RU2537474C1

RU2537474C1 - Fibre optic vibration transducer

Info

Publication number: RU2537474C1
Application number: RU2013140342/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Валерьевич Индришенок; Андрей Сергеевич Титов; Дмитрий Иванович Уткин; Дмитрий Владимирович Панфёров; Сергей Александрович Даниленко
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-01-10

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: fibre optic vibration transducer comprises a support base, a vibration element, the optical lightguides relative to the ends of which at a distance the reflecting surface is formed, each of the optical lightguides performs simultaneously the function of supply and removal of the light flux, the support base from the monocrystal plate is made integrally with the vibration element, at the top and bottom of the support base the lightguides are fixed, which axes are perpendicular to the reflecting surface. The extensions of the axes of the said lightguides cross its upper and lower bounds.

EFFECT: improved accuracy, reliability and service life of the fibre optic vibration transducer and sensors, meters, in which structure it is used.

3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим измерителям и датчикам вибрации, и служит для решения задачи виброконтроля в условиях вибрационных нагрузок больших электрических машин (турбогенераторы, гидроэлектрические насосы/генераторы, электродвигатели, силовые трансформаторы).The invention relates to measuring equipment, namely to optical meters and vibration sensors, and serves to solve the problem of vibration monitoring under vibration loads of large electrical machines (turbogenerators, hydroelectric pumps / generators, electric motors, power transformers).

Известен волоконно-оптический преобразователь углового перемещения, содержащий подводящий и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых на расстоянии X₀ установлена перемещающаяся на угол α отражающая поверхность, неподвижная линия отражающей поверхности расположена относительно оптической оси подводящего оптического волокна на расстоянии L, оптическая ось подводящего оптического волокна расположена относительно оптической оси отводящих оптических волокон на расстоянии D, причем конструктивные параметры связаны между собой выражениемA fiber-optic angular displacement transducer is known, which comprises an input and a return optical fiber, with respect to a common end thereof at a distance X ₀ a reflecting surface moving at an angle α is installed, a fixed line of the reflecting surface is located relative to the optical axis of the supply optical fiber at a distance L, the optical axis of the supply optical fiber is located relative to the optical axis of the discharge optical fibers at a distance D, and the design parameters of the connection Ana between themselves expression

,

где r_c, Θ_NA - радиус сердцевины и апертурный угол оптического волокна соответственно. Патент Российской Федерации №2419765, МПК G01B 21/00, 2011 г., аналог.where r _c , Θ _NA is the radius of the core and the aperture angle of the optical fiber, respectively. Patent of the Russian Federation No. 2419765, IPC G01B 21/00, 2011, analogue.

Известен волоконно-оптический преобразователь перемещения, содержащий подводящие и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых на расстоянии Х₀ установлена перемещающаяся, в соответствии с измеряемым перемещением Z, поверхность с зеркальной и поглощающей частями, отличающийся тем, что Х₀=d_OB/2tgΘ_NA, где d_OB, Θ_NA - внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно, зеркальная часть выполнена в виде горизонтальной полосы шириной b, равной диаметру сердцевины d_C оптического волокна, и верхняя граница которой установлена относительно оптической оси подводящего оптического волокна при Z=0 на расстоянии H=(d_OB/2-d_C/2). Патент Российской Федерации №2308677, МПК: G01B 11/00, 2007 г., прототип.A fiber-optic displacement transducer is known, which contains input and output optical fibers, relative to the common end of which at a distance X ₀ there is a moving surface in accordance with the measured displacement Z with mirror and absorbing parts, characterized in that X ₀ = d _OB / 2tgΘ _NA , where d _OB , Θ _NA is the outer diameter and aperture angle of the optical fiber, respectively, the mirror part is made in the form of a horizontal strip of width b equal to the diameter of the core d _{C of the} optical fiber, and the upper boundary which is installed relative to the optical axis of the optical fiber at Z = 0 at a distance H = (d _OB / 2-d _C / 2). Patent of the Russian Federation No. 2308677, IPC: G01B 11/00, 2007, prototype.

Недостатком вышеприведенных волоконно-оптических преобразователей является пониженная точность, надежность и срок эксплуатации из-за старения оптических волокон. Старение оптического волокна приводит к ослаблению его пропускной способности, интенсивность оптического сигнала уменьшается. Ввиду того, что значение измеряемого параметра в амплитудных преобразователях связано именно с интенсивностью этого сигнала, возникает снижение точности измерений.The disadvantage of the above fiber optic converters is the reduced accuracy, reliability and durability due to aging of optical fibers. Aging of an optical fiber leads to a weakening of its throughput; the intensity of the optical signal decreases. Due to the fact that the value of the measured parameter in the amplitude converters is associated precisely with the intensity of this signal, a decrease in the measurement accuracy occurs.

Технический результат изобретения - повышение точности, надежности и срока эксплуатации волоконно-оптического преобразователя вибрации и датчиков/измерителей, в составе которых он используется.The technical result of the invention is to improve the accuracy, reliability and life of the fiber-optic vibration transducer and sensors / meters in which it is used.

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом преобразователе вибрации, содержащем несущее основание, элемент вибрации, оптические световоды, относительно торцов которых на расстоянии сформирована отражающая поверхность, каждый из оптических световодов выполняет одновременно функцию подвода и отвода светового потока, несущее основание из пластины монокристалла изготовлено за одно целое с элементом вибрации, сверху и снизу несущего основания закреплены световоды, оси которых перпендикулярны отражающей поверхности, причем продолжения осей указанных световодов пересекают ее верхнюю и нижнюю границы. На поверхностях несущего основания выполнены канавки для укладки световодов. При работе в высокотемпературных средах конструктивные элементы изготовлены из материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты температурного расширения.The technical result is achieved in that in a fiber-optic vibration transducer containing a carrier base, a vibration element, optical fibers, relative to the ends of which a reflective surface is formed at a distance, each of the optical fibers performs the function of supplying and removing light flux carrying the base from a single crystal plate made in one piece with the vibration element, optical fibers are fixed on top and bottom of the bearing base, the axes of which are perpendicular to the reflecting surface minute, and extension axes of said waveguides intersect its upper and lower limits. On the surfaces of the carrier base, grooves are made for laying optical fibers. When working in high-temperature environments, structural elements are made of materials having coefficients of thermal expansion that are close in value.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-7.The invention is illustrated in figures 1-7.

На фиг.1 схематично представлен волоконно-оптический преобразователь вибрации, где: 1 - верхний световод, 2 - нижний световод, 3 - отражающая поверхность, 4 - элемент вибрации, 5 - несущее основание из пластины монокристалла.Figure 1 schematically shows a fiber-optic vibration transducer, where: 1 - the upper fiber, 2 - the lower fiber, 3 - the reflective surface, 4 - the vibration element, 5 - the bearing base from the single crystal plate.

На фиг.2 представлено поперечное сечение несущего основания 5, отображающее взаимное расположение верхнего и нижнего световодов.Figure 2 presents a cross section of the carrier base 5, showing the relative position of the upper and lower optical fibers.

На фиг.3 представлен разрез в направлении Б-Б элементов преобразователя, изображенных на фиг.2, отображающий взаимное расположение осей световодов и границ отражающей поверхности 3.Figure 3 presents a section in the direction BB of the transducer elements shown in figure 2, showing the relative position of the axes of the optical fibers and the boundaries of the reflecting surface 3.

На фиг.4 представлены графики изменения интенсивности световых потоков, отраженных от поверхности 3 при амплитуде вибраций ±Δ.Figure 4 presents graphs of changes in the intensity of the light flux reflected from the surface 3 with a vibration amplitude ± Δ.

На фиг.5 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем положении верхнего световода 1 относительно верхней границы отражающей поверхности 3.Figure 5 schematically shows the location of the cross sections of the optical fibers, with the extreme position of the upper fiber 1 relative to the upper boundary of the reflecting surface 3.

На фиг.6 схематично представлено расположение сечений световодов, при совпадении расположения осей верхнего световода 1 и нижнего световода 2 соответственно с верхней и нижней границами отражающей поверхности 3.Figure 6 schematically shows the location of the cross sections of the optical fibers, with the coincidence of the axes of the upper optical fiber 1 and the lower optical fiber 2, respectively, with the upper and lower boundaries of the reflecting surface 3.

На фиг.7 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем положении нижнего световода 2 относительно нижней границы отражающей поверхности 3.7 schematically shows the location of the cross sections of the optical fibers, with the extreme position of the lower fiber 2 relative to the lower boundary of the reflecting surface 3.

Волоконно-оптический преобразователь вибрации содержит элемент вибрации 4, изготовленный за одно целое с несущим основанием 5. Для верхнего 1 и нижнего 2 световодов в несущем основании 5 могут быть вырезаны продольные направляющие канавки.Fiber-optic vibration transducer contains a vibration element 4, made in one piece with the bearing base 5. For the upper 1 and lower 2 optical fibers in the bearing base 5 can be cut longitudinal guide grooves.

Отражающая поверхность 3 строго ориентирована относительно торцов верхнего 1 и нижнего 2 световодов, а именно, продолжения осей указанных световодов пересекают ее верхнюю и нижнюю границы.The reflecting surface 3 is strictly oriented relative to the ends of the upper 1 and lower 2 optical fibers, namely, the extensions of the axes of these optical fibers intersect its upper and lower boundaries.

При отсутствии вибраций половина светового потока, направленного из верхнего 1 и нижнего 2 световодов на эту отражающую поверхность 3, отражается обратно, а вторая половина потока рассеивается.In the absence of vibrations, half of the light flux directed from the upper 1 and lower 2 optical fibers to this reflective surface 3 is reflected back, and the second half of the flux is scattered.

Это достигается тем, что в исходном положении оси верхнего световода 1 и нижнего световода 2 соответственно совпадают с верхней и нижней границами отражающей поверхности 3 (см. фиг.6).This is achieved by the fact that in the initial position the axis of the upper fiber 1 and the lower fiber 2 respectively coincide with the upper and lower boundaries of the reflecting surface 3 (see Fig.6).

Световой поток коллимирован для того, чтобы исключить световые потери из-за расходимости света.The luminous flux is collimated in order to exclude light losses due to the divergence of light.

Волоконно-оптический преобразователь вибрации работает следующим образом.Fiber optic vibration Converter operates as follows.

Вибрация контролируемой большой электрической машины (турбогенератора, гидроэлектрического насоса/генератора, электродвигателя, силового трансформатора) воздействует на волоконно-оптический преобразователь вибрации, вызывая в нем смещения элемента вибрации 4 и, соответственно, отражающей поверхности 3, в пределах ±Δ. Эти перемещения отражающей поверхности 3 определяют площади отражения световых потоков верхнего 1 и нижнего 2 световодов (см. фиг.5-7).Vibration of a controlled large electric machine (turbogenerator, hydroelectric pump / generator, electric motor, power transformer) acts on the fiber-optic vibration transducer, causing it to displace vibration element 4 and, accordingly, reflecting surface 3, within ± Δ. These movements of the reflecting surface 3 determine the reflection area of the light fluxes of the upper 1 and lower 2 optical fibers (see Fig. 5-7).

Изменения отраженных световых потоков для верхнего 1 и нижнего 2 световодов имеют обратную зависимость: увеличение интенсивности отраженного сигнала для верхнего световода 1 сопровождается уменьшением интенсивности отраженного сигнала для нижнего световода 2, и наоборот.Changes in the reflected light flux for the upper 1 and lower 2 optical fibers have an inverse relationship: an increase in the intensity of the reflected signal for the upper optical fiber 1 is accompanied by a decrease in the intensity of the reflected signal for the lower optical fiber 2, and vice versa.

Анализ изменения во времени значений интенсивностей отраженных световых потоков позволяет определить частоту вибрации, в то время как анализ разности значений интенсивностей отраженных световых потоков позволяет определить амплитуду вибрации.An analysis of the time variation of the intensities of the reflected light flux allows us to determine the vibration frequency, while an analysis of the difference in the intensities of the reflected light flux allows us to determine the vibration amplitude.

Измерение осуществляется дифференциальным методом. Сигналы с обратно зависимыми значениями интенсивности отражения для каждого световода 1 и 2 (фиг.4) позволяют исключить необходимость учета потерь, из-за старения оптической линии передачи сигнала.Measurement is carried out by a differential method. Signals with inverse values of reflection intensity for each fiber 1 and 2 (Fig. 4) eliminate the need to take into account losses due to aging of the optical signal transmission line.

Калибровка волоконно-оптического преобразователя вибрации, при которой суммарный отраженный поток с обоих световодов 1 и 2 принят равным значению "единица" (фиг.4), позволяет повысить точность измерений и увеличить сроки эксплуатации волоконно-оптического преобразователя вибрации.Calibration of the fiber-optic vibration transducer, in which the total reflected flux from both optical fibers 1 and 2 is taken equal to the value "unit" (figure 4), can improve the accuracy of measurements and increase the operating life of the fiber-optic vibration transducer.

Для обеспечения термостойкости при необходимости применения волоконно-оптического преобразователя вибрации в высокотемпературных средах его конструктивные элементы изготовлены из материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты температурного расширения.To ensure heat resistance, if necessary, use a fiber-optic vibration transducer in high-temperature environments, its structural elements are made of materials having coefficients of thermal expansion that are close in value.

Claims

1. Fiber-optic vibration transducer containing a carrier base, a vibration element, optical fibers, relative to the ends of which a reflecting surface is formed, characterized in that each of the optical fibers performs the function of supplying and removing light flux, the carrier base of a single crystal plate is made optical fibers are fixed in one piece with the vibration element, from above and below the bearing base, the axes of which are perpendicular to the reflecting surface, The axes of the indicated optical fibers cross its upper and lower boundaries.

2. The fiber-optic vibration transducer according to claim 1, characterized in that on the surfaces of the carrier base there are grooves for laying the optical fibers.

3. The fiber-optic vibration transducer according to claim 1 or 2, characterized in that when operating in high-temperature environments, the structural elements are made of materials having coefficients of thermal expansion that are close in value.