RU2420719C1 - Fibre-optic pressure sensor - Google Patents
Fibre-optic pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2420719C1 RU2420719C1 RU2010106417/28A RU2010106417A RU2420719C1 RU 2420719 C1 RU2420719 C1 RU 2420719C1 RU 2010106417/28 A RU2010106417/28 A RU 2010106417/28A RU 2010106417 A RU2010106417 A RU 2010106417A RU 2420719 C1 RU2420719 C1 RU 2420719C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- optical fibre
- groove
- sensor
- optical fiber
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля (измерения) давления.The invention relates to measuring equipment, namely to fiber optic pressure sensors (VODD), and can be used in various measuring systems for monitoring (measuring) pressure.
Известны волоконно-оптические датчики давления, выполненные из оптического волокна (ОВ), преимущественно многомодового, содержащего участок ввода излучения, собственно чувствительный элемент (ЧЭ) и участок вывода излучения. Чувствительный элемент таких датчиков состоит из одного или нескольких участков изогнутого с определенным радиусом ОВ.Known fiber-optic pressure sensors made of optical fiber (OB), mainly multimode, containing the radiation input section, the actual sensing element (SE) and the radiation output section. The sensitive element of such sensors consists of one or several sections bent with a certain radius of organic matter.
Принцип работы таких датчиков основан на изменении мощности оптического излучения, прошедшего через ОВ при воздействии давления в плоскости изогнутого волокна. Такие датчики относятся к амплитудным датчикам. В волоконно-оптических датчиках в общем случае происходит увеличение сигнала при выпрямлении ОВ или его затухание при уменьшении радиуса изгиба.The principle of operation of such sensors is based on a change in the power of optical radiation that has passed through the optical fiber under the influence of pressure in the plane of a curved fiber. Such sensors relate to amplitude sensors. In fiber-optic sensors, in the general case, an increase in the signal occurs upon rectification of the organic matter or its attenuation with a decrease in the bending radius.
Причины изменения мощности оптического сигнала в таких известных ВОДД-ах связаны с двумя факторами:The reasons for changing the optical signal power in such well-known VODD-ahs are associated with two factors:
- при изменении радиуса изгиба возникают изменения локальной числовой апертуры распространяющегося по ОВ излучения и потери энергии за счет утечки из ОВ высших мод;- with a change in the bending radius, changes occur in the local numerical aperture of the radiation propagating along the OM and energy loss due to leakage from the higher modes of the OM;
- при поперечном давлении на ОВ возникают микроизгибные деформации оболочек ОВ, которые приводят к возникновению взаимодействия распространяющихся по ОВ мод. За счет взаимодействия мод происходит перекачка энергии из низших мод к высшим и возникновение вытекающих мод, приводящих к потерям энергии.- with transverse pressure on the OM, microbending deformations of the shells of the OM arise, which lead to the interaction of the modes propagating along the OM. Due to the interaction of the modes, energy is transferred from the lower modes to the higher ones and the emergence of leaky modes leading to energy losses.
В известных ВОДД-ах для контроля давления используется как первый эффект, так и второй или оба эффекта совместно.Known VODD-ahs use both the first effect and the second or both effects together to control pressure.
Наиболее близким аналогом является известный волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна (ОВ), содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в резиновом корпусе прямоугольного сечения, внутри которого размещена проволочная решетка, при этом оптическое волокно проходит по площади корпуса изгибаясь и переплетаясь с проволокой решетки (см. US 5357813 А1, 25.10.1994).The closest analogue is the known fiber-optic pressure sensor made on the basis of an optical fiber (OV) containing radiation input and output sections, as well as a section placed in a rectangular rubber housing, inside which a wire grating is placed, while the optical fiber passes through the area of the body bending and intertwining with the wire of the lattice (see US 5357813 A1, 10.25.1994).
В известном датчике проволочная решетка фактически является чувствительным элементом ВОДД. Кроме того, проволочная решетка армирует резиновый корпус.In the known sensor, the wire grid is in fact a sensitive element of the VODD. In addition, the wire mesh reinforces the rubber casing.
При использовании известного ВОДД излучение светодиода или лазера пропускают через ОВ и анализируют сигнал на его выходе. Под воздействием внешнего давления происходит продавливание резины, вызывающее множественный изгиб волокна в местах пересечения ОВ и проволоки. Этих пересечений в известном ВОДД-е множество. В совокупности изгибы ОВ приводят к уменьшению мощности сигнала на его выходе.When using the well-known VODD, the radiation of an LED or a laser is passed through an OB and the output signal is analyzed. Under the influence of external pressure, the rubber is forced through, causing multiple bending of the fiber at the intersection of the OM and the wire. There are many of these intersections in the famous VODD. Together, the bends of the organic matter lead to a decrease in the signal power at its output.
Например, при диаметре проволок решетки порядка 1 мм возникающий изгиб с тем же радиусом дополняется давлением проволоки на волокно, что приводит к его разрушению. Для современных кварцевых оптических волокон, имеющих диаметр световода 125 мкм, такой изгиб действительно критичен, что хорошо известно из теории прочности оптических волокон (см. Г.Мальке, П.Гессинг, Волоконно-оптические кабели, Новосибирск: LINGUA-9, 2001, гл.9). Волокно не выдержит длительную эксплуатацию при таких радиусах изгиба, совмещенных с давлением на ОВ.For example, when the diameter of the lattice wires is about 1 mm, the resulting bend with the same radius is supplemented by the pressure of the wire on the fiber, which leads to its destruction. For modern quartz optical fibers having a fiber diameter of 125 μm, this bending is really critical, which is well known from the theory of the strength of optical fibers (see G. Malke, P. Hessing, Fiber Optic Cables, Novosibirsk: LINGUA-9, 2001, Ch. .9). The fiber will not withstand long-term operation at such bending radii combined with pressure on the OM.
При создании чувствительного элемента ВОДД-ов прежде всего обеспечивают необходимую чувствительность измерений dA/dP, диапазон изменения зависимости А=f(Р), где Р - мощность оптического сигнала, А - амплитуда выходного сигнала ВОДД-а, требуемую погрешность измерений и надежность его функционирования.When creating a sensitive element of the VODD-s, first of all, they provide the necessary measurement sensitivity dA / dP, the range of the dependence A = f (P), where P is the power of the optical signal, A is the amplitude of the output signal of the VODD-a, the required measurement error and the reliability of its operation .
Высокую чувствительность датчика к воздействию давления и большой динамический диапазон можно получить при уменьшении радиуса изгиба ОВ, а также за счет увеличения числа изгибов. Как правило, это приводит к увеличению длины участка чувствительного элемента датчика.High sensitivity of the sensor to the effects of pressure and a large dynamic range can be obtained by reducing the bending radius of the OM, as well as by increasing the number of bends. As a rule, this leads to an increase in the length of the plot of the sensor element.
Однако известно, что для надежного функционирования датчика, наоборот, нельзя значительно уменьшать радиус изгиба ОВ, т.к. это может привести к обрыву волокна и выходу из строя датчика.However, it is known that, for the reliable functioning of the sensor, on the contrary, it is impossible to significantly reduce the bending radius of the OM, since this can lead to fiber breakage and sensor failure.
Решаемая изобретением задача заключается в создании волоконно-оптического датчика, обладающего высокой чувствительностью, широким диапазоном рабочих давлений и увеличенным сроком службы.The problem solved by the invention is to create a fiber optic sensor with high sensitivity, a wide range of operating pressures and an extended service life.
Технический результат заключается в повышении чувствительности и надежности датчика при длительной эксплуатации в условиях больших нагрузок за счет формирования чувствительного элемента датчика с наименьшим количеством изгибов ОВ и минимальными механическими нагрузками в местах изгиба ОВ.The technical result consists in increasing the sensitivity and reliability of the sensor during long-term operation under high loads due to the formation of a sensitive element of the sensor with the least number of bends of OM and minimal mechanical loads in places of bending of OM.
Это достигается тем, что волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержит участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения, при этом участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав, а пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании, причем оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины.This is achieved by the fact that the fiber-optic pressure sensor, made on the basis of the optical fiber, contains radiation input and output sections, as well as a section located in the passage channel of a rectangular rectangular rubber housing, while the optical fiber radiation input and output sections are passed through a metal sleeve and the passage channel includes at least one section for placing the optical cable parallel to the base of the housing, made in the form of a groove with a corrugated surface in the base, and The hollow fiber in the groove is pressed to the tops of the protrusions of the corrugated surface with a plate of heat-resistant rubber.
Для повышения надежности датчика металлический рукав может быть выполнен из оптического микрокабеля на основе гибкого шестипроволочного стального каната с полой сердцевиной.To increase the reliability of the sensor, the metal sleeve can be made of an optical microcable based on a flexible six-wire steel rope with a hollow core.
Для удобства использования датчика в системе измерений на концах участков ввода и вывода излучения оптического волокна могут быть установлены оптические разъемы.For the convenience of using the sensor in the measurement system, optical connectors can be installed at the ends of the input and output sections of the optical fiber radiation.
При этом длину паза, амплитуду выступов рифленой поверхности и частоту их следования определяют с учетом контролируемых нагрузок. Это позволяет оптимизировать характеристики датчика в зависимости от области его использования.In this case, the groove length, the amplitude of the protrusions of the corrugated surface and their repetition rate are determined taking into account the controlled loads. This allows you to optimize the characteristics of the sensor depending on the area of its use.
Изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 представлена конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического датчика давления.Figure 1 shows the design of the sensing element of the fiber optic pressure sensor.
На фиг.2 - фотография нижней части заготовки корпуса предлагаемого ВОДД с двумя участками для размещения ОВ параллельно основанию.Figure 2 - photograph of the lower part of the workpiece of the housing of the proposed VODD with two sections for the placement of OM parallel to the base.
В предлагаемом волоконно-оптическом датчике давления чувствительным элементом является участок ОВ, размещенный в прямоугольном корпусе параллельно его основанию на двух участках пропускного канала, каждый из которых выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании, и прижатый к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины.In the proposed fiber-optic pressure sensor, the sensing element is an OB section located in a rectangular case parallel to its base on two sections of the passage channel, each of which is made in the form of a groove with a corrugated surface in the base, and pressed to the tops of the protrusions of the corrugated surface by a plate of heat-resistant rubber .
Заготовка корпуса выполнена из термостойкой резины. Она содержит нижнюю часть и крышку.The workpiece blank is made of heat-resistant rubber. It contains a bottom and a cover.
Чувствительный элемент предложенного волоконно-оптического датчика давления, представленный на фиг.1, формируют на заготовке-корпусе ВОДД 1 следующим образом.The sensitive element of the proposed fiber-optic pressure sensor, shown in figure 1, is formed on the blank-
В нижней части 1 заготовки корпуса имеется пропускной канал 2, в котором располагают волокно 3. Канал 2 включает, по меньшей мере, один участок для размещения ОВ 3 параллельно основанию. Участок канала 2 для размещения ОВ 3 параллельно основанию выполнен в виде паза 4 с рифленой поверхностью 5 в основании. При этом в крышке 6 над пазом 4 расположены выемка 7 для размещения пластины 8. В процессе изготовления оптическое волокно 3 пропускают по пропускному каналу 2 и прижимают его к выступам рифленой поверхности 4 пластиной 8 из термостойкой резины, размеры которой соответствуют размеру выемки 7. Входной и выходной участки ОВ 3 размещают в металлический рукав. После чего нижнюю часть 1 корпуса закрывают крышкой 6 и осуществляют процесс вулканизации корпуса.In the
В предложенном ВОДД используют многомодовое волокно, изготавливаемое по спецификации МЭК-Т G. 651, с диаметром сердцевины 50 мкм и оболочки 125 мкм с лаковой (245 мкм) или плотной полимерной оболочкой (диаметром 0,9 мм).The proposed VODD uses a multimode fiber manufactured according to the specification of IEC-T G. 651, with a core diameter of 50 μm and a shell of 125 μm with a varnish (245 μm) or dense polymer shell (0.9 mm in diameter).
При использовании ВОДД, например, для измерения давления железнодорожного состава на рельсы корпус с чувствительными элементами устанавливают основанием на шпалу непосредственно под рельс. Входной участок кабеля подключают к источнику излучения, а выходной - к измерительной системе (на фиг. не показаны).When using VODD, for example, to measure the pressure of a train on rails, a casing with sensitive elements is mounted with a base on a railroad tie directly under the rail. The input section of the cable is connected to the radiation source, and the output to the measuring system (not shown in FIG.).
При нагруженном ВОДД пластина 8 термостойкой резины оказывает давление на оптическое волокно 3, прижимая его к рифленой поверхности 5 основания паза 4. При этом оптическое волокно 3 изгибается и, соответственно, вызывает изменение проходящего сигнала по волокну. Величина продавливания пропорциональна давлению и может достигать насыщения.When VODD is loaded, the heat-resistant rubber plate 8 exerts pressure on the optical fiber 3, pressing it against the corrugated surface 5 of the base of the groove 4. In this case, the optical fiber 3 bends and, accordingly, causes a change in the transmitted signal through the fiber. The amount of punching is proportional to pressure and can reach saturation.
Очевидно, что датчик работает в определенном диапазоне нагрузок. Изгиб ОВ 3 ограничен периодом и амплитудой синусоиды рифленой поверхности 5 паза 4. Параметры рифленой поверхности 5 основания паза 4 рассчитывают в зависимости от нагрузок. При этом поперечное давление ОВ 3 при сжатии на резиновом выступе рифленой поверхности 5 значительно меньше, чем у аналога.Obviously, the sensor operates in a certain range of loads. The bend of OB 3 is limited by the period and amplitude of the sinusoid of the grooved surface 5 of the groove 4. The parameters of the grooved surface 5 of the base of the groove 4 are calculated depending on the loads. In this case, the transverse pressure of OB 3 during compression on the rubber protrusion of the corrugated surface 5 is much less than that of the analogue.
Необходимость использования пластины 8 из термостойкой резины для фиксации ОВ 3 на выступах рифленой поверхности 5 связана с исключением размягчения и затекания резины крышки 6 корпуса при ее эксплуатации.The need to use a plate 8 of heat-resistant rubber for fixing OV 3 on the protrusions of the corrugated surface 5 is associated with the exception of softening and leakage of rubber of the cover 6 of the housing during its operation.
Изготавливают заготовку ВОДД преимущественно из маслобензостойкой резины с использованием пресс-форм.A VODD blank is made predominantly from oil and petrol resistant rubber using molds.
Входной и выходной участки ОВ 3 помещают в бронированный микрокабель типа СЛ-ОКМБ-2 производства ООО « НПП СТАРЛИНК» с полой сердцевиной.The input and output sections of OV 3 are placed in an armored microcable of the type SL-OKMB-2 manufactured by NPP STARLINK with a hollow core.
Применение оптического микрокабеля типа СЛ-ОКМБ, выполненного на основе шестипроволочного каната, определяется необходимостью обеспечения стойкости к поперечным и продольным нагрузкам и возможностью пропускания в него выбранного волокна с внешним диаметром 245 мкм.The use of an optical microcable of the SL-OKMB type, based on a six-wire rope, is determined by the need to ensure resistance to transverse and longitudinal loads and the ability to pass a selected fiber with an external diameter of 245 microns into it.
Параметры чувствительного элемента (длина, частота и амплитуда рифленой поверхности основания паза) определяют исходя из экспериментальных зависимостей изменения сигнала от давления А=f(Р).The parameters of the sensitive element (length, frequency, and amplitude of the grooved surface of the groove base) are determined based on the experimental dependences of the signal change on pressure A = f (P).
Для использования в системе измерений на обоих концах кабеля могут быть установлены оптические разъемы.Optical connectors can be installed at both ends of the cable for use in a measurement system.
В частном случае предлагаемый волоконно-оптический датчик давления может быть использован для измерения веса подвижных объектов, машин, вагонов поезда и др., а также для автоматического контроля технического состояния рельсового подвижного состава в процессе его эксплуатации путем измерения динамических нагрузок, оказываемых подвижным составом на датчик.In a particular case, the proposed fiber-optic pressure sensor can be used to measure the weight of moving objects, cars, train cars, etc., as well as to automatically monitor the technical condition of rail rolling stock during its operation by measuring the dynamic loads exerted by the rolling stock on the sensor .
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010106417/28A RU2420719C1 (en) | 2010-02-25 | 2010-02-25 | Fibre-optic pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010106417/28A RU2420719C1 (en) | 2010-02-25 | 2010-02-25 | Fibre-optic pressure sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2420719C1 true RU2420719C1 (en) | 2011-06-10 |
Family
ID=44736737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010106417/28A RU2420719C1 (en) | 2010-02-25 | 2010-02-25 | Fibre-optic pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2420719C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2674547C1 (en) * | 2018-02-26 | 2018-12-11 | Акционерное общество Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте | Fiber optical sensor for the railway track monitoring |
| RU2676553C1 (en) * | 2017-11-07 | 2019-01-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) | Fiber optical force sensor |
| CN111637993A (en) * | 2020-04-21 | 2020-09-08 | 同济大学 | Pressure detection device between can assembling layer and road surface layer pressure monitoring structure |
| RU199709U1 (en) * | 2020-06-15 | 2020-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Череповецкий государственный университет" | Fiber optic force sensor |
-
2010
- 2010-02-25 RU RU2010106417/28A patent/RU2420719C1/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2676553C1 (en) * | 2017-11-07 | 2019-01-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) | Fiber optical force sensor |
| RU2674547C1 (en) * | 2018-02-26 | 2018-12-11 | Акционерное общество Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте | Fiber optical sensor for the railway track monitoring |
| CN111637993A (en) * | 2020-04-21 | 2020-09-08 | 同济大学 | Pressure detection device between can assembling layer and road surface layer pressure monitoring structure |
| RU199709U1 (en) * | 2020-06-15 | 2020-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Череповецкий государственный университет" | Fiber optic force sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6854327B2 (en) | Apparatus and method for monitoring compaction | |
| US11002620B2 (en) | Device and system for detecting dynamic strain | |
| EP3642584B1 (en) | Distributed pressure sensing | |
| Gholamzadeh et al. | Fiber optic sensors | |
| US10234345B2 (en) | Method and system for detecting dynamic strain | |
| US9677960B2 (en) | Pressure sensing assembly | |
| RU2512136C2 (en) | Fibre-optical sensor of spiral structure | |
| RU2420719C1 (en) | Fibre-optic pressure sensor | |
| CN202066479U (en) | Linear fiber bragg grating displacement meter | |
| KR20120004817A (en) | Soil pressure sensor using an optical fiber sensor | |
| ITVR20080047A1 (en) | PROCEDURE AND PLANT FOR THE EXTENDED MEASUREMENT AND MONITORING OF THE TENSIONAL STATE OF THE LONG WELDED TRACK (CWR) | |
| Johny et al. | Investigation of positioning of FBG sensors for smart monitoring of oil and gas subsea structures | |
| KR101498386B1 (en) | Monitoring system of cryogenic liquid storage tank using fiber bragg grating sensor | |
| EP3311130A1 (en) | Fiber optic pressure apparatus, methods, and applications | |
| de Vries et al. | Photoinduced grating-based optical fiber sensors for structural analysis and control | |
| CN202485696U (en) | Cylindrical microbend modulator and optical fiber microbend sensor with same | |
| KR101129261B1 (en) | FBGFiber Bragg Gratings Acceleration Sensor for Multi-Point Measuring by Series Connection | |
| Camas-Anzueto et al. | Simple Configuration of a Fiber Optic Sensor for Measuring Deflection in Concrete Beams | |
| RU2567176C2 (en) | Differential optic fibre pressure difference sensor | |
| KR101148935B1 (en) | FBG sensor module, 2 axis FBG sensor module, 2 axis FBG sensor module manufacture equipment and 2 axis FBG sensor module manufacture method | |
| Yan et al. | Development of flexible pressure sensing polymer foils based on embedded fibre Bragg grating sensors | |
| CN102384805A (en) | Spring stress monitoring device based on optical fiber bend loss | |
| CN2664005Y (en) | Reseau type optical fiber microbend sensor | |
| RU2552399C1 (en) | Distributed fiber optical high sensitivity temperature sensor | |
| CN105823496A (en) | Linear optical fiber sensing device |