RU216554U1 - Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к волоконно-оптическим сенсорам распределения деформации, для систем мониторинга различных объектов на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна. Волоконно-оптический сенсор содержит центральный сердечник, защитный покров из нитей и наружную полимерную оболочку, причем центральный сердечник содержит чувствительное оптическое волокно, два прямых продольных силовых элемента, внутреннюю полимерную оболочку. Защитный покров выполнен в виде двух повивов нитей, наложенных в противоположных направлениях. Оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с внутренней полимерной оболочкой, а наружная полимерная оболочка выполнена с плотным обжатием защитного покрова. Внутренняя полимерная оболочка волоконно-оптического сенсора может иметь две симметричные продольные борозды, позволяющие освобождать волокно раздвиганием в стороны силовых элементов. Также сенсор может содержать дополнительные вспарывающие нити, расположенные между защитным покровом и наружной полимерной оболочкой. Технический результат состоит в повышении защищенности сенсора от внешних механических воздействий в процессе эксплуатации, транспортировки, хранения и монтажа при сохранении его точности. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного оптического излучения.

Известны волоконно-оптические датчики распределения 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, https://www.neubrex.com/htm/technology/kouseido.htm, дата обращения 28/06/2022), у которых само оптическое волокно на всем его протяжении представляет собой непрерывный распределенный чувствительный элемент.

Известен волоконно-оптический сенсор деформации, предназначенный для использования в распределенных волоконно-оптических системах мониторинга (4-th International Conference on Structural Health Monitoring on Intelligent Infrastructure (международная конференция SHMII-4) 2009, 22-24 июля, Цюрих, Швейцария доклад M.Iten, F.Ravet, M.Nikles, M.Facchini, T.Hertig, D.Hauswirth, A.Puzrin «Soil-embedded fiber optic strain sensor for detection of differential soil displacement»). Сенсор состоит из оптического волокна, покрытого армирующими покрытиями в числе которых, есть продольно сваренная встык трубка из нержавеющей стали, герметично запечатывающая оптическое волокно и повышающая стойкость сенсора к раздавливанию, проволочная броня из круглых стальных проволок для обеспечения высокой прочности сенсора на растяжение и его защиты от грызунов, герметичная защитная полимерная оболочка. Недостатком данного волоконно-оптического сенсора деформации является сложность конструкции в изготовлении и его высокая цена.

Также известен волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций (патент на изобретение РФ №2540256, опубл. 10.02.2015), содержащий, по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, одинаковые прямые продольные силовые элементы, наружную защитную полимерную оболочку. Оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с наружной защитной полимерной оболочкой, имеющей широкую сторону, обеспечивающую механический контакт с объектом мониторинга. Для защиты оптического волокна от раздавливающей нагрузки, действующей перпендикулярно широкой стороне наружной оболочки, волокно расположено между силовыми элементами совместно с последними в плоскости, параллельной широкой стороне наружной оболочки. Известный волоконно-оптический сенсор может содержать две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах защитной полимерной оболочки, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно в буферном покрытии раздвиганием в стороны силовых элементов.

К недостатку данного технического решения следует отнести недостаточность защитных покровов, что делает нецелесообразным его использование, когда возможны существенные внешние воздействия, например, при контроле деформаций в грунте.

Наиболее близкой к заявленной полезной модели (прототипом), из числа известных по совокупности признаков, является известный распределенный волоконно-оптический кабель сенсор деформации DiTeSt HDPE (URL: https://smartec.ch/en/product/ditest-hdpe-strain-sensor/, дата обращения 28.06.2022), который может использоваться в широком спектре приложений, требующих измерения распределенной деформации, в том числе для мониторинга подвижек грунта. Известный распределенный волоконно-оптический кабель сенсор деформации представляет собой небольшой гибкий армированный волоконно-оптический кабель с металлической центральной трубкой, броней из металлической проволоки и внешней оболочки из полиэтилена высокой плотности. Причем центральная металлическая трубка содержит одно оптическое волокно. Сенсор обеспечивает высокую прочность на растяжение, устойчивость к раздавливанию, продольную и боковую водонепроницаемость, стойкость к истиранию и защиту от грызунов.

Недостатком известного сенсора является сложность в изготовлении, так как требуется использовать специальное оборудование для заделки оптического волокна в металлическую трубку, что приводит к его удорожанию. Другим недостатком известного сенсора является сложность его разделки, для которой требуется использование специального инструмента для снятия металлической трубки с оптического волокна.

Другим недостатком известного сенсора является недостаточная механическая связь оптического волокна с наружной оболочкой, что снижает точность измерения деформации.

Поставленная задача состоит в разработке конструкции экономически эффективного, удобного для монтажа волоконно-оптического сенсора деформации растяжения, позволяющего измерять продольные деформации с максимальной точностью, сохранив при этом стойкость сенсора к внешним механическим воздействиям в процессе эксплуатации, транспортировки, хранения и монтажа.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание точного, защищенного от внешних воздействий, экономически эффективного и удобного в применении волоконно-оптического сенсора деформации.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций, содержит центральный сердечник, защитный покров из нитей и наружную полимерную оболочку, причем центральный сердечник содержит, по меньшей мере, одно чувствительное оптическое волокно, два прямых продольных силовых элемента, внутреннюю полимерную оболочку, причем оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с внутренней полимерной оболочкой, защитный покров выполнен в виде двух повивов нитей, наложенных в противоположных направлениях, а наружная полимерная оболочка выполнена с плотным обжатием защитного покрова в виде повива нитей.

Внутренняя полимерная оболочка волоконно-оптического сенсора может иметь прямоугольное сечение и содержать две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно раздвиганием в стороны силовых элементов. В каждом из наложенных в противоположных направлениях повивов защитного покрова волоконно-оптического сенсора количество нитей и шаг повива могут быть одинаковы. В качестве нитей защитного покрова могут быть использованы стеклонити или арамидные нити. В качестве продольных силовых элементов могут быть использованы стеклопластиковые прутки с полимерным покрытием или арамидопластиковые прутки с полимерным покрытием. Волоконно-оптический сенсор может содержать дополнительные вспарывающие нити, расположенные между защитным покровом и наружной полимерной оболочкой.

Краткое описание чертежей

На фиг .1 представлено поперечное сечение волоконно-оптического сенсора.

Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций содержит центральный сердечник (1), защитный покров (2) в виде двух повивов нитей и наружную полимерную оболочку (3). Центральный сердечник содержит, по меньшей мере, одно чувствительное оптическое волокно (4), два прямых продольных силовых элемента (5) и полимерную оболочку (6).

Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций может быть выполнен из стандартных материалов, традиционно применяемых при производстве оптических кабелей связи, которые являются коммерчески доступными (URL: http://2m.spb.ru/rus/materials, https://www.ruscable.ru/info/cable/optic-materials.html, дата обращения 28.01.2022).

В качестве чувствительного оптического волокна может использоваться одномодовое оптическое волокно стандарта ITU-T G.652 или G.657.

В качестве материалов полимерной оболочки прямоугольного сечения (6) и наружной полимерной оболочки (3) могут использоваться полиэтилен высокой плотности или композиция из ПВХ.

Внутренняя полимерная оболочка (6) может иметь прямоугольное сечение и содержать две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно раздвиганием в стороны силовых элементов (5).

Повивы защитного покрова (2) могут быть выполнены одинаковыми, т.е. содержать одинаковое количество нитей и иметь одинаковый шаг повива, вследствие чего, при приложении к сенсору продольной растягивающей нагрузки, будет предотвращен изгиб центрального сердечника (1) и, следовательно, изгиб оптического волокна, ведущий к росту потерь сигнала в сенсоре.

В качестве нитей защитного покрова (2) могут использоваться стеклонити или арамидные нити, которые применяются при изготовлении известных оптических кабелей связи.

В качестве продольных силовых элементов (5) могут использоваться стеклопластиковые прутки с полимерным покрытием, обеспечивающим адгезию к материалу внутренней полимерной оболочки (6), или арамидопластиковые прутки с полимерным покрытием, обеспечивающим адгезию к материалу внутренней полимерной оболочки (3). Указанные выше прутки являются коммерчески доступными и применяются при изготовлении известных оптических кабелей связи. Продольные силовые элементы (5) придают продольную механическую устойчивость центральному сердечнику (1).

Волоконно-оптический сенсор может содержать вспарывающие нити (рип-корды) (7), расположенные между защитным покровом (2) и наружной полимерной оболочкой (3). Вспарывающие нити могут использоваться аналогичные применяемым при изготовлении известных оптических кабелей связи, например, арамидные нити или полиэфирные нити. Наличие вспарывающих нитей (рип-кордов) (7), потянув за которые можно вспороть и снять наружную полимерную оболочку (3), упрощает разделку сенсора в процессе его монтажа и подключения к измерительному прибору.

Передача деформации растяжения от прикрепленной к объекту мониторинга наружной оболочки (3) к чувствительному оптическому волокну (4) может осуществляться следующим способом.

Наружная оболочка (3) выполнена с плотным обжатием защитного покрова (2) в виде повива нитей, что обеспечивает механическую связь центрального сердечника (1) и наружной оболочки (3) и, тем самым, позволяет передавать указанную деформацию от наружной оболочки (3) к центральному сердечнику (1). Так как полимерная оболочка (6) центрального сердечника (1) связана жестко с оптическим волокном посредством полимерного покрытия, то указанная выше деформация передается на чувствительное оптическое волокно и может быть измерена с помощью известных из уровня техники приборов, например, анализатора вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, который коммерчески доступен (URL: https://www.fibristerre.de/file_download/6/fibrisTerre_flver.pdf, дата обращения 28.01.2022).

Наличие вспарывающих нитей (рип-кордов) (7), потянув за которые можно вспороть и снять наружную полимерную оболочку (3) упрощает разделку сенсора в процессе его монтажа и подключения к измерительному прибору

Полимерная оболочка (6) центрального сердечника (1) содержит две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды (7) на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины. Наличие указанных борозд упрощает разделку центрального сердечника (1) волоконно-оптический сенсор, при его монтаже (подключении), которая может быть осуществлена раздвиганием в стороны продольных силовых элементов, что позволяет освобождать волокно (4).

Claims (8)

1. Волоконно-оптический сенсор распределения продольных деформаций, содержащий центральный сердечник, защитный покров из нитей и наружную полимерную оболочку, отличающийся тем, что центральный сердечник содержит, по меньшей мере, одно чувствительное оптическое волокно, два прямых продольных силовых элемента, внутреннюю полимерную оболочку, причем оптическое волокно жестко связано посредством полимерного покрытия с внутренней полимерной оболочкой, защитный покров выполнен в виде двух повивов нитей, наложенных в противоположных направлениях, а наружная полимерная оболочка выполнена с плотным обжатием защитного покрова в виде повива нитей.

2. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя полимерная оболочка имеет прямоугольное сечение и содержит две симметричные относительно оптического волокна продольные борозды на внешних сторонах, в местах минимальной ее толщины, позволяющих освобождать волокно раздвиганием в стороны силовых элементов.

3. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в каждом из наложенных в противоположных направлениях повивов защитного покрова количество нитей и шаг повива одинаковы.

4. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нитей защитного покрова используются стеклонити.

5. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нитей защитного покрова используются арамидные нити.

6. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве продольных силовых элементов используются стеклопластиковые прутки с полимерным покрытием.

7. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве продольных силовых элементов используются арамидопластиковые прутки с полимерным покрытием.

8. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что содержит дополнительные вспарывающие нити, расположенные между защитным покровом и наружной полимерной оболочкой.

Images