздействием, по отношению к измеряемому давлению, измеряется как этим чувствительным элементом, так и, независимо от давления, вторым чувствительным элементом на ВБР(13), что позволяет, после дифференциальной регистрации сигналов от обоих элементов, разделить их при обработке и осуществить компенсацию паразитного воздействия температуры.
Принцип действия сенсорной головки, чувствительной к гидростатическому давлению (фиг.12) состоит в следующем: чувствительный элемент на ВБР (13) выполнен на волоконном световоде с сильным двулучепреломлением, в результате чего, в нем формируется при записи две ВБР, несколько разнесенных по длине волны резонансного отражения. При этом паразитное температурное воздействие приводит к синхронному смещению длин волн обоих ВБР, в тоже время, внешние воздействия на световод чувствительного элемента на ВБР (13), приводящие к изменению величины двулучепреломления в волоконном световоде, вызовут изменение взаимного расположения этих длин волн, что будет зарегистрировано унифицированным модулем регистрации (1) через оптический интерфейс (2) и интерпретировано как измеряемое гидростатическое давление. Преобразователь физической величины (14), в данном случае, должен обеспечивать преобразование равномерного гидростатического сжатия в анизотропную поперечную деформацию двулучепреломляющего волоконного световода чувствительного элемента на ВБР(13), что реализуется путем введения в однородную изотропную оболочку чувствительного элемента на ВБР (13) жестких конструктивных элементов, нарушающих аксиальную симметрию преобразователя физической величины (14), или путем придания всей конструкции специальной анизотропной формы, ориентированной относительно осей двулучепреломления волоконного световода чувствительного элемента на ВБР (13).
Принцип действия унифицированной сенсорной головки, чувствительной к механическим деформациям продольного растяжения/сжатия (фиг.13) состоит в следующем: через преобразователь физической величины (14), выполненный в виде жесткого кронштейна, линейная механическая деформация контролируемой поверхности объекта передается на первый чувствительный элемент на ВБР (13), причем, в случае, если расстояние между точками крепления кронштейна преобразователя физической величины (14) к контролируемому объекту больше, чем расстояние между точками фиксации чувствительного элемента (13) (как показано на фиг.13), то передача происходит с коэффициентом усиления Ку>1, а если расстояние между точками крепления кронштейна преобразователя физической величины (14) к контролируемому
объекту меньше, чем расстояние между точками фиксации чувствительного элемента (13), то передача происходит с коэффициентом усиления Ку<1. Линейная деформация первого чувствительного элемента на ВБР (13) приводит к сдвигу длины волны его резонансного отражения, что регистрируется унифицированным регистрирующим модулем (1), в тоже время паразитное тепловое воздействие одновременно влияет и на первый и на второй чувствительные элементы на ВБР (13), при этом второй чувствительный элемент (13) закреплен в устройстве фиксации чувствительного элемента (15) таким образом, чтобы не испытывать никаких механических воздействий, но находиться в одинаковых температурных условиях с первым. Таким образом, при регистрации и обработке сигналов от обоих чувствительных элементов, происходит учет паразитного теплового воздействия. Принцип действия унифицированной сенсорной головки, предназначенной для одновременного измерения деформаций изгиба, кручения, сдвига и контактного давления (фиг.9) рассмотрим в качестве примера расчета: пусть параллелепипед преобразователя физической величины выполнен в виде монолитного параллелепипеда с размером верхней и нижней сторон 130×155 мм, из стали.
Для оценки чувствительности к приложенной к верхней площадке параллелепипеда силе, чувствительных элементов, расположенных на ребрах параллелепипеда, по величине прилагаемых нагрузок возьмем модуль Юнга стали ˜200 ГПа. При чувствительности ВБР к относительной деформации ˜10-6 можно будет измерить давление ˜200 кПа. При площади боковой поверхности S=130×155 мм=0.02 м2 нагрузка в 1 т создает давление 500 кПа, то есть чувствительность рассмотренного датчика к прикладываемому давлению может быть на уровне 0.4 т. Максимальные нагрузки в 200 т создают относительную деформацию 10-3 и сдвиг резонансной длины волны ВБР ˜1.5 нм (то есть можно использовать вариант использования решеток без усиления, или с усилителем в 2-4 раза). Принцип действия акселерометрической и вибрационно-чувствительной сенсорной головки (фиг.14) состоит в следующем: преобразователь физической величины (14), представляющий собой массивный инерционный элемент, закрепленный на направляющих, ограничивающих его свободу перемещением вдоль выделенной оси измерения, под действием проекции измеряемого ускорения на ось перемещения смещается вдоль направляющих, что приводит к возникновению продольной деформации механически соединенного с ним первого чувствительного элемента на ВБР (13). Фиксация второго чувствительного элемента (13) устройством фиксации (15) исключает его деформацию, но обеспечивает равенство температур первого и второго чувствительных элементов на ВБР (13). Спектральные смещения длин волн резонансного отражения обоих чувствительных элементов на ВБР (13) регистрируются через
оптический интерфейс (2) унифицированным регистрирующим модулем (1), обработка сигналов позволяет учесть паразитное тепловое воздействие. Регистрация с помощью этой сенсорной головки амплитуды вибрации с частотой превышающей скорость отклика унифицированного регистрирующего модуля (1) осуществляется путем обработки информации об эффективной ширине спектра резонансного отражения чувствительного элемента на ВБР (13).
Принцип действия сенсорной головки, чувствительной к перемещению и динамометрической сенсорной головки (фиг.15) состоит в следующем:
регистрируемое перемещение или регистрируемая сила прикладывается через элементы крепления к преобразователю физической величины (14), выполненному в виде упруго-деформируемого элемента, например в виде пружины, что приводит к возникновению пропорциональной этим воздействиям силы приложенной к первому чувствительному элементу на ВБР (13), вызывающей его продольную деформацию, которая, в свою очередь, приводит к спектральному сдвигу длины волны его резонансного отражения. Второй чувствительный элемент на ВБР (13) закреплен в устройстве фиксации (15) таким образом, что его деформация была исключена, но он находился бы в одинаковых температурных условиях с первым. Спектральное смещение длин волн резонансного отражения обоих чувствительных элементов на ВБР (13) регистрируется через оптический интерфейс (2) унифицированным регистрирующим модулем (1).
Таким образом, во всех вариантах унифицированной сенсорной головки (5), оптическое излучение, отражаясь от ВБР чувствительного элемента (13) сенсорной головки (5) в виде спектрального сдвига максимума длины волны отражения содержит информацию об измеряемой величине. После отражения от всех сенсорных головок, находящихся одновременно в схеме, как размещенных последовательно на одной измерительной ветви, так и размещенных на нескольких ветвях, соединенных с помощью модуля расширения числа оптических каналов (4) оптическое излучение направляется обратно по ранее пройденному оптическому пути в унифицированный регистрирующий модуль (1), где производится регистрация и обработка этого излучения, до получения цифрового электронного кода, после чего производится переключение канала модулем переключения оптических каналов (3) на другой набор сенсорных головок (5), объединенных аналогичным образом.
Согласно принципам унификации, приведенным ранее, и объединенным с другими заявляемыми пунктами единым творческим замыслом, длины волн унифицированных сенсорных головок должны быть согласованы, для того, чтобы обеспечить возможность
их параллельно-последовательного соединения с учетом диапазонов изменения их спектрального положения.
Покажем возможность реализации согласования длин волн унифицированных сенсорных головок на конкретном примере:
пусть, к примеру, в качестве спектрометра в варианте Г (фиг.6) унифицированного регистрирующего модуля используется спектрометр I-MON, производства компании IBSEN (диапазон длин волн 1510-1590 нм), а унифицированные сенсорные головки, чувствительные к продольной деформации соответствуют варианту без усиления (Ку=1). Чувствительность измерения деформации поверхности будет обеспечена на уровне ˜1 мкм/м при времени интегрирования ˜1 сек.
Пусть требуется обеспечить измерение относительных деформаций, вызванных двумя факторами - электромагнитными и тепловыми нагрузками, в диапазоне от -0.002 до +0.002 при рабочей температуре 300-350°С. В соответствии с формулой (0.1) и с учетом указанных максимальных деформаций максимальное смещение длины волны ВБР будет от -2.5 нм до +2.5 нм. При рабочей температуре 300-350°С температурный сдвиг длины волны ВБР составит 3-3.5 нм. В соответствии с этими оценками диапазон изменения длины волны решетки ВБР1, испытывающей действие, как механической деформации, так и температуры, составит 0-+6 нм, в то время как для решетки ВБР2, чувствующей только температуру, эта величина будет 3-3.5 нм.
Таким образом, для проведения измерений на каждую сенсорную головку требуется выделить (с запасом 1.5 нм) спектральный интервал ˜10 нм, и, следовательно, в спектральном диапазоне спектроанализатора I-MON (1510-1590 нм), используемого в унифицированном регистрирующем модуле системы, можно разместить 8 сенсорных головок такого типа.
На рисунке (фиг.2) для иллюстрации приведены ориентировочные положения длин волн ВБР двух сенсорных головок в исходном состоянии и при выполнении измерений. Пунктирными линиями со стрелками показаны области изменения длины волны ВБР, зафиксированных на поверхности контролируемого объекта при деформации поверхности и неизменной температуре.
Таким образом, согласно описанным принципам, формируются наборы унифицированных сенсорных головок каждого типа с различными чувствительностями, и соответственно - различными диапазонами измерения.
Задача решается тем, что в разрабатываемых волоконно-оптических телеметрических системах при выборе или изготовлении комплектующих применяются специальные принципы унификации:
- единство метрологической основы измерений: метрологическая основа комплекса базируется на принципе спектральной регистрации изменения длины волны резонансного отражения волоконной брэгговской решетки (ВБР) вызванного воздействием измеряемой физической величины, приводимой, в силу конструктивных особенностей головок, к продольной деформации ВБР.
- единство и согласованность рабочих длин волн всех волоконно-оптических компонентов комплекса: рабочие длины волн выбираются вблизи 1.3 и 1.5 мкм - в зонах, традиционно используемых для волоконно-оптической связи, это определяется наличием значительно количества волоконно-оптических комплектующих для этих диапазонов. Единство рабочих длин волн элементов состоит в том, что для всех компонентов системы центральной длиной волны рабочего диапазона является выбранная длина волны 1.3 или 1.5 мкм. Это маркируется унифицированным кодом на внешней поверхности конструкций элементов и отражается в сопутствующей технической документации. Согласованность рабочих длин волн элементов состоит в том, что для всех унифицированных регистрирующих модулей определяется спектральный диапазон вблизи 1.3 или 1.5 мкм, ширина которого определяется диапазоном спектральной чувствительности фоточувствительного датчика, величиной дисперсии и областью свободной дисперсии диспергирующего элемента и спектральными характеристиками источника света, эта информация маркируется унифицированным кодом на внешней поверхности модуля и отражается в технической документации. При этом на стадии изготовления сенсорных головок они формируются с учетом того, чтобы при всем диапазоне изменения измеряемых сигналов длина волны резонансного отражения ВБР не выходила за пределы указанного диапазона. Поскольку для сенсорных головок на основе ВБР, диапазон спектрального сдвига длины волны резонансного отражения связан с диапазоном изменения измеряемых величин, возникает необходимость использования набора сенсорных головок с различными чувствительностями, для перекрытия широкого диапазона изменения измеряемой величины, при этом спектральный диапазон каждой сенсорной головки маркируется унифицированным кодом на поверхности головки и отражается в сопутствующей технической документации. Поскольку при проведении многоточечных (квази-распределенных) измерений какой-либо одной физической величины с наперед заданной чувствительностью каждая из последовательно включенных в измерительную цепочку сенсорных головок будет занимать в рабочем спектральном
окне унифицированного регистрирующего модуля определенный спектральный интервал, заданный ее чувствительностью и диапазоном изменения измеряемой величины, возникает необходимость использования набора сенсорных головок одинакового назначения, с одинаковой чувствительностью, но разнесенных спектрально таким образом, чтобы их спектральные области не перекрывались во всем диапазоне возможных изменений измеряемых величин во всех точках измерения, при этом спектральный диапазон каждой сенсорной головки маркируется унифицированным кодом на поверхности головки и отражается в сопутствующей технической документации. Таким образом, полный комплект сенсорных головок включает в себя наборы головок различных типов, измеряющих различные физические величины из указанного списка, в каждый из которых входит серия головок различной чувствительности к измеряемой физической величине, и в каждой серии содержится ряд головок, разнесенных спектрально, для организации цепочек. При этом спектральные диапазоны головок приводятся к величинам, кратным наименьшим из них, что позволяет при разработке системы наиболее полно использовать спектральный диапазон унифицированного регистрирующего модуля. Все спектральные диапазоны всех головок полного комплекта маркируются унифицированным кодом, что позволяет разработчику легко осуществить подбор согласованных по рабочим длинам волн элементов.
- единство волоконно-оптических интерфейсов: предполагает использование во всех элементах одного типа оптических разъемов, а также использование для соединения элементов волоконно-оптических линий связи (патч-кордов) одного типа, применяемого в спектральном диапазоне вблизи 1.3 или 1.5 мкм - соответственно рабочей длине волны комплекса. Тип патч-корда характеризуется длиной волны отсечки одномодового волоконного световода, которая должна быть короче выбранной рабочей длины волны, и типом волоконно-оптического коннектора на законцовках световода, например FC/APC.
- единство электронных интерфейсов: предполагает оснащение всех, управляемых с помощью электронных сигналов, устройств комплекса стандартным электронным интерфейсом, например USB, с соответствующими электронными и микропроцессорными элементами.
- разработка специального ПО: для обеспечения работоспособности универсального волоконно-оптического модульного телеметрического комплекса, необходимо использовать специальное ПО, учитывающее наличие стандартного электронного интерфейса и других принципов унификации, включая унифицированный код маркировки.
Применение этих принципов позволяет легко сопрягать элементы друг с другом в соответствии с требуемыми параметрами измерений.
Задача решается также тем, что разрабатываемые волоконно-оптические телеметрические системы комплектуются определенным, наиболее полным, набором сенсорных головок, расширяющих номенклатуру измеряемых физических величин.
Задача решается также тем, что в соответствии с принципами унификации разрабатываются новые и модернизируются существующие регистрирующие устройства волоконно-оптических телеметрических систем, в результате чего формируется набор унифицированных регистрирующих модулей.
Задача решается также тем, что в соответствие с принципами унификации разрабатываются новые и модернизируются уже существующие сенсорные головки, в результате чего формируется набор унифицированных сенсорных головок.
- Задача решается также тем, что на базе стандартных волоконно-оптических элементов, в соответствии с принципами унификации создаются унифицированные модули расширения числа каналов и унифицированные модули коммутации оптических каналов.
Таким образом, создается универсальный модульный волоконно-оптический телеметрический комплекс, отвечающий требованиям гибкости, полноты измерений, удобства и простоты при разработке, монтаже, эксплуатации и обслуживании.
1. Универсальный модульный волоконно-оптический телеметрический комплекс, включающий в себя, по меньшей мере, один унифицированный регистрирующий модуль (1) и, по меньшей мере, одну из унифицированных сенсорных головок (5), а также в любых сочетаниях и количествах унифицированные модули расширения числа каналов (4), унифицированные модули коммутации оптических каналов (3), соединенные оптическим интерфейсом (2) друг с другом и электронным интерфейсом (6) с управляющим компьютером.
2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что все модули, находящиеся в стандартных условиях, выполняются в стандартном исполнении из комплектующих, специфицированных для работы в стандартных условиях.
3. Комплекс по п.2, отличающийся тем, что волоконные световоды, используемые в качестве связных линий оптического интерфейса (2), являются стандартными связными световодами типа SMF-28 (производства Fujikura).
4. Комплекс по п.2, отличающийся тем, что волоконные световоды, используемые для изготовления чувствительных элементов на основе волоконных брэгговских решеткок (13) унифицированных сенсорных головок (5), являются стандартными связными волоконными световодами типа SMF-28 (производства Fujikura).
5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что все элементы, находящиеся по условиям эксплуатации в зоне действия повышенной температуры выполнены в термостойком исполнении из комплектующих, предназначенных для работы в условиях повышенной температуры.
6. Комплекс по п.5, отличающийся тем, что линии связи оптического интерфейса (2), находящиеся в зоне действия повышенной температуры, выполнены на основе волоконных световодов, предназначенных для работы в условиях повышенной температуры.
7. Комплекс по п.6, отличающийся тем, что линии связи оптического интерфейса (2), находящиеся в зоне действия повышенной температуры, выполнены на основе волоконных световодов с термостойким покрытием из металла.
8. Комплекс по п.7, отличающийся тем, что линии связи оптического интерфейса (2), находящиеся в зоне действия повышенной температуры, выполнены на основе волоконных световодов с термостойким покрытием из медного сплава.
9. Комплекс по п.7, отличающийся тем, что линии связи оптического интерфейса (2), находящиеся в зоне действия повышенной температуры, выполнены на основе волоконных световодов с термостойким покрытием из никелевого сплава.
10. Комплекс по п.7, отличающийся тем, что линии связи оптического интерфейса (2), находящиеся в зоне действия повышенной температуры, выполнены на основе волоконных световодов с термостойким покрытием из алюминиевого сплава.
11. Комплекс по п.5, отличающийся тем, что комплекс укомплектован унифицированными сенсорными головками (5), специфицированными для работы в условиях повышенной температуры.
12. Комплекс по п.11, отличающийся тем, что он укомплектован унифицированными сенсорными головками (5), чувствительные элементы на основе ВБР (13) которых выполнены из световода с сердцевиной из кварцевого стекла с примесью азота.
13. Комплекс по п.11, отличающийся тем, что он укомплектован унифицированными сенсорными головками (5), чувствительные элементы на основе ВБР (13) которых специальным образом подготовлены для сохранения своих рабочих характеристик в условиях повышенной температуры.
14. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что все элементы, находящиеся по условиям эксплуатации в зоне действия повышенной радиации, выполнены в радиационно-стойком исполнении.
15. Комплекс по п.14, отличающийся тем, что он укомплектован унифицированными сенсорными головками (5), чувствительные элементы на основе ВБР (13) которых выполнены на основе волоконных световодов с повышенной радиационной стойкостью.
16. Комплекс по п.15, отличающийся тем, что радиационная стойкость волоконных световодов чувствительных элементов на ВБР (13) унифицированных сенсорных головок (5) повышена за счет насыщения сетки стекла молекулярным водородом.
17. Комплекс по п.15, отличающийся тем, что радиационная стойкость волоконных световодов чувствительных элементов на ВБР (13) унифицированных сенсорных головок (5) повышена за счет насыщения сетки стекла молекулярным дейтерием.
18. Комплекс по п.15, отличающийся тем, что радиационная стойкость волоконных световодов чувствительных элементов на ВБР (13) унифицированных сенсорных головок (5) повышена за счет насыщения сетки стекла молекулярными водородом и/или дейтерием с последующей специальной обработкой.
19. Комплекс по п.14, отличающийся тем, что линии связи оптического интерфейса (2), находящиеся в зоне действия повышенной радиации, выполнены на основе волоконных световодов, предназначенных для работы в условиях повышенной радиации.
20. Комплекс по п.19, отличающийся тем, что радиационная стойкость волоконных световодов линий связи оптического интерфейса (2) повышена за счет насыщения сетки стекла молекулярным водородом.
21. Комплекс по п.19, отличающийся тем, что радиационная стойкость волоконных световодов линий связи оптического интерфейса (2) повышена за счет насыщения сетки стекла молекулярным дейтерием.
22. Комплекс по п.19, отличающийся тем, что радиационная стойкость волоконных световодов линий связи оптического интерфейса (2) повышена за счет насыщения сетки стекла молекулярными водородом и/или дейтерием с последующим предоблучением УФ или гамма-излучением.
23. Выполненный в соответствии с указанными принципами унификации унифицированный регистрирующий модуль (1), входящий в качестве составляющего элемента в универсальный модульный волоконно-оптический телеметрический комплекс, содержащий источник света (7), оптическую светораспределительную систему (8), диспергирующий элемент (9), фоточувствительный датчик (10).
24. Регистрирующий модуль по п.23, отличающийся тем, что источник света (7) обеспечивает широкий спектр оптического излучения, а диспергирующий элемент (9), расположенный между оптической светораспределительной системой (8) и фотоприемником (10), выполняет роль перестраиваемого оптического фильтра, пропуская на фотоприемник (10) излучение различных спектральных интервалов.
25. Регистрирующий модуль по п.24, отличающийся тем, что источником света (7) является суперлюминесцентный диод.
26. Регистрирующий модуль по п.24, отличающийся тем, что источником света (7) является суперлюминесцентный волоконный источник света.
27. Регистрирующий модуль по п.24, отличающийся тем, что источником света (7) является светодиод.
28. Регистрирующий модуль по п.24, отличающийся тем, что источником света (7) является лампа накаливания.
29. Регистрирующий модуль по п.24, отличающийся тем, что источником света (7) является газоразрядная лампа.
30. Регистрирующий модуль по п.23, отличающийся тем, что источник света (7) имеет широкий спектр выходного оптического излучения, а диспергирующий элемент (9), установленный между источником света (7) и оптической светораспределительной системой (8), выполняет роль перестраиваемого фильтра, пропуская через оптическую светораспределительную систему (8) излучение с различной длиной волны в соответствии с управляющим сигналом, поступающим по электронному интерфейсу (6).
31. Регистрирующий модуль по п.30, отличающийся тем, что источником света (7) является суперлюминесцентный диод.
32. Регистрирующий модуль по п.30, отличающийся тем, что источником света (7) является суперлюминесцентный волоконный источник света.
33. Регистрирующий модуль по п.30, отличающийся тем, что источником света (7) является светодиод.
34. Регистрирующий модуль по п.30, отличающийся тем, что источником света (7) является лампа накаливания.
35. Регистрирующий модуль по п.30, отличающийся тем, что источником света (7) является газоразрядная лампа.
36. Регистрирующий модуль по п.23, отличающийся тем, что источник света (7), содержащий в своей конструкции диспергирующий элемент (9), излучает оптический сигнал с узким спектром, длина волны которого перестраивается в соответствии с управляющим сигналом, передаваемым по электронному интерфейсу (6) от компьютера.
37. Регистрирующий модуль по п.36, отличающийся тем, что перестраиваемый по длине волны источник света (7) выполнен в виде перестраиваемого полупроводникового лазера.
38. Регистрирующий модуль по п.36, отличающийся тем, что перестраиваемый по длине волны источник света (7) выполнен в виде перестраиваемого лазера на органическом красителе.
39. Регистрирующий модуль по п.36, отличающийся тем, что перестраиваемый по длине волны источник света (7) выполнен в виде перестраиваемого волоконного лазера.
40. Регистрирующий модуль по п.23, отличающийся тем, что оптический приемник (10) содержит в качестве элемента своей конструкции встроенный диспергирующий элемент (9), являясь, таким образом, интегральным спектрометром.
41. Регистрирующий модуль по п.40, отличающийся тем, что источником света (7) является суперлюминесцентный диод.
42. Регистрирующий модуль по п.40, отличающийся тем, что источником света (7) является суперлюминесцентный волоконный источник света.
43. Регистрирующий модуль по п.40, отличающийся тем, что источником света (7) является светодиод.
44. Регистрирующий модуль по п.40, отличающийся тем, что источником света (7) является лампа накаливания.
45. Регистрирующий модуль по п.40, отличающийся тем, что источником света (7) является газоразрядная лампа.
46. Выполненная в соответствии с указанными принципами унификации, унифицированная сенсорная головка (5), входящая в качестве составляющего элемента в универсальный модульный волоконно-оптический телеметрический комплекс, содержащая по меньшей мере один чувствительный элемент на основе ВБР (13), устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14), корпус (16), оптический интерфейс (6).
47. Сенсорная головка по п.46, отличающаяся тем, что ВБР чувствительного элемента (13) и оптический интерфейс (2) выполнены на основе волоконных световодов, предназначенных для работы в условиях повышенной температуры.
48. Сенсорная головка по п.47, отличающаяся тем, что ВБР чувствительного элемента (13) и оптический интерфейс (2) выполнены на основе волоконных световодов с термостойким покрытием из металла.
49. Сенсорная головка по п.48, отличающаяся тем, что ВБР чувствительного элемента (13) и оптический интерфейс (2) выполнены на основе волоконных световодов с термостойким покрытием из медного сплава.
50. Сенсорная головка по п.48, отличающаяся тем, что ВБР чувствительного элемента (13) и оптический интерфейс (2) выполнены на основе волоконных световодов с термостойким покрытием из никелевого сплава.
51. Сенсорная головка по п.48, отличающаяся тем, что ВБР чувствительного элемента (13) и оптический интерфейс (2) выполнены на основе волоконных световодов с термостойким покрытием из алюминиевого сплава.
52. Сенсорная головка по пп.47-51, отличающаяся тем, что ВБР чувствительного элемента (13) специальным образом подготовлена для сохранения своих рабочих характеристик в условиях повышенной температуры.
53. Сенсорная головка по пп.47-51, отличающаяся тем, что ее чувствительные элементы на основе ВБР (13) выполнены из световода с сердцевиной из кварцевого стекла с примесью азота.
54. Сенсорная головка по пп.47-51, отличающаяся тем, что ВБР чувствительного элемента (13) и оптический интерфейс (2) выполнены на основе волоконных световодов, предназначенных для работы в условиях повышенной радиации.
55. Сенсорная головка по п.54, отличающаяся тем, что повышенная радиационная стойкость волоконных световодов чувствительного элемента на основе ВБР (13) и оптического интерфейса (2) достигнута за счет насыщения сетки стекла молекулярным водородом.
56. Сенсорная головка по п.54, отличающаяся тем, что повышенная радиационная стойкость волоконных световодов чувствительного элемента на основе ВБР (13) и оптического интерфейса (2) достигнута за счет насыщения сетки стекла молекулярным дейтерием.
57. Сенсорная головка по пп.55 и 56, отличающаяся тем, что чувствительные элементы на основе ВБР (13) и оптический интерфейс (2) выполнены на основе световодов с радиационно-стойким покрытием из алюминиевого сплава.
58. Сенсорная головка по пп.47-57, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт ВБР чувствительного элемента (13) с объектом, температура которого контролируется.
59. Сенсорная головка по п.58, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия зоны световода с чувствительным элементом на ВБР (13).
60. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из сапфира.
61. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из металла.
62. Сенсорная головка по п.61, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из стали.
63. Сенсорная головка по п.61, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из никеля.
64. Сенсорная головка по п.61, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из медного сплава.
65. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из алюминиевого сплава.
66. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из полимерного материала.
67. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из полиметилметакрилата.
68. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из полиэтилена.
69. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из полиамидного материала.
70. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из силикона.
71. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из полистирола.
72. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из композиционного материала.
73. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из углепластика.
74. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из стеклопластика.
75. Сенсорная головка по п.59, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде защитного покрытия из эпоксидного компаунда с/без наполнителя.
76. Сенсорная головка по п.58, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде теплопровода, обеспечивающего передачу тепла от контролируемой зоны к чувствительному элементу на ВБР (13).
77. Сенсорная головка по п.76, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14), обеспечивающий передачу тепла от контролируемой зоны к чувствительному элементу на ВБР (13), выполнен в виде теплопровода из металла с высокой теплопроводностью.
78. Сенсорная головка по п.76, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14), обеспечивающий передачу тепла от контролируемой зоны к чувствительному элементу на ВБР (13), выполнен в виде теплопровода из меди.
79. Сенсорная головка по п.76, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14), обеспечивающий передачу тепла от контролируемой зоны к чувствительному элементу на ВБР (13), выполнен в виде теплопровода из алюминиевого сплава.
80. Сенсорная головка по п.76, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14), обеспечивающий передачу тепла от контролируемой зоны к чувствительному элементу на ВБР (13), выполнен в виде теплопровода из керамики.
81. Сенсорная головка по п.76, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14), обеспечивающий передачу тепла от контролируемой зоны к чувствительному элементу на ВБР (13), выполнен в виде теплопровода из кварцевого стекла.
82. Сенсорная головка по пп.47-57, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, чтобы преобразовывать измеряемое давление в контролируемом пространстве в продольную механическую деформацию одного из, как минимум двух чувствительных элементов на ВБР (13), а второй чувствительный элемент на ВБР (13) находится в тепловом контакте с первым, но не воспринимает измеряемое давление.
83. Сенсорная головка по п.82, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде упругой мембраны, ограничивающий с одной стороны объем с измеряемым давлением, а чувствительный элемент на ВБР (13) закреплен так, чтобы деформация мембраны под воздействием измеряемого давления приводила к его продольной деформации.
84. Сенсорная головка по п.82, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде упругой мембраны, разграничивающий два объема, разница давления в которых измеряется, а чувствительный элемент на ВБР (13) закреплен так, чтобы деформация мембраны под воздействием измеряемой разницы давления приводила к его продольной деформации.
85. Сенсорная головка по п.83 или 84, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде упругой мембраны, а чувствительный элемент на ВБР (13) прикреплен к этой мембране одним концом, при этом второй его конец закреплен в неподвижном устройстве фиксации (15).
86. Сенсорная головка по п.83 или 84, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде упругой мембраны, а чувствительный элемент на ВБР (13) прикреплен к этой мембране по всей своей длине.
87. Сенсорная головка по п.85 или 86, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде плоской упругой мембраны.
88. Сенсорная головка по п.85 или 86, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде гофрированной упругой мембраны.
89. Сенсорная головка по п.85 или 86, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде сильфона, один из концов которого заглушен.
90. Сенсорная головка по п.85 или 86, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде трубки, один из концов которой заглушен.
91. Сенсорная головка по пп.87-90, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из металла, а чувствительный элемент на ВБР (13) прикреплен к его поверхности.
92. Сенсорная головка по п.91, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из полимерного материала, а чувствительный элемент на ВБР (13) прикреплен в его поверхности или помещен внутрь этого материала.
93. Сенсорная головка по п.91, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из композиционного материала, а чувствительный элемент на ВБР (13) помещен внутрь этого материала.
94. Сенсорная головка по пп.47-57, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, чтобы преобразовывать измеряемое гидростатическое давление в контролируемом пространстве в изменение степени двулучепреломления анизотропного волоконного световода чувствительного элемента на ВБР (13).
95. Сенсорная головка по п.94, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины обеспечивает анизотропную передачу внешнего гидростатического давления на поверхность световода чувствительного элемента на ВБР (13).
96. Сенсорная головка по п.95, отличающаяся тем, что анизотропность передачи гидростатического давления достигается за счет специальной формы преобразователя физической величины (14), выполненного в виде монолитного блока вокруг чувствительного элемента на ВБР (13).
97. Сенсорная головка по п.96, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока эллиптической в поперечном сечении формы, а чувствительный элемент на ВБР (13) размещен внутри этого блока по его оси, причем оси двулучепреломления волоконного световода чувствительного элемента на ВБР (13) сориентированы относительно осей эксцентриситета эллиптического сечения преобразователя физической величины таким образом, что внешнее гидростатическое воздействие приводит к уменьшению/увеличению собственного двулучепреломления волоконного световода чувствительного элемента на ВБР (13).
98. Сенсорная головка по п.96, отличающаяся тем, что анизотропность передачи гидростатического давления достигается за счет специальной анизотропной внутренней армирующей структуры преобразователя физической величины (14), выполненного в виде блока вокруг чувствительного элемента на ВБР (13).
99. Сенсорная головка по пп.96-98, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из углепластика.
100. Сенсорная головка по п.99, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из стеклопластика.
101. Сенсорная головка по п.99, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из полистирола.
102. Сенсорная головка по п.99, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из ПММА.
103. Сенсорная головка по п.99, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из поливинилхлорида (ПВХ).
104. Сенсорная головка по п.99, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из каучука.
105. Сенсорная головка по п.99, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из эпоксидного компаунда.
106. Сенсорная головка по п.99, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из силикона.
107. Сенсорная головка по пп.47-57 отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, чтобы преобразовывать измеряемую продольную механическую деформацию растяжения/сжатия контролируемой поверхности в продольную деформацию одного из, как минимум, двух чувствительных элементов на ВБР (13), при этом второй чувствительный элемент находится при той же температуре, что и первый.
108. Сенсорная головка по п.107, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, что обеспечивает передачу измеряемой механической деформации продольного растяжения/сжатия от контролируемого объекта при различной форме его поверхности.
109. Сенсорная головка по п.108, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен с плоской поверхностью, прикрепляемой к плоской поверхности контролируемого объекта.
110. Сенсорная головка по п.108, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен с цилиндрической поверхностью, прикрепляемой к цилиндрической поверхности контролируемого объекта.
111. Сенсорная головка по п.108, 109 или 110, отличающаяся тем, что расстояние между точками крепления преобразователя физической величины (14) к поверхности контролируемого объекта больше, либо равно расстоянию между точками крепления чувствительного элемента на ВБР (13) к преобразователю физической величины (14), что обеспечивает передачу деформации с коэффициентом усиления Ку, равным или большим единицы.
112. Сенсорная головка по п.108, 109 или 110, отличающаяся тем, что расстояние между точками крепления преобразователя физической величины (14) к поверхности контролируемого объекта меньше расстояния между точками крепления чувствительного элемента на ВБР (13) к преобразователю физической величины (14), что обеспечивает передачу деформации с коэффициентом усиления Ку, меньшим единицы.
113. Сенсорная головка по п.111 или 112, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из конструкционного материала, а чувствительный элемент на ВБР (13) размещен внутри этого блока.
114. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из углепластика.
115. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из стеклопластика.
116. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из ПММА.
117. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из полиэтилена.
118. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из полистирола.
119. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из каучука.
120. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из силикона.
121. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из ПВХ.
122. Сенсорная головка по п.113, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15), преобразователь физической величины (14) и корпус (16) выполнены в виде монолитного блока из эпоксидного компаунда с/без наполнителя.
123. Сенсорная головка по пп.47-57, отличающаяся тем, что в ней содержится, как минимум, девять чувствительных элементов на ВБР (13), причем четыре из них расположены по четырем вертикальным ребрам преобразователя физической величины (14), выполненного в форме параллелепипеда из конструкционного материала, другие четыре чувствительных элемента (13) расположены по диагоналям боковых граней параллелепипеда, а один чувствительный элемент (13) размещен таким образом, чтобы он находился в тепловом контакте с остальными чувствительными элементами, но не испытывал на себе никаких механических деформаций, причем все чувствительные элементы на ВБР (13) соединены последовательно или параллельно оптическим интерфейсом (2) в одну измерительную ветвь и предоставляют информацию о характере, типе и величине деформации унифицированной сенсорной головки (5), позволяя раздельно регистрировать деформации изгиба, кручения, сдвига и контактного давления приложенные к контактной поверхности преобразователя физической величины (14).
124. Сенсорная головка по п.123, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде монолитного блока из упруго-деформируемого материала и представляет из себя единую конструкцию, сочетающую функции преобразователя физической величины (14), устройства фиксации чувствительного элемента (15) и корпуса (16).
125. Сенсорная головка по п.124, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен в виде полого параллелепипеда.
126. Сенсорная головка по п.124 или 125, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из стали.
127. Сенсорная головка по п.124 или 125, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из алюминиевого сплава.
128. Сенсорная головка по п.124 или 125, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из титанового сплава.
129. Сенсорная головка по п.124 или 125, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из ПММА.
130. Сенсорная головка по п.124 или 125, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из эпоксидного компаунда с/без наполнителя.
131. Сенсорная головка по п.124 или 125, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из углепластика.
132. Сенсорная головка по п.124 или 125, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен из стеклопластика.
133. Сенсорная головка по пп.47-57, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) выполнен таким образом, чтобы преобразовывать измеряемое ускорение или вибрацию в продольную деформацию растяжения/сжатия одного из, по меньшей мере, двух чувствительных элементов на ВБР (13), причем второй чувствительный элемент на ВБР (13) находится при одинаковой температуре с первым, но устройство фиксации (15) исключает воздействие на него измеряемой величины, а преобразователь физической величины выполнен в виде подвижного массивного инерционного элемента на направляющих, ограничивающих его свободу перемещением вдоль выделенной оси измерения.
134. Сенсорная головка по п.133, отличающаяся тем, что величина свободного хода инерционного элемента ограничена пределами упругой деформации волоконного световода чувствительного элемента на ВБР (13).
135. Сенсорная головка по п.133, отличающаяся тем, что величина свободного хода инерционного элемента ограничена специальным ограничителем в пределах, не допускающих обрыва волоконного световода чувствительного элемента на ВБР (13).
136. Сенсорная головка по п.135, отличающаяся тем, что величина свободного хода инерционного элемента ограничена упруго-деформируемым элементом конструкции устройства фиксации (15), в котором полностью закреплен чувствительный элемент на ВБР (13).
137. Сенсорная головка по п.135, отличающаяся тем, что упруго-деформируемый элемент конструкции устройства фиксации (15) выполнен в виде пружины.
138. Сенсорная головка по п.135, отличающаяся тем, что упруго-деформируемый элемент конструкции устройства фиксации (15) выполнен в виде плоской пластины из конструкционного материала, а чувствительный элемент (13) прикреплен на поверхности по оси этой пластины таким образом, чтобы действующее ускорение приводило к изгибу пластины и растяжению/сжатию чувствительного элемента на ВБР (13).
139. Сенсорная головка по п.135, отличающаяся тем, что упруго-деформируемый элемент конструкции устройства фиксации (15) выполнен в виде плоской пластины из конструкционного материала, а чувствительный элемент (13) прикреплен по оси этой пластины таким образом, чтобы действующее ускорение приводило к продольному растяжению/сжатию этой пластины и растяжению/сжатию чувствительного элемента на ВБР (13).
140. Сенсорная головка по п.135, отличающаяся тем, что упруго-деформируемый элемент конструкции устройства фиксации (15) выполнен в виде полого цилиндрического стержня, а чувствительный элемент (13) размещен по оси этого стержня внутри.
141. Сенсорная головка по пп.47-57, отличающаяся тем, что измеряемое перемещение или сила преобразуются преобразователем физической величины (14) в продольную деформацию растяжения/сжатия первого из, как минимум,двух чувствительных элементов на ВБР (13), причем второй чувствительный элемент закреплен в устройстве фиксации (15) таким образом, чтобы не испытывать никаких механических деформаций, но иметь равную с первым температуру.
142. Сенсорная головка по п.141, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) осуществляет преобразование измеряемого перемещения или силы посредством пружины, один конец которой закреплен на упруго-деформируемом элементе конструкции устройства фиксации (15) чувствительного элемента на ВБР (13), а второй прикреплен к подвижной штанге таким образом, что перемещение штанги в пределах измеряемой величины приводит к натяжению пружины, которая, в свою очередь, обеспечивает продольную деформацию упруго-деформируемого элемента устройства фиксации (15) с прикрепленным к нему чувствительным элементом на ВБР (13).
143. Сенсорная головка по п.142, отличающаяся тем, что устройство фиксации чувствительного элемента (15) конструктивно объединено с корпусом (16), а подвижная штанга образует с корпусом коаксиальную телескопическую пару, внутри которой размещены по оси пружина и чувствительные элементы
144. Сенсорная головка по п.141, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) осуществляет преобразование измеряемого перемещения или силы посредством пружины, один конец которой закреплен на упруго-деформируемом элементе конструкции устройства фиксации (15) чувствительного элемента на ВБР (13), а второй прикреплен к подвижной штанге таким образом, что перемещение штанги в пределах измеряемой величины приводит к натяжению пружины, которая, в свою очередь, обеспечивает изгибную деформацию упруго-деформируемого элемента устройства фиксации с прикрепленным к нему чувствительным элементом на ВБР (13), при этом упруго-деформируемый элемент выполнен в виде пластины из конструктивного материала.
145. Сенсорная головка по п.144, отличающаяся тем, что упруго-деформируемый элемент конструкции устройства фиксации (15) выполнен из металла, а чувствительный элемент (13) прикреплен к его поверхности.
146. Сенсорная головка по п.144, отличающаяся тем, что упруго-деформируемый элемент конструкции устройства фиксации (15) выполнен из углепластика или стеклопластика, а чувствительный элемент (13) размещен внутри него.
147. Сенсорная головка по п.141, отличающаяся тем, что преобразователь физической величины (14) осуществляет преобразование посредством передачи регистрируемого перемещения непосредственно на упруго-деформируемый элемент, вызывая его изгибную деформацию, что приводит к натяжению/сжатию прикрепленного к нему чувствительного элемента на ВБР (13).
148. Выполненный в соответствии с указанными принципами унификации унифицированный модуль расширения числа оптических каналов, входящий в качестве составляющего элемента в универсальный модульный волоконно-оптический телеметрический комплекс, содержащий, по меньшей мере, одну оптическую светоделительную систему (11), оптический интерфейс (2).
149. Унифицированный модуль расширения числа оптических каналов по 148, отличающийся тем, что светоделительная оптическая система (11) выполнена на основе сплавных волоконных ответвителей.
150. Унифицированный модуль расширения числа оптических каналов по 148, отличающийся тем, что светоделительная оптическая система (11) выполнена на основе интегрально-оптических ответвителей.
151. Унифицированный модуль расширения числа оптических каналов по 148, отличающийся тем, что светоделительная оптическая система (11) выполнена на основе объемных оптических элементов.
152. Выполненный в соответствии с указанными принципами унификации унифицированный модуль коммутации оптических каналов, входящий в качестве составляющего элемента в универсальный модульный волоконно-оптический телеметрический комплекс, содержащий коммутирующую оптическую систему (12), оптический интерфейс (2), электронный управляющий интерфейс (6).
153. Унифицированный модуль коммутации оптических каналов по п.152, отличающийся тем, что коммутирующая оптическая система (12) построена на основе электрооптических дефлекторов.
154. Унифицированный модуль коммутации оптических каналов по п.152, отличающийся тем, что коммутирующая оптическая система (12) построена на основе электромеханических оптических дефлекторов.
155. Унифицированный модуль коммутации оптических каналов по п.152, отличающийся тем, что коммутирующая оптическая система (12) построена на основе технологии МЭМС.
