CZ34620U1

CZ34620U1 - Optovláknový senzor pro měření deformace v prostředí se zvýšenou radiací a sestava obsahující optovláknový senzor

Info

Publication number: CZ34620U1
Application number: CZ2020-38086U
Authority: CZ
Inventors: Radek HELÁN; Jakub Somer; Radim Šifta; František URBAN
Original assignee: Network Group, S.R.O.
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2020-11-30

Description

Optovláknový senzor pro měření deformace v prostředí se zvýšenou radiací a sestava obsahující optovláknový senzor

Oblast techniky

Technické řešení se týká optovláknového senzoru pro měření deformace konstrukcí, a to i v prostředí se silným elektromagnetickým rušením a v prostředí se zvýšenou úrovní ionizujícího záření (radiací). Technické řešení se rovněž týká sestavy obsahující optovláknový senzor.

Dosavadní stav techniky

Dosud se k měření deformace konstrukcí využívaly nejčastěji strunové tenzometry, kde se měří změna frekvenční odezvy kmitů kovové struny pomocí indukčních budičů/snímačů. Nevýhodou těchto snímačů a integrované elektroniky je nízká odolnost vůči elektromagnetickému rušení a radiaci, a tím omezená možnost jejich využití v takovém prostředí.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody dosavadního stavu techniky jsou eliminovány optovláknovým senzorem pro měření deformace konstrukcí, který zahrnuje

- první nosník,

- druhý nosník,

- ochrannou trubici, která je uložena jedním koncem v prvním nosníku a druhým koncem ve druhém nosníku,

- jezdec, který je uspořádaný přestavitelně a zafixovatelně na prvním nosníku, a

- měřicí vlákno, které je upevněné k jezdci na prvním nosníku a ke druhému nosníku a mezi těmito upevněními prochází ochrannou trubicí.

Výhodná provedení jsou definována v závislých nárocích na ochranu.

Tento optovláknový senzor tak využívá snímacích elementů založených na optických vláknech s Braggovými mřížkami (FBG - Fiber Bragg Grating), které jsou imunní vůči elektromagnetickému rušení a mají vysokou odolnost vůči radiaci (obzvláště při využití optických vláken s dopací fluorem). Vlastní senzor je pasivní, nepotřebuje elektrické napájení a se vzdálenou vyhodnocovací jednotkou je propojen pouze pomocí dielektrických optických vláken.

Deformace je přenášena pomocí dvou nosníků, které jsou zafixovány k měřené konstrukci a mezi kterými je napnuté měřicí optické vlákno. Předpětí měřicího optického vláknaje možné dostavovat pomocí jezdce. Senzorická Braggova mřížka je vepsána v měřicím vlákně mezi nosníky. Změna vzdálenosti měřicích bodů je přenášena na měřicí optické vlákno formou změny mechanického napětí, které vyvolá změnu spektrálních vlastností senzorické Braggovy mřížky (posunem Braggovy rezonanční vlnové délky). Senzorická Braggova mřížka má vlastní teplotní závislost, proto je v blízkosti měřicího optického vlákna se senzorickou Braggovou mřížkou umístěno druhé, referenční optické vlákno obsahující referenční Braggovu mřížku, které není fixované, a změnu jejich spektrálních vlastností způsobuje pouze teplota. Kompenzace teplotních vlivů probíhá na základě rozdílu Braggovy rezonanční vlnové délky referenční a senzorické Braggovy mřížky. Při

-1 CZ 34620 UI vhodném prostorovém uspořádání senzorické a referenční Braggovy mřížky může být dosaženo plné teplotní kompenzace, kdy je dosaženo měření deformace nezávislé na okolní teplotě.

Vyhodnocování uvedeného senzoru deformace může probíhat například s využitím širokopásmového zdroje světla v kombinaci se spektrálním analyzérem. Výhodou je využití vláken s nízkým optickým útlumem pro přenos měřených signálů a tím možnosti umístění vyhodnocovací jednotky až několik kilometrů od místa měření. Další výhodou je možnost sériového řazení optovláknových senzorů s využitím spektrální separace odezvy od jednotlivých optovláknových senzorů bez vzájemného ovlivnění měření na jednotlivých senzorech.

Měřicí optické vlákno je přednostně k nosníkům upevněno lepením, jsou možné i alternativní způsoby upevnění, např. pájení či mechanická fixace pomocí přítlačného prvku, který přitlačí měřicí optické vlákno k povrchu nosníku.

Nosníky pro přenos deformace na optické vlákno musí mít dostatečně tuhou konstrukci a musí být vyrobeny z vhodného materiálu, aby nedocházelo vlivem reakční síly k deformaci vlastních nosníků (a tím zkreslení měření). Vhodným materiálem je nerezavějící ocel, dural, keramika apod.

Přednostně je průměr optického vlákna 125 pm a optické vlákno je vyrobeno z křemenného skla s dopací germaniem nebo fluorem, nebo ze safíru.

Sestava podle tohoto technického řešení obsahuje výše uvedený optovláknový senzor deformací a dále zdroj světelného záření, který je opticky propojen s připojovacími konci optických vláken pro vysílání světelného záření na Braggovy mřížky v měřicím a referenčním vlákně.

Tato sestava s výhodou dále obsahuje alespoň jeden fotodetektor, který je opticky propojený s připojovacími konci optických vláken pro přijímání světelného záření odraženého od Braggových mřížek senzorického a referenčního vlákna.

Objasnění výkresů

Technické řešení je dále podrobněji popsáno pomocí příkladného provedení, které je schematicky znázorněno na výkresech, kde na obr. 1 je příkladné provedení v pracovním stavu a na obr. 2 je stejné příkladné provedení při nastavování pozice jezdce.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příkladné provedení optovláknového senzoru dle tohoto technického řešení znázorněné na obr. 1 a obr. 2 obsahuje nosníky 2a a 2b, které jsou uspořádané se vzájemným rozestupem a každý z nich obsahuje nosný průchozí otvor 16a. 16b.

Optovláknový senzor dále obsahuje ochrannou trubici 6, jejíž jeden konec je uložen v nosném průchozím otvoru 16a prvního nosníku 2a a druhý konec je uložen v nosném průchozím otvoru 16b druhého nosníku 2b. Každý z nosníků 2a, 2b dále obsahuje aretační otvor 7a. 7b. z nichž každý je opatřený vnitřním závitem a prochází z vnější strany nosníku 2a, 2b do dutiny tvořené nosným průchozím otvorem 16a, 16b.

Neznázoměným aretačním šroubem zavedeným do prvního aretačního otvoru 7a tak lze zajistit polohu ochranné trubice 6 v nosném průchozím otvoru 16a prvního nosníku 2a, neznázoměným aretačním šroubem zavedeným do druhého aretačního otvoru 7b lze zajistit polohu ochranné trubice 6 v nosném průchozím otvoru 16b druhého nosníku 2b.

- 2 CZ 34620 UI

V ochranné trubici 6 je uložena vnitřní trubice 9, a to tak, že její podélná osa je rovnoběžná s podélnou osou ochranné trubice 6. V tomto příkladném provedení je vnitřní trubice 9 upevněna k vnitřní stěně ochranné trubice 6.

Nosníky 2a, 2b a ochranná trubice 6 jsou z křemíku nebo kovu nebo kovové slitiny, přednostně z duralu nebo oceli, nejlépe z nerezové oceli.

Druhý nosník 2b obsahuje pevnou drážku 3 pro uložení měřicího optického vlákna L

První nosník 2a obsahuje vodicí drážku 20, jejíž podélná osa je rovnoběžná s podélnou osou ochranné trubice 6 a zejména nosného průchozího otvoru 16a prvního nosníku 2a.

Technické řešení dále obsahuje jezdec pro nastavování napnutí měřicího optického vlákna L

Jezdec obsahuje základnu 10. která je suvně uložena ve vodicí drážce 20 pro vedení pohybu jezdce, a držák 4, který je upevněný na základně 10 a opatřený přestavovací drážkou 41 pro uchycení měřicího optického vlákna 1.

K jezdci jsou na každé straně vodicí drážky 20 přiřazeny fixační prvky pro fixaci polohy jezdce. V tomto příkladném provedení obsahuje každý fixační prvek L profil 15, který svou přítlačnou částí dosedá na jezdce a příchytnou částí přiléhá k povrchu prvního nosníku 2a a je k ní přichycen příchytným šroubem 5 procházejícím skrz otvor v příchytné části L profilu 15 a zašroubovaným v otvoru v prvním nosníku 2a.

Fixaci polohy jezdce ve vodicí drážce 20 lze ale zajistit i konstrukčně jinými fixačními prvky, například lze první nosník 2a opatřit alespoň jedním pomocným průchozím závitovým otvorem, který je zaústěný přes boční stěnu do vodicí drážky 20 a do kterého lze zašroubovat fixační šroub tak, aby tlakem na základnu 10 jezdce fixoval polohu jezdce.

Pro nastavování jezdce do požadované polohy je toto příkladné provedení doplněno nástavcem 14 s upevňovacími šrouby 12 a seřizovacím šroubem 13. Nástavec 14 je připevněn k prvnímu nosníku 2a pomocí upevňovacích šroubů 12 na straně odvrácené od ústí ochranné trubice 6. Seřizovači šroub 13 prochází skrz nástavec 14 a je částečně zašroubován do jezdce, konkrétně do jeho základny 10 tak, že jeho podélná osa prochází rovnoběžně s podélnou osou vodicí drážky 20 (a s podélnou osou ochranné trubice 6).

Znázorněný optovláknový senzor dále obsahuje měřicí optické vlákno 1, ve kterém je vepsaná Braggova mřížka, a referenční optické vlákno 8, ve kterém je rovněž vepsaná Braggova mřížka.

Jako optická vlákna 1, 8 lze použít například jednovidová vlákna z křemenného skla s germaniem dopovaným jádrem s vnějším průměrem 80 až 170 pm, přednostně s vnějším průměrem 125 pm. Alternativně lze použít i vlákna z křemenného skla s fluorem dopovaným pláštěm, které má ještě vyšší odolnost vůči radiaci, ale horší vlastnosti z hlediska sestavování konstrukce optovláknového senzoru a vyšší pořizovací cenu.

Referenční optické vlákno 8 je volně uloženo ve vnitrní trubici 9.

Měřicí optické vlákno 1 je uloženo v ochranné trubici 6, mimo vnitřní trubici 9. Přitom je na jedné straně pomocí lepidla upevněno do přestavovací drážky 41 v jezdci 4 v prvním nosníku 2a a na druhé straně je pomocí lepidla zafixováno do pevné drážky 3 ke druhému nosníku 2b.

-3CZ 34620 UI

Optovláknový senzor pracuje následovně:

Konce ochranné trubice 6 se upevní v nosnících 2a, 2b. Vzájemná vzdálenost nosníků 2a, 2b se zajistí pomocí aretačních šroubů v aretačních otvorech 7a, 7b. Nástavec 14 se připevní k prvnímu nosníku 2a, seřizovači šroub 13 se částečně zašroubuje do závitového otvoru jezdce a jezdec se upevní pomocí L profilů 15 a příchytných šroubů 5 k prvnímu nosníku 2a.

Vnitřní trubicí 9 se protáhne referenční vlákno 8. Měřicí vlákno 1 se protáhne ochrannou trubicí 6 a na jedné straně se uloží do pevné drážky 3 a zalije lepidlem, napne se, a na druhé straně se uloží do přesouvací drážky 41 a zalije lepidlem.

Poté se optický senzor přemístí na místo měření a upevní k podkladu, jehož deformace má být měřena. Po upevnění nosníků 2a. 2b k měřenému podkladu se vyšroubují aretační šrouby. Rovněž se povolí příchytné šrouby 5 a seřizovacím šroubem se otáčí za účelem posuvu jezdce, a tedy úpravy předepnutí měřicího vlákna 1. Po ustavení požadované polohy jezdce se příchytné šrouby 5 opět utáhnou a tím dojde k fixaci polohy jezdce vzhledem k prvnímu nosníku 2a.

Následně se měřicí optické vlákno 1 a referenční optické vlákno 8 optovláknového senzoru propojí se zdrojem světelného záření a rovněž s fotodetektory (neznázoměno). Poté se průběžně vysílá světelné záření do obou optických vláken 1, 8 a odražené či procházející záření se snímá fotodetektory a vyhodnocuje, jak je to popsáno výše v kapitole Podstata technického řešení.

Naměřeném povrchu lze uspořádat soustavu takovýchto optovláknových senzorů. Přitom je možné řadit optovláknové senzory sériově za sebe, přičemž měřicí i referenční optická vlákna 1, 8 jsou průběžná, případně spojená za sebou. Pokud se vepsané Braggovy mřížky v optických vláknech 1, 8 vyrobí s odlišnou periodou, dojde k frekvenčnímu oddělení odezvy senzoru a sériově řazené senzory' se nebudou ovlivňovat,

Optovláknový senzor jako celek je při měření s výhodou uspořádán v hermeticky uzavřeném pouzdře.

Ačkoli byla popsána zvlášť výhodná příkladná provedení, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Proto rozsah ochrany není omezen na tato příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených nároků na ochranu.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Optovláknový senzor pro měření deformace konstrukcí, vyznačující se tím, že zahrnuje

- první nosník (2a),

- druhý nosník (2b),

- ochrannou trubici (6), která je uložena jedním koncem v prvním nosníku (2a) a druhým koncem ve druhém nosníku (2b),

- jezdec, který je uspořádaný přestavítelně a zafixovatelně na prvním nosníku (2a), a

- měřicí vlákno (1), které je upevněné k jezdci na prvním nosníku (2a) a ke druhému nosníku (2b) a mezi nimi prochází ochrannou trubicí (6).
2. Optovláknový senzor podle nároku 1, vyznačující se tím, že konce ochranné trubice (6) jsou suvně uloženy v nosných průchozích otvorech (16a, 16b) nosníků (2a, 2b).
3. Optovláknový senzor podle nároku 2, vyznačující se tím, že alespoň jeden z nosníků (2a, 2b) je opatřený aretaěním otvorem (7a, 7b) s vnitřním závitem, který je průchozí a ústí do dutiny nosného průchozího otvoru (16a, 16b), a aretaěním šroubem zašroubovatelným do aretaěního otvoru (7a, 7b) pro aretaci polohy ochranné trubice (6) v nosném průchozím otvoru (16a, 16b).
4. Optovláknový senzor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že dále zahrnuje referenční optické vlákno (8), které je uloženo v ochranné trubici (6) s odstupem od měřicího optického vlákna (1).
5. Optovláknový senzor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že dále zahrnuje vnitřní trubici (9), která je upevněná v ochranné trubici (6), a jejíž podélná osa prochází rovnoběžně s podélnou osou ochranné trubice (6).
6. Optovláknový senzor podle nároků 4 a 5, vyznačující se tím, že referenční optické vlákno (8) prochází vnitřní trubicí (9).
7. Optovláknový senzor podle kteréhokoliv z nároků 4 až 6, vyznačující se tím, že měřicí optické vlákno (1) a referenční optické vlákno (8) je jednovidové vlákno z křemenného skla s jádrem dopovaným germaniem nebo pláštěm dopovaným fluorem, nebo ze safíru.
8. Optovláknový senzor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že jezdec obsahuje přesouvací drážku (41), ve které je upevněno měřicí optické vlákno (1), a druhý nosník (2b) obsahuje pevnou drážku (3), ve které je upevněno měřicí optické vlákno (1).
9. Optovláknový senzor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že první nosník (2a) obsahuje vodicí drážku (20), jejíž podélná osaje rovnoběžná s podélnou osou ochranné trubice (6), a ve které je suvně a zafixovatelně uložený jezdec.
10. Optovláknový senzor podle nároku 9, vyznačující se tím, že dále zahrnuje alespoň jeden fixační prvek, který má

- příchytnou část, která je fixačním šroubem přichycena k prvnímu nosníku (2a) v oblasti přiléhající k vodicí drážce (20), a

- přítlačnou část pro fixaci polohy jezdce ve vodicí drážce (20) tlakem na přítlačné části jezdce.
11. Optovláknový senzor podle nároku 10, vyznačující se tím, že fixační prvek je L profil (15).
12. Optovláknový senzor podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že obsahuje dvojici fixačních prvků, které jsou uspořádány navzájem protilehle každý na jedné straně vzhledem k vodicí drážce (20).

-5CZ 34620 UI
13. Sestava, která obsahuje optovláknový senzor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků v kombinaci s nárokem 4, vyznačující se tím, že dále obsahuje zdroj světelného záření, který je opticky propojený s měřicím optickým vláknem (1) a s referenčním optickým vláknem (8) 5 a uzpůsobený pro vysílání světelného záření na Braggovy mřížky v měřicím optickém vlákně (1) a v referenčním optickém vlákně (8).
14. Sestava podle nároku 13, vyznačující se tím, že dále obsahuje první fotodetektor, který je opticky propojený s měřicím optickým vláknem (1) pro přijímání světelného záření odraženého od ίο Braggovy mřížky měřicího optického vlákna (1), a druhý fotodetektor, který je opticky propojený s referenčním optickým vláknem (8) pro přijímání světelného záření odraženého od Braggovy mřížky referenčního optického vlákna (8).