RU159893U1

RU159893U1 - COMBINED FIBER OPTICAL SENSOR

Info

Publication number: RU159893U1
Application number: RU2015112150/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Гречанов; Александр Николаевич Наумов; Максим Алексеевич Солодянкин; Борис Васильевич Авдеев; Илья Михайлович Алексейчук
Original assignee: ЗАО "Лазер Солюшенс"
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2016-02-20

Abstract

1. Волоконно-оптический сенсор температуры и деформации на основе регистрации продольного распределения параметров рассеянного излучения, содержащий центральный оптический модуль в виде трубки, с размещенным в ней плотно, без скольжения, оптическим волокном, периферийные оптические трубчатые модули в виде сплошного повива вокруг центрального модуля, со свободно уложенными в них оптическими волокнами, армирующие элементы и наружную защитную оболочку, отличающийся тем, что центральный оптический модуль выполнен в виде армированного волокном пластикового прутка с вклеенным оптическим волокном.2. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что армированный волокном пластиковый пруток выполнен из стеклопластика или арамидопластика.3. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что размещенное в центральном оптическом модуле оптическое волокно имеет плотное полимерное покрытие.4. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно размещено в центральном оптическом модуле по его оси.1. An optical fiber temperature and strain sensor based on recording a longitudinal distribution of scattered radiation parameters, comprising a central optical module in the form of a tube, an optical fiber placed tightly, non-slip in it, peripheral optical tube modules in the form of a continuous coil around the central module, with optical fibers freely laid in them, reinforcing elements and an outer protective sheath, characterized in that the central optical module is made in the form of reinforced local plastic rod with glued optical fiber. 2. The sensor according to claim 1, characterized in that the fiber-reinforced plastic rod is made of fiberglass or aramidoplastics. 3. The sensor according to claim 1, characterized in that the optical fiber located in the central optical module has a dense polymer coating. The sensor according to claim 1, characterized in that the optical fiber is placed in the central optical module along its axis.

Description

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров, на основе регистрации распределения параметров структуры рассеянного излучения, в которых оптические волокна используются в качестве чувствительных элементов.The invention relates to sensors, namely, to designs of fiber-optic sensors, based on recording the distribution of scattered radiation structure parameters in which optical fibers are used as sensitive elements.

Для измерения распределения температуры в оптическом волокне используются методы, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (КР, или эффект Рамана) и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ).Methods based on the effects of Raman scattering (Raman scattering, or the Raman effect) and Mandelstam-Brillouin scattering (RMB) are used to measure the temperature distribution in an optical fiber.

Эффект КР обусловлен взаимодействием излучения с тепловыми молекулярными колебаниями в среде. Отраженный (Рамановский) сигнал содержит информацию о температуре в точке рассеяния. Поскольку мощность Рамановского излучения очень мала, в качестве чувствительного элемента обычно используются многомодовые волокна с большой апертурой.The Raman effect is due to the interaction of radiation with thermal molecular vibrations in the medium. The reflected (Raman) signal contains information about the temperature at the scattering point. Since the power of Raman radiation is very small, multimode fibers with a large aperture are usually used as a sensitive element.

Известны волоконно-оптические распределенные сенсоры, предназначенные для мониторинга различных объектов, работа которых основана на регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, например, волоконно-оптические датчики измерения распределения температуры, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (эффект Рамана), в которых амплитуда рассеянного сигнала зависит от температуры (URL: http://temperatures.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury, дата обращения 13/03/2015; URL: http://www.thermal-rating.com/Menu/Technology/Distributed+Temperature+Sensing, дата обращения 13/03/2015; URL: http://www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/. дата обращения 13/03/2015; патент на полезную модель РФ №65223, опубликован 27/07/2007).Fiber-optic distributed sensors are known for monitoring various objects whose operation is based on recording parameters of the fine structure of scattered radiation, for example, fiber-optic sensors for measuring temperature distribution based on Raman effects (Raman effect), in which the amplitude of the scattered signal depends temperature (URL: http://temperatures.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury, accessed 13/03/2015; URL: http://www.thermal-rating.com/Menu/Technology/Distributed+Temperature+Sensing, date access 03/03/2015; URL: http://www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/. access date 13/03/2015; patent for utility model of the Russian Federation No. 65223, published on 07/27/2007).

Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне возникает в результате взаимодействия излучения с акустическими волнами (звуковыми волнами) гигагерцового диапазона. Этот эффект можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния.Mandelstam-Brillouin scattering in an optical fiber occurs as a result of the interaction of radiation with acoustic waves (sound waves) of the gigahertz range. This effect can be regarded as the diffraction of light by a moving grating created by an acoustic wave. Thus, the reflected signal experiences a Doppler frequency shift, since the grating moves with the speed of sound. The speed of sound is directly related to the density of the material and depends both on its temperature and on internal mechanical stress (deformation). As a result, the magnitude of the Brillouin frequency shift carries information about the temperature and strain at the scattering point.

Таким образом, в датчиках на основе РМБ измеряется частота, в датчиках на основе КР - интенсивность сигнала. Частотные измерения можно осуществить с высокой точностью, в то время как интенсивность сигнала рассеянного излучения зависит от потерь во всем оптическом тракте и которые могут меняться со временем. Поэтому сенсоры, использующие эффект РМБ, обладают большей точностью и лучшей стабильностью во времени.Thus, the frequency is measured in the sensors based on the RMB, and the signal intensity in the sensors based on the RS. Frequency measurements can be carried out with high accuracy, while the intensity of the scattered radiation signal depends on the losses in the entire optical path and which can vary with time. Therefore, sensors using the RMB effect have greater accuracy and better stability over time.

Эффект РМБ может значительно усиливаться, если в световод наряду с основным сигналом (сигналом накачки) ввести так называемый пробный сигнал. При выполнении условия резонанса, когда разность частот излучения накачки и пробного сигнала в точности равна Бриллюэновскому сдвигу частоты, мощность рассеянного излучения существенно усиливается (эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, ВРМБ). Частота пробного сигнала, при которой выполняется условие резонанса, зависит от температуры и внутреннего механического напряжения в оптическом волокне. За счет увеличения мощности рассеянного сигнала улучшается отношение сигнал-шум в выходных данных. Это, в свою очередь, значительно снижает время измерения и повышает точность измерения в точке рассеяния.The RMB effect can be significantly enhanced if, along with the main signal (pump signal), the so-called test signal is introduced into the fiber. When the resonance condition is satisfied, when the difference between the frequencies of the pump radiation and the probe signal is exactly equal to the Brillouin frequency shift, the power of the scattered radiation is significantly enhanced (Mandelstam-Brillouin stimulated scattering effect, SBS). The frequency of the test signal at which the resonance condition is satisfied depends on the temperature and internal mechanical stress in the optical fiber. By increasing the power of the scattered signal, the signal-to-noise ratio in the output is improved. This, in turn, significantly reduces the measurement time and increases the accuracy of the measurement at the scattering point.

Определение места, в котором измеряется температура или деформация, происходит на основе технологии, схожей с применяемой в радарных установках (рефлектометрия). В оптическое волокно запускаются лазерные импульсы, и характеристики рассеянного излучения записываются как функции времени. При известном значении скорости света можно вычислить температуру или величину деформации (растяжения) оптического волокна в зависимости от расстояния. Пространственное разрешение таких измерений определяется длительностью оптического импульса (например, импульсы длительностью 10 не задают точность измерения расстояния, равную 1 м). Оптические рефлектометры позволяют измерять распределение деформации или температуры в оптическом волокне длиной свыше нескольких километров. Частотный сдвиг Мандельштама-Бриллюэна для стандартных одномодовых волокон составляет примерно 500 МГц на один процент удлинения волокна (иные воды деформации могут быть представлены через удлинение) и примерно 1 МГц/град.The determination of the place at which temperature or deformation is measured is based on a technology similar to that used in radar installations (reflectometry). Laser pulses are triggered into the optical fiber, and the characteristics of the scattered radiation are recorded as functions of time. With the known value of the speed of light, one can calculate the temperature or the amount of deformation (tension) of the optical fiber depending on the distance. The spatial resolution of such measurements is determined by the duration of the optical pulse (for example, pulses with a duration of 10 do not set the accuracy of the distance measurement equal to 1 m). Optical time domain reflectometers allow measuring the distribution of strain or temperature in an optical fiber longer than several kilometers. The Mandelstam-Brillouin frequency shift for standard single-mode fibers is about 500 MHz by one percent elongation of the fiber (other strain water can be represented by elongation) and about 1 MHz / deg.

Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: http://nepa-ru.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, дата обращения 13/03/2015; URL: http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/. дата обращения 13/08/2014). Недостатком известных сенсоров является невозможность одновременного измерения в одном и том же сенсоре температуры и деформации, что усложняет задачу измерения распределений деформации и температуры, так как требует использования двух типов сенсоров: деформации и температуры.Known fiber-optic sensors for the distribution of temperature or internal mechanical stress (tension), based on the registration of the frequency shift of the scattered radiation (Mandelstam-Brillouin effect) (URL: http://nepa-ru.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, date access 03/13/2015; URL: http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/. access date 13/08/2014). A disadvantage of the known sensors is the impossibility of simultaneously measuring temperature and deformation in the same sensor, which complicates the task of measuring the distribution of deformation and temperature, since it requires the use of two types of sensors: deformation and temperature.

Конструкция волоконно-оптического сенсора температуры, на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, должна обеспечивать нечувствительность сенсора к деформации (растяжению), что достигается свободной укладкой оптического волокна, с избыточной длиной, внутри оптического модуля, а также за счет повива оптического модуля, вокруг центрального элемента, с требуемым шагом. Чем меньше шаг повива модуля, тем больше избыточная длина оптического волокна, тем больше ресурс нечувствительности к растяжению. Точно так же, через избыточную длину оптического волокна, обеспечивается нечувствительность к растяжению, изгибу, кручению, в оптических кабелях связи, для сохранения их передаточных характеристик. Следовательно, большинство конструкций оптических кабелей связи применимы в качестве сенсоров распределения температуры на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна. Применение внутримодульного гидрофобного заполнения улучшает также и тепловой контакт.The design of the fiber-optic temperature sensor, based on recording the frequency shift of the scattered radiation by Mandelstam-Brillouin, should ensure that the sensor is insensitive to deformation (stretching), which is achieved by free laying of the optical fiber, with excess length, inside the optical module, as well as by winding the optical module , around the central element, with the required pitch. The smaller the pitch of the module, the greater the excess length of the optical fiber, the greater the life of the tensile insensitive. In the same way, through the excess length of the optical fiber, insensitivity to stretching, bending, torsion in optical communication cables is provided to preserve their transfer characteristics. Therefore, most designs of optical communication cables are applicable as temperature distribution sensors based on recording the frequency shift of the scattered radiation of Mandelstam-Brillouin. The use of intramodular hydrophobic filling also improves thermal contact.

Сенсоры деформации (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, должны содержать оптические волокна, расположенные строго параллельно оси сенсора, в плотном механическом контакте с наружными оболочками сенсора и объектом мониторинга. Конструкция сенсора деформации должна исключать взаимное скольжение ее элементов в диапазоне допустимых деформаций.Deformation (tension) sensors, based on recording the frequency shift of the scattered Mandelstam-Brillouin radiation, must contain optical fibers located strictly parallel to the axis of the sensor, in tight mechanical contact with the outer shells of the sensor and the monitoring object. The design of the strain sensor should exclude mutual sliding of its elements in the range of permissible deformations.

Известен волоконно-оптический комбинированный сенсор распределения деформации и температуры, предназначенный для систем мониторинга на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, представленный в патенте на полезную модель РФ №122773, опубликованном 10/12/2012. Известный сенсор позволяет регистрировать распределение деформации посредством плотной, без проскальзывания, связи первого оптического волокна с армирующим покрытием и наружной оболочкой и одновременно регистрировать изменения температуры через параллельно размещенное, свободно уложенное в полимерном модуле, второе оптическое волокно. Известный сенсор содержит оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, армирующее покрытие и наружную полимерную оболочку, а также дополнительное оптическое волокно, свободно уложенное в оптическом модуле. Недостатком известного сенсора является сложность технологии его изготовления.Known fiber-optic combined sensor of the distribution of strain and temperature, designed for monitoring systems based on the registration of parameters of the fine structure of the scattered radiation, presented in the patent for utility model of the Russian Federation No. 122773, published on 10/12/2012. The known sensor allows you to record the distribution of deformation by tight, without slipping, the connection of the first optical fiber with a reinforcing coating and the outer sheath and simultaneously record temperature changes through a parallel, freely laid in the polymer module, the second optical fiber. The known sensor contains an optical fiber in a dense polymer coating, a reinforcing coating and an outer polymer shell, as well as an additional optical fiber freely laid in the optical module. A disadvantage of the known sensor is the complexity of its manufacturing technology.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели решением (прототипом) является известное техническое решение, представленное в патенте РФ на полезную модель №122784, опубликованном 10.12.2012. Прототип позволяет производить независимые измерения температурного распределения и распределения механических напряжений, например, с помощью технологии бриллюэновской рефлектометрии. Известное техническое решение содержит центральный оптический модуль в виде одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке с возможностью предотвращения их осевого перемещения относительно последней, периферийные оптические модули, выполненные в виде одномодовых оптических волокон, свободно уложенных в трубчатые элементы, охватывающие центральный оптический модуль спиральным одно или двухслойным повивом по его длине, водоблокирующую обмотку, размещенную поверх периферийных оптических модулей и охваченную снаружи промежуточной оболочкой, и броню, размещенную между промежуточной и наружной оболочками. Для предотвращения осевого перемещения одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке, относительно последней, металлическая трубка с размещенными в ней одномодовыми оптическими волокнами заполнена тиксотропным гелем повышенной вязкости или кремнийорганическим компаундом с низким модулем упругости и химическим отверждением. Периферийные трубчатые элементы со свободно уложенными в них оптическими волокнами, выполнены из полимера, например полиэтилена, и заполнены тиксотропным гелем стандартной вязкости.The closest solution to the proposed utility model (prototype) is the well-known technical solution presented in the patent of the Russian Federation for utility model No. 122784, published on 12/10/2012. The prototype allows independent measurements of the temperature distribution and distribution of mechanical stresses, for example, using Brillouin reflectometry technology. The known technical solution comprises a central optical module in the form of single-mode optical fibers placed in a metal tube with the possibility of preventing their axial movement relative to the latter, peripheral optical modules made in the form of single-mode optical fibers freely laid in tubular elements enclosing the central optical module in a spiral one or two-layer midwave along its length, a water-blocking winding placed on top of peripheral optical modules and covered by sleep rifles with an intermediate shell, and armor placed between the intermediate and outer shells. To prevent axial movement of single-mode optical fibers placed in a metal tube relative to the latter, the metal tube with single-mode optical fibers placed in it is filled with a thixotropic gel of increased viscosity or an organosilicon compound with a low elastic modulus and chemical curing. The peripheral tubular elements with optical fibers freely laid in them are made of polymer, for example polyethylene, and are filled with a standard viscosity thixotropic gel.

К недостаткам прототипа следует отнести технологическую сложность обеспечения механической связи покрытия оптического волокна с внутренней поверхностью металлической трубки. Даже применение химически отверждаемых кремнийорганических компаундов не создает уверенности в отсутствии взаимного скольжения оптического волокна относительно металлической оболочки модуля, которое приводит к снижению точности измерения деформации. Другим недостатком прототипа является малый диапазон упругой деформации растяжения металлического модуля и металлической брони (типично не более 0,5%), что снижает диапазон допустимых внешних воздействий, особенно неоднократных, как например, в процессе монтажа. Кроме того малый диапазон упругой деформации растяжения металлического модуля снижает метрологические характеристики в целом, особенно при измерении знакопеременных деформаций в области пластических деформаций металла.The disadvantages of the prototype include the technological complexity of providing a mechanical connection of the coating of the optical fiber with the inner surface of the metal tube. Even the use of chemically curable organosilicon compounds does not create confidence in the absence of mutual sliding of the optical fiber relative to the metal shell of the module, which leads to a decrease in the accuracy of strain measurements. Another disadvantage of the prototype is the small range of elastic tensile strain of the metal module and metal armor (typically not more than 0.5%), which reduces the range of permissible external influences, especially repeated ones, such as during installation. In addition, a small range of elastic tensile strain of the metal module reduces the metrological characteristics as a whole, especially when measuring alternating deformations in the region of plastic deformations of the metal.

Поставленная задача состояла в разработке конструкции комбинированного сенсора, предназначенного для измерения распределения температуры и деформации, с расширенным диапазоном допустимых деформаций, расширенным диапазоном измеряемых деформаций, исключающей возможность скольжения оптического волокна относительно армирующих элементов сенсора.The task was to develop the design of a combined sensor designed to measure the distribution of temperature and deformation, with an expanded range of permissible deformations, an expanded range of measured deformations, eliminating the possibility of sliding of the optical fiber relative to the reinforcing elements of the sensor.

Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение диапазона допустимых деформаций растяжения, расширение диапазона измеряемых деформаций, а также упрощение технологии изготовления центрального оптического модуля, содержащего механически связанное с ним оптическое волокно.The technical result of the claimed utility model is to expand the range of permissible tensile deformations, expand the range of measured strains, and also simplify the manufacturing technology of the central optical module containing an optical fiber mechanically coupled to it.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор температуры и деформации, на основе регистрации продольного распределения параметров рассеянного излучения, содержит центральный оптический модуль, в виде трубки, с размещенным в ней плотно, без скольжения, оптическим волокном, периферийные оптические трубчатые модули, в виде сплошного повива вокруг центрального модуля, со свободно уложенными в них оптическими волокнами, армирующие элементы и наружную защитную оболочку, отличается тем, что центральный оптический модуль выполнен в виде армированного волокном пластикового прутка, с вклеенным оптическим волокном. В частности, армированный волокном пластиковый пруток может быть выполнен из стеклопластика или арамидопластика. Размещенное в центральном оптическом модуле оптическое волокно может иметь плотное полимерное покрытие. Оптическое волокно может быть размещено в центральном оптическом модуле по его оси. Расположенные в периферийных оптических трубчатых модулях оптические волокна могут быть уложены с избыточной длиной не менее 2%. Свободное пространство в периферийных оптических трубчатых модулях может быть заполнено тиксотропным гелем. Армирующие элементы могут быть выполнены в виде повива из стеклопластиковых прутков. Также, армирующие элементы могут быть выполнены в виде повива из стальных проволок.The technical result is achieved by the fact that the fiber-optic temperature and strain sensor, based on the registration of the longitudinal distribution of the scattered radiation parameters, contains a central optical module, in the form of a tube, with an optical fiber placed tightly in it, without slipping, peripheral optical tubular modules, in the form of a continuous coil around the central module, with optical fibers freely laid in them, the reinforcing elements and the outer protective sheath, characterized in that the central optical The module is formed as a fiber reinforced plastic rod, a pasted optical fiber. In particular, a fiber-reinforced plastic rod may be made of fiberglass or aramidoplastics. The optical fiber located in the central optical module may have a dense polymer coating. The optical fiber can be placed in the Central optical module along its axis. Optical fibers located in peripheral optical tube modules can be stacked with an excess length of at least 2%. The free space in the peripheral optical tube modules can be filled with a thixotropic gel. Reinforcing elements can be made in the form of a fiber from fiberglass rods. Also, the reinforcing elements can be made in the form of coils of steel wires.

Преимуществом центрального оптического модуля с размещенным в нем плотно, без скольжения, оптическим волокном в случае его исполнения в виде армированного волокном пластикового прутка, с вклеенным оптическим волокном является технологичность и простота его изготовления на существующем оборудовании. Использование для размещения в центральном оптическом модуле оптического волокна в плотном полимерном покрытии обеспечивает дополнительную защиту оптического волокна в процессе изготовления сенсора и упрощает разделку сенсора и отделение оптического волокна от стеклопластика или арамидопластика в процессе подготовки к соединению. Размещение оптического волокна в центральном оптическом модуле по его оси снижает его деформацию при изгибе сенсора.The advantage of the central optical module with a tightly placed, non-slip, optical fiber in the case of its execution in the form of a fiber-reinforced plastic rod with an optical fiber glued in is the manufacturability and simplicity of its manufacture on existing equipment. The use of optical fiber in a dense polymer coating for placement in the central optical module provides additional protection for the optical fiber during the manufacturing process of the sensor and simplifies the cutting of the sensor and the separation of the optical fiber from fiberglass or aramidoplastics in preparation for joining. The placement of the optical fiber in the Central optical module along its axis reduces its deformation during bending of the sensor.

Укладка в периферийных оптических трубчатых модулях оптических волокна с избыточной длиной не менее 2% позволяет использовать их для измерения температуры в диапазоне деформаций растяжения сенсора до 2%, так как в данном диапазоне указанные волокна не будут подвергаться деформации и измерения температуры не будут искажены.Laying in the peripheral optical tube modules of optical fibers with an excess length of at least 2% allows them to be used to measure temperature in the range of sensor tensile strains up to 2%, since in this range these fibers will not undergo deformation and temperature measurements will not be distorted.

Заметим, что величина избыточной длины выбрана исходя того, во-первых существуют коммерчески доступные оптические волокна прошедшие тест на прочность к растяжению на 2%, что соответствует механическим напряжению кварцевого оптического волокна 1400 МПа ≈200 kpsi (см. например, URL: http://www.coming.com/WorkArea/showcontent.aspx?id=33597. дата обращения 25/03/2015, http://fiber-optic-catalog.ofsoptics.com/item/single-made-optical--fibers/imaging-sensing-and-harsh-environments/bf05717-06, дата обращения 25/03/2015, http://www.aflglobal.com/Products/Fiber-Optic-Imaging-Energy-and-Sensing/Harsh-Environments-Products/VHS700-Series.aspx, дата обращения 25/03/2015), во-вторых, что типично, коммерчески доступные стеклопластиковые прутки разрушаются при деформации удлинения не менее 2,5% (см. например, URL: http://www.akshoptifibre.com/upload/Product/Description/File/Picl57_AKSH-FRP-Specs.pdf, дата обращения 25/03/2015; http://mirmat.ru/materials/se/sp/, дата обращения 25/03/2015) и, в-третьих, что типично, коммерчески доступные арамидопластиковые прутки разрушаются при деформации удлинения не менее 2,5% (см. например, URL: http://www.akshoptifibre.com/upload/Product/Description/File/0.5%20ARP%20Specification%20sheet.pdf, дата обращения 25/03/2015; http://www.2m.spb.ru/pdf/Aramid-Rod.pdf, дата обращения 25/03/2015).Note that the excess length value was chosen on the basis of the first, there are commercially available optical fibers that have passed the tensile strength test of 2%, which corresponds to the mechanical stress of a quartz optical fiber of 1400 MPa ≈200 kpsi (see, for example, URL: http: / /www.coming.com/WorkArea/showcontent.aspx?id=33597. date of access 03/03/2015, http://fiber-optic-catalog.ofsoptics.com/item/single-made-optical--fibers/ imaging-sensing-and-harsh-environments / bf05717-06, accessed 3/03/2015, http://www.aflglobal.com/Products/Fiber-Optic-Imaging-Energy-and-Sensing/Harsh-Environments- Products / VHS700-Series.aspx, accessed 3/25/2015), secondly, which is typical, commercially prior blunt fiberglass rods break when elongation strain of at least 2.5% is reached (see, for example, URL: http://www.akshoptifibre.com/upload/Product/Description/File/Picl57_AKSH-FRP-Specs.pdf, access date 25 / 03/2015; http://mirmat.ru/materials/se/sp/, accessed 25/03/2015) and, thirdly, that typically, commercially available aramidoplastic rods are destroyed by an elongation strain of at least 2.5% (cm. for example, URL: http://www.akshoptifibre.com/upload/Product/Description/File/0.5%20ARP%20Specification%20sheet.pdf, accessed 25/03/2015; http://www.2m.spb.ru/pdf/Aramid-Rod.pdf, accessed 25/03/2015).

Свободное пространство в периферийных оптических трубчатых модулях может быть заполнено тиксотропным гелем для стабилизации свободной укладки оптических волокон в них и предотвращения распространения воды.The free space in the peripheral optical tube modules can be filled with a thixotropic gel to stabilize the free laying of optical fibers in them and prevent the spread of water.

Использование армирующих элементов могут быть в виде повива из стеклопластиковых прутков или стальных проволок повышает защиту сенсора от внешних воздействий. Преимуществом армирующих элементов из стеклопластиковых прутков является большой диапазон деформации растяжения.The use of reinforcing elements can be in the form of fiber from fiberglass rods or steel wires increases the protection of the sensor from external influences. The advantage of fiberglass reinforcing elements is a wide range of tensile deformation.

Полезная модель иллюстрируется чертежом:The utility model is illustrated in the drawing:

На чертеже представлено сечение волоконно-оптического сенсора температуры и деформации.The drawing shows a cross section of a fiber optic temperature and strain sensor.

Заявленная полезная модель содержит центральный модуль с оптическим волокном в плотном полимерном покрытии 1, вклеенным в стеклопластиковый пруток 2, свободно уложенные оптические волокна 3 в периферийных трубчатых оптических модулях 4, армирующие элементы 5 и наружную защитную оболочку 6.The claimed utility model contains a central module with an optical fiber in a dense polymer coating 1 glued into a fiberglass bar 2, freely laid optical fibers 3 in the peripheral tubular optical modules 4, reinforcing elements 5 and the outer protective shell 6.

Далее приводятся сведения, подтверждающие промышленную применимость полезной модели.The following is evidence of the industrial applicability of the utility model.

Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления сенсора на существующем, традиционно используемом, кабельном оборудовании, с применением известных, промышленно выпускаемых материалов.The undoubted advantage of the proposed solution is the ability to manufacture the sensor on existing, traditionally used, cable equipment, using well-known, industrially produced materials.

Сенсор температуры и деформации может быть изготовлен из составляющих его элементов на коммерчески доступном, традиционном оборудовании для производства оптических кабелей связи. Например, типичные конструкции оптических кабелей связи, которые содержат в своем составе стеклопластиковый пруток в центре, заполненные тиксотропным гелем оптические трубчатые модули, в виде сплошного повива вокруг центрального модуля, со свободно уложенными в них оптическими волокнами, армирующие элементы в виде повива из стеклопластиковых прутков или стальных проволок и наружную защитную оболочку приведены на сайтах производителей кабелей (см., например, URL: http://intg.ru/production/pg/v-grunt_4.html, дата обращения 25/03/2015; http://intg.ru/production/pg/v-grunt_2.html, дата обращения 25/03/2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/12/, дата обращения 25/03/2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/10/, дата обращения 25/03/2015).The temperature and deformation sensor can be made of its constituent elements on commercially available, traditional equipment for the production of optical communication cables. For example, typical designs of optical communication cables that contain a fiberglass rod in the center, thixotropic gel-filled optical tube modules, in the form of a continuous coil around the central module, with optical fibers freely laid in them, reinforcing elements in the form of a fiberglass coil or steel wires and the outer sheath are shown on the websites of cable manufacturers (see, for example, URL: http://intg.ru/production/pg/v-grunt_4.html, accessed 25/03/2015; http: // intg .ru / production / pg / v-grunt_2.html, date circulation 03/25/2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/12/, circulation date 25/03/2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/10/, circulation date 25/03 / 2015).

плотное полимерное покрытие на оптическое волокно, которое предназначено для размещения в центральном оптическом модуле, может быть наложено на традиционном кабельном оборудовании либо методом экструзии термопластика (см., например, URL: http://www.nextrom.com/874_en_Tight-Buffering-Line.aspx, дата обращения 25/03/2015), либо на линии с ультрафиолетовым отверждением смолы (см., например, URL: http://www.nextrom.com/910_en_Fiber-UV-Coating-Technology.aspx. дата обращения 25/03/2015).a dense polymer coating on the optical fiber, which is intended to be placed in the central optical module, can be applied on traditional cable equipment or by extrusion of thermoplastics (see, for example, URL: http://www.nextrom.com/874_en_Tight-Buffering-Line .aspx, circulation date 03/25/2015), or on a line with UV curing resin (see, for example, URL: http://www.nextrom.com/910_en_Fiber-UV-Coating-Technology.aspx. circulation date 25 / 03/2015).

Центральный оптический модуль в виде стеклопластикового или арамидопластикового прутка с размещенным в ней плотно, без скольжения, оптическим волокном, может быть изготовлен на традиционном оборудовании для производства оптических кабелей, например на линии наложения оболочки на пучок оптических волокон (обычно до 12 или 24 штук) с использованием технологии ультрафиолетового отверждения смолы (см., например, URL: http://www.nextrom.com/868_en_High-Speed-Optical-Fiber-Ribbon-Line.aspx, дата обращения 25/03/2015; http://www.nextrom.com/869_en_Blown-Fiber-Svstem.aspx, дата обращения 25/03/2015), заменив при производстве часть оптических волокон на стеклонити или на армидные нити. Другим способом изготовления может быть вклеивание оптического волокна в процессе изготовления стеклопластиковых или арамидопластиковых прутков на традиционной линии, заменив часть нитей на оптическое волокно и обеспечив его отдачу в процессе изготовления с традиционного отдатчика волокна. В этом случае также может использоваться распространенная для изготовления прутков технология ультрафиолетового отверждения и светоотверждаемые эпоксидные компаунды, что позволяет предотвращать опасные для оптического волокна термические воздействия. Размещение оптического волокна в центре прутка может быть обеспечено технологической оснасткой (фильерой).The central optical module in the form of a fiberglass or aramidoplastic rod with a fiber placed tightly, without slipping in it, can be fabricated on traditional equipment for the production of optical cables, for example, on the line for laying a sheath on a bundle of optical fibers (usually up to 12 or 24 pieces) with using ultraviolet resin curing technology (see, for example, URL: http://www.nextrom.com/868_en_High-Speed-Optical-Fiber-Ribbon-Line.aspx, accessed 25/03/2015; http: // www .nextrom.com / 869_en_Blown-Fiber-Svstem.aspx, accessed 03/25/2015), replacing when pr duction portion of the optical fiber to glass fiber or filament armidnye. Another method of manufacturing may be gluing the optical fiber in the manufacturing process of fiberglass or aramidoplastic rods on a traditional line, replacing some of the filaments with an optical fiber and ensuring its return in the manufacturing process with a traditional fiber pickup. In this case, the ultraviolet curing technology common to the manufacture of rods and light-cured epoxy compounds can also be used, which helps to prevent thermal effects that are hazardous to the optical fiber. The placement of the optical fiber in the center of the bar can be provided with technological equipment (die).

Механическая связь оптического волокна и центрального оптического модуля обеспечивается адгезией материалов первичного покрытия оптического волокна, плотного полимерного покрытия и полимера прутка. Наиболее просто обеспечить данную адгезию при использовании в качестве этих материалов однотипных материалов ультрафиолетового отверждения.The mechanical connection of the optical fiber and the central optical module is ensured by the adhesion of the materials of the primary coating of the optical fiber, a dense polymer coating and a rod polymer. It is most simple to provide this adhesion when using the same type of UV curing materials as these materials.

Механическая связь центрального оптического модуля с наружной защитной оболочкой обеспечивается за счет трения между элементами конструкции сенсора, а именно центральным оптическим модулем, периферийными трубчатыми оптическими модулях, армирующими элементами, наружной защитной оболочкой. Данная механическая связь также обеспечивается в процессе наложения наружной оболочки методом экструзии с сильным обжатием наружной оболочкой. Данная механическая связь также за счет проникновения материала наружной оболочки в свободное пространство между другими элементами конструкции сенсора.The mechanical connection of the central optical module with the outer protective shell is ensured by friction between the structural elements of the sensor, namely the central optical module, peripheral tubular optical modules, reinforcing elements, and the outer protective shell. This mechanical connection is also provided during the application of the outer shell by extrusion with a strong compression of the outer shell. This mechanical connection is also due to the penetration of the material of the outer shell into the free space between other elements of the sensor structure.

Волоконно-оптический сенсор температуры и деформации в качестве чувствительного к деформации элемента содержит оптическое волокно центрального оптического модуля, которое имеет механическую связь с наружной оболочкой и деформируется при растяжении сенсора, а в качестве чувствительных к температуре элементов содержит оптические волокна периферийных оптических трубчатых модулей, которые за счет свободной укладки не подвергаются деформации при растяжении сенсора в пределах заложенного избытка длины.The fiber-optic temperature and strain sensor as an element sensitive to deformation contains an optical fiber of the central optical module, which has a mechanical connection with the outer shell and deforms when the sensor is stretched, and contains temperature fibers of peripheral optical tube modules as temperature-sensitive elements, which due to free laying, they are not subjected to deformation when the sensor is stretched within the laid excess length.

Сенсор предназначен для работы с приборами, которые в настоящее время производятся и являются коммерчески доступными, и в которых используется способ измерения распределения деформации и (или) температуры оптического волокна вдоль его оси (растяжения или сжатия), основанный на явлении вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ). В качестве примера такого устройства можно привести Бриллюэновский анализатор Ditest STA-R производства Omnisens SA, Швейцария [URL: http://omnisens.ch/ditest/3521-ditest-sta-r.php, дата обращения 05/08/2013].The sensor is designed to work with devices that are currently manufactured and are commercially available, and which use a method of measuring the distribution of deformation and (or) temperature of an optical fiber along its axis (tension or compression), based on the phenomenon of stimulated Mandelstamm-Brillouin scattering ( SBS). An example of such a device is the Ditest STA-R Brillouin analyzer manufactured by Omnisens SA, Switzerland [URL: http://omnisens.ch/ditest/3521-ditest-sta-r.php, accessed 05/08/2013].

Claims

1. An optical fiber temperature and strain sensor based on recording a longitudinal distribution of scattered radiation parameters, comprising a central optical module in the form of a tube, an optical fiber placed tightly, non-slip in it, peripheral optical tube modules in the form of a continuous coil around the central module, with optical fibers freely laid in them, reinforcing elements and an outer protective sheath, characterized in that the central optical module is made in the form of reinforced local plastic rod with glued optical fiber.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the fiber-reinforced plastic rod is made of fiberglass or aramidoplastics.

3. The sensor according to claim 1, characterized in that the optical fiber located in the central optical module has a dense polymer coating.

4. The sensor according to claim 1, characterized in that the optical fiber is placed in the central optical module along its axis.