RU171511U1

RU171511U1 - Fiber optic combo sensor

Info

Publication number: RU171511U1
Application number: RU2016145683U
Authority: RU
Inventors: Борис Васильевич Авдеев; Дмитрий Андреевич Комаров; Максим Алексеевич Солодянкин
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Лазер Солюшенс"
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2017-06-02

Abstract

Полезная модель относится к сенсорам с оптическими волокнами в качестве чувствительных элементов на основе регистрации продольного распределения параметров рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, частотный сдвиг которого зависит как от температуры, так и от механической деформации. Сенсор содержит общий повив оптических модулей со свободной укладкой, с избыточной длиной оптических волокон и оптических волокон в плотном полимерном покрытии одинакового диаметра вокруг центрального цилиндрического диэлектрического силового элемента с шагом повива, намного меньшим величины пространственного разрешения продольного распределения. Технический результат – измерение распределения температуры и деформации со значительно уменьшенной исходной неоднородностью рефлектограммы Мандельштама-Бриллюэна. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to sensors with optical fibers as sensitive elements based on recording the longitudinal distribution of the parameters of the scattered Mandelstam-Brillouin radiation, the frequency shift of which depends on both temperature and mechanical deformation. The sensor contains a general coil of optical modules with free laying, with an excessive length of optical fibers and optical fibers in a dense polymer coating of the same diameter around a central cylindrical dielectric power element with a coil pitch much smaller than the spatial resolution of the longitudinal distribution. EFFECT: measurement of temperature distribution and deformation with significantly reduced initial Mandelstam-Brillouin trace pattern heterogeneity. 2 s.p. f-ly, 1 ill.

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, the operation of which is based on recording parameters of the fine structure of scattered radiation, for example fiber-optic sensors for measuring the temperature distribution based on Raman effects (Raman effect), in which the amplitude of the scattered signal depends on 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, accessed date 03/13/2015; URL: h ttp: //www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/, accessed 13/03/2015; patent for a 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, 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, 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://neparu.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://neparu.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, access date 13 / 03/2015; URL: http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/, accessed 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 a fiber-optic temperature sensor based on the recording of the Mandelstam-Brillouin frequency shift of the scattered radiation should ensure that the sensor is insensitive to deformation (stretching), which is achieved by free laying of an optical fiber with an excess length inside the optical module, as well as by winding the optical module around the central element, with the required step. 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 should 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.

Известно техническое решение, представленное в патенте РФ на полезную модель №122784, опубликованном 10.12.2012, которое позволяет производить независимые измерения температурного распределения и распределения механических напряжений с помощью технологии бриллюэновской рефлектометрии. 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. К недостаткам данного технического решения 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 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.A technical solution is known, presented in the patent of the Russian Federation for utility model No. 122784, published December 10, 2012, which allows independent measurements of the temperature distribution and distribution of mechanical stresses using Brillouin reflectometry technology. The 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 single or double layer in length along its length, a water-blocking winding placed on top of peripheral optical modules and covered on the outside by casing, 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. The disadvantages of this technical solution 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 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, as, for example, 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.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели решением (прототипом) является комбинированный волоконно-оптический сенсор, представленный в патенте РФ на полезную модель №159893, опубликованном 01.02.2016. 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 и отличается тем, что центральный оптический модуль выполнен в виде армированного волокном стеклопластикового или арамидопластикового прутка с вклеенным по его оси оптическим волокном.The closest solution to the proposed utility model (prototype) is a combined fiber-optic sensor, presented in the patent of the Russian Federation for utility model No. 159893, published 01.02.2016. A fiber-optic temperature and strain sensor based on recording a longitudinal distribution of 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 tube modules in the form of a continuous coil around a central module with freely laid them optical fibers, reinforcing elements and the outer protective shell and differs in that the central optical module is made in the form of fiber reinforced fiberglass or aramidoplastic rod with an optical fiber glued along its axis.

К недостаткам прототипа, помимо технологической сложности изготовления, следует отнести распределенные по его длине неизбежные отклонения положения оптического волокна от оси сенсора, локальные изгибы волокна, а также распределенные по длине сенсора неравномерности его натяжения, что приводит к значительным локальным неоднородностям рефлектограммы частотного сдвига вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и, следовательно, к снижению чувствительности сенсора в целом.The disadvantages of the prototype, in addition to the technological complexity of manufacturing, include the unavoidable deviations of the position of the optical fiber from the axis of the sensor distributed along its length, local bends of the fiber, as well as the unevenness of its tension distributed along the sensor, which leads to significant local inhomogeneities of the Mandelshtam frequency shift reflectogram Brillouin and, consequently, to a decrease in the sensitivity of the sensor as a whole.

Очевидная простота идеи размещения вдоль оси сенсора оптического волокна, предназначенного для измерения растяжения, сталкивается с рядом технологических трудностей. Применение для этой цели непосредственно оптического волокна в качестве сенсора затруднительно в силу его недостаточной прочности. Даже применение оптического волокна в плотном полимерном покрытии бывает недостаточно по тем же причинам, поскольку сопротивление удлинению обусловлено в основном упругостью самого оптического волокна. Растягивающая нагрузка примерно в 10 Ньютон приводит к 1% удлинению, что соответствует величине смещения частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (для стандартных одномодовых волокон) примерно 500 МГц. Реальные продольные неоднородности (в пределах разрешения по длине порядка 1 метра), связанные с нестабильностью параметров технологических процессов, составляют не менее 10 МГц, что соответствует 2×10^-2% величине локальной неоднородности растяжения.The obvious simplicity of the idea of placing along the axis of the sensor an optical fiber designed to measure tension, faces a number of technological difficulties. The use of optical fiber directly as a sensor for this purpose is difficult due to its insufficient strength. Even the use of optical fiber in a dense polymer coating is not enough for the same reasons, since the elongation resistance is mainly due to the elasticity of the optical fiber itself. A tensile load of approximately 10 Newton leads to a 1% elongation, which corresponds to a magnitude shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency (for standard single-mode fibers) of approximately 500 MHz. Real longitudinal inhomogeneities (within a resolution of about 1 meter in length) associated with the instability of technological process parameters are at least 10 MHz, which corresponds to 2 × 10 ^-2 % of the local tensile inhomogeneity.

Другая технологическая сложность связана с невозможностью размещения оптического волокна строго на оси сенсора, что приводит к дополнительному разбросу смещения частоты рассеяния при изгибе сенсора. Так намотка сенсора на барабан с диаметром шейки 500 мм приводит к дополнительной неоднородности порядка 50 МГц в пределах разрешения по длине порядка 1 метра.Another technological difficulty is related to the impossibility of placing the optical fiber strictly on the axis of the sensor, which leads to an additional scatter in the bias of the scattering frequency during bending of the sensor. So winding the sensor on a drum with a neck diameter of 500 mm leads to an additional heterogeneity of the order of 50 MHz within a resolution of about 1 meter in length.

Поставленная задача состояла в разработке конструкции комбинированного сенсора, предназначенного для измерения распределения температуры и деформации, со значительно уменьшенной исходной неоднородностью рефлектограммы Мандельштама-Бриллюэна.The task was to develop the design of a combined sensor designed to measure the temperature distribution and deformation, with significantly reduced initial Mandelstam-Brillouin reflectogram heterogeneity.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический комбинированный сенсор продольного распределения деформации и температуры на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеяния Мандельштама-Бриллюэна содержит по меньшей мере одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, по меньшей мере одно оптическое волокно, свободно, с избыточной длиной, уложенное в оболочке оптического модуля, в виде полимерной трубки, центральный силовой цилиндрический элемент, армирующие элементы, промежуточную и наружную защитную оболочку и отличается тем, что оптические волокна в плотном полимерном покрытии и оптические модули скручены в виде сплошного повива вокруг центрального силового элемента, в виде прутка из стеклопластика или арамидопластика с постоянным по длине шагом, а величина шага повива много меньше величины пространственного разрешения продольного распределения параметров рассеянного излучения.The technical result is achieved in that the fiber-optic combined sensor of the longitudinal distribution of deformation and temperature based on the registration of parameters of the fine Mandelstam-Brillouin scattering structure contains at least one optical fiber in a dense polymer coating, at least one optical fiber, free, with excess length laid in the shell of the optical module, in the form of a polymer tube, a central power cylindrical element, reinforcing elements, intermediate and external protection casing and differs in that the optical fibers in a dense polymer coating and the optical modules are twisted in the form of a continuous fiber around the central power element, in the form of a fiberglass or aramidoplasty rod with a constant step along the length, and the step size of the fiber is much smaller than the spatial resolution of the longitudinal distribution scattered radiation parameters.

Полезная модель иллюстрируется чертежом. На чертеже представлено сечение волоконно-оптического комбинированного сенсора температуры и деформации.The utility model is illustrated in the drawing. The drawing shows a cross section of a fiber optic combined temperature and strain sensor.

Заявленная полезная модель содержит оптическое волокно 1 в плотном полимерном покрытии 2, центральный силовой цилиндрический элемент 3, свободно уложенные оптические волокна 4 в оболочке оптического модуля 5, промежуточную полимерную оболочку 6, армирующие элементы 7 и наружную защитную оболочку 8.The claimed utility model contains an optical fiber 1 in a dense polymer coating 2, a central cylindrical power element 3, freely laid optical fibers 4 in the sheath of the optical module 5, an intermediate polymer sheath 6, reinforcing elements 7 and an outer protective sheath 8.

Очевидно, что скрутка оптического волокна в плотном полимерном покрытии (в общем сплошном повиве с оптическими модулями, со свободно уложенными оптическими волокнами) уменьшает величину преобразования натяжения сенсора в величину сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на множитель, равный косинусу угла повива.Obviously, the twisting of the optical fiber in a dense polymer coating (in general continuous fiber with optical modules, with freely laid optical fibers) reduces the conversion of the sensor tension to the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency by a factor equal to the cosine of the fiber.

С другой стороны, скрутка оптического волокна усредняет, в пределах длины разрешения рефлектограммы, технологический разброс продольного натяжения, разброс локального отклонения положения волокна от оси сенсора.On the other hand, the twisting of the optical fiber averages, within the resolution length of the trace, the technological spread of the longitudinal tension, the spread of the local deviation of the fiber position from the axis of the sensor.

Так, реальная скрутка из шести элементов повива, содержащего оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, диаметром 1,8 мм и пять оптических модулей диаметром по 1,8 мм, в каждом из которых содержится одно свободно уложенное оптическое волокно, скрученное с шагом 65 мм, позволяет получить не более 7 МГц неоднородности рефлектограммы с продольным разрешением 1 метр.So, a real twist of six elements of a fiber containing optical fiber in a dense polymer coating with a diameter of 1.8 mm and five optical modules with a diameter of 1.8 mm, each of which contains one freely laid optical fiber twisted with a pitch of 65 mm, allows you to get no more than 7 MHz of trace heterogeneity with a longitudinal resolution of 1 meter.

Заметим также, что при указанных параметрах скрутки оптических модулей обеспечивается избыточная длина оптических волокон, достаточная для обеспечения их нечувствительности к растяжению сенсора, что позволяет интерпретировать их рефлектограмму Мандельштама-Бриллюэна как распределение только температуры без влияния деформации сенсора в достаточном диапазоне (прядка 2%).We also note that with the indicated twisting parameters of the optical modules, an excess length of optical fibers is ensured sufficient to ensure their insensitivity to sensor stretching, which allows one to interpret their Mandelstam-Brillouin trace as the distribution of temperature only without the influence of sensor deformation in a sufficient range (2% order).

Далее приводятся сведения, подтверждающие промышленную применимость полезной модели. Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления сенсора на существующем традиционно используемом кабельном оборудовании с применением известных промышленно выпускаемых материалов.The following is evidence of the industrial applicability of the utility model. 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.

Волоконно-оптический комбинированный сенсор продольного распределения деформации и температуры 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 заполненные тиксотропным гелем оптические трубчатые модули в виде сплошного повива вокруг центрального элемента 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 fiber-optic combined sensor of the longitudinal distribution of deformation and temperature 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 optical tubular modules filled with a thixotropic gel in the form of a continuous fiber around a central element with optical fibers freely laid in them, reinforcing elements in the form of a fiber from fiberglass rods or steel wires and an outer protective sheath, are given 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, accessed 25/03/2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/ 12 /, circulation date 25/03/2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/10/. Circulation date 25/03/2015).

Claims

1. Fiber-optic combined sensor for the longitudinal distribution of deformation and temperature based on the registration of parameters of the fine Mandelstam-Brillouin scattering structure, containing at least one optical fiber in a dense polymer coating, at least one optical fiber, loose, with excess length, laid in the optical module shell, in the form of a polymer tube, a central cylindrical power element, reinforcing elements, an intermediate and external protective shell, characterized in that the optical The fibers in a dense polymer coating and the optical modules are twisted in the form of a continuous fiber around a central power element with a constant step along the length.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the magnitude of the winding pitch is much smaller than the spatial resolution of the longitudinal distribution of the scattered radiation parameters.

3. The sensor according to claim 1, characterized in that the central power element is made in the form of a fiberglass or aramidoplasty rod.