RU2570109C1

RU2570109C1 - Method of attachment of optical fibre with bragg grating

Info

Publication number: RU2570109C1
Application number: RU2014138762/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Даниленко
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-12-10

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: in method of attachment of optical fibre with a Bragg grating on the surface of the elastic element the graphite plates are disposed, with providing a gap between them, and they are clamped, the optical fibre with a Bragg grating is placed in the gap, so that the Bragg grating is in the zone of maximum deformation of the surface of the elastic element, the gap in the area of the Bragg grating is filled with glass ceramic material, the assembly is placed in a furnace, where soldering of the metal-glass compound is carried out, it is removed from the furnace and cooled at a rate of not more than 3-5°C/min.

EFFECT: increase in reliability of attachment of the optical fibre with the Bragg grating.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно прецизионного, и может быть использовано при создании первичных чувствительных элементов оптических преобразователей деформаций спектрального типа.The invention relates to the field of instrumentation, mainly precision, and can be used to create primary sensitive elements of optical strain transducers of spectral type.

При разработке и создании волоконно-оптических датчиков на брэгговской решетке основной задачей является ее закрепление на упругом элементе, воспринимающем воздействующую измеряемую деформацию. Такое закрепление требует комплексной согласованности соединяемых материалов как по коэффициенту температурного расширения, так и по технологической совместимости. Деформации упругого элемента должны вызывать соответствующие деформации оптического волокна в области расположения брэгговской решетки, поэтому должно быть обеспечено их качественное закрепление, исключающее малейшие проскальзывания оптического волокна (в области расположения брэгговской решетки), исключающее, таким образом, неоднозначность преобразования измеряемой деформации.When developing and creating fiber-optic sensors on a Bragg grating, the main task is to fix it to an elastic element that perceives the acting measured strain. Such consolidation requires a comprehensive consistency of the materials being joined both in terms of the coefficient of thermal expansion and in technological compatibility. Deformations of the elastic element should cause corresponding deformations of the optical fiber in the region of the Bragg grating, therefore, their high-quality fastening should be ensured, eliminating the slightest slippage of the optical fiber (in the region of the Bragg grating), thus eliminating the ambiguity of the transformation of the measured strain.

Известен способ соединения материалов, один из которых обладает низким коэффициентом температурного расширения (в частности, для соединений металл - стекло и металл - керамика). В способе применяется стеклокристаллический материал (стеклоприпой или стеклоцемент). Стеклокристаллический материал помещают в места пайки соединяемых деталей для последующего нагрева всей сборки до температуры его расплавления (температура расплавления применяемого стеклокристаллического материала значительно меньше температуры размягчения любого из соединяемых элементов). Закрепление кварцевого оптического волокна на упругом элементе посредством стеклокристаллического материала позволит достичь наилучшей согласованности коэффициентов температурного расширения соединения волокно - припой (http://www.pro-vacuum.ru/sposoby-soedinenia-vakkumnykh-sistem/sposobv-izgotovleniia-germetichnykh-nerazemnykh-soedinenii.html]). При этом недостатком способа является то, что при осуществлении пайки расплавленный стеклокристаллический материал растекается за пределы зоны расположения оптического волокна и соответственно брэгговской решетки. Верхняя часть оптического волокна при этом может частично оголиться, что неизбежно приводит к потере всесторонней фиксации брэгговской решетки. Таким образом, точность и надежность преобразователя деформаций, использующего в качестве чувствительного элемента брэгговскую решетку, существенно снизится.A known method of joining materials, one of which has a low coefficient of thermal expansion (in particular, for metal-glass and metal-ceramic compounds). The method uses a glass-crystalline material (glass solder or glass cement). The glass-crystalline material is placed in the soldering places of the parts to be joined for subsequent heating of the entire assembly to its melting temperature (the melting temperature of the glass-crystal material used is much lower than the softening temperature of any of the elements to be connected). Fixing a quartz optical fiber to an elastic element by means of a glass-crystalline material will allow achieving the best coordination of the thermal expansion coefficients of the fiber-solder compound (http://www.pro-vacuum.ru/sposoby-soedinenia-vakkumnykh-sistem/sposobv-izgotovleniia-germetichnykh-nerazemnykh- soedinenii.html]). Moreover, the disadvantage of this method is that when soldering, the molten glass crystal material spreads outside the zone of location of the optical fiber and, accordingly, the Bragg grating. In this case, the upper part of the optical fiber can be partially exposed, which inevitably leads to the loss of comprehensive fixation of the Bragg grating. Thus, the accuracy and reliability of the strain transducer using the Bragg grating as a sensitive element will decrease significantly.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности закрепления оптического волокна с брэгговской решеткой.The technical result of the invention is to increase the reliability of fixing the optical fiber with a Bragg grating.

Технический результат достигается тем, что в способе закрепления оптического волокна с брэгговской решеткой на поверхности упругого элемента располагают графитовые пластины с обеспечением зазора между ними, зажимают их, в зазор помещают оптическое волокно с брэгговской решеткой, чтобы брэгговская решетка оказалась в зоне максимальной деформации поверхности упругого элемента, зазор в области брэгговской решетки заполняют стеклокристаллическим материалом, сборку помещают в печь, где производят пайку соединения металл - стекло, извлекают из печи и остужают со скоростью не более 3-5°С/мин.The technical result is achieved by the fact that in the method of fixing an optical fiber with a Bragg grating, graphite plates are placed on the surface of the elastic element to provide a gap between them, clamped, an optical fiber with a Bragg grating is placed in the gap so that the Bragg grating is in the zone of maximum deformation of the surface of the elastic element , the gap in the region of the Bragg grating is filled with a glass-crystalline material, the assembly is placed in a furnace, where the metal-glass compound is soldered, removed they are heated from the furnace and cooled at a speed of no more than 3-5 ° C / min.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-5, на которых схематично представлено приспособление, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ, где 1 - поверхность упругого элемента, 2, 3 - графитовые пластины, 4 - зазор между графитовыми пластинами, 5 - прижимные планки, 6 - стяжные элементы, 7 - оптическое волокно, 8 - брэгговская решетка.The invention is illustrated in figures 1-5, which schematically shows the device with which the proposed method is implemented, where 1 is the surface of the elastic element, 2, 3 are graphite plates, 4 is the gap between the graphite plates, 5 is the clamping strips, 6 - clamping elements, 7 - optical fiber, 8 - Bragg grating.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

На поверхности упругого элемента 1 располагают графитовые пластины 2 и 3 (фиг. 1), обеспечивая между ними зазор 4 (фиг. 2). Величину зазора 4 определяют исходя из диаметра наружной оболочки оптического волокна и свойств применяемого стеклокристаллического материала. Например, для диаметра наружной оболочки волокна 0,125 мм и стеклокристаллического материала типа С48-2 величину зазора целесообразно обеспечить в пределах 4-6 мм. Как показывает практика, значения зазора больше указанных не приведут к улучшению адгезии паяемых материалов при закреплении оптического волокна, в то время как меньшие значения в данном случае могут быть недостаточными для контактируемых при пайке материалов, что неизбежно приведет к их отрыву ввиду малой площади контакта. Графитовые пластины 2, 3 зажимают посредством прижимных планок 5, расположенных сверху и снизу от поверхности упругого элемента 1, и стяжных элементов 6 (фиг. 3-4). Каждый из стяжных элементов 6 представляет собой резьбовой крепежный элемент, например шпильку, на противоположных концах которой закреплены гайки. В зазоре 4 между графитовыми пластинами 2, 3 помещают оптическое волокно 7 таким образом, чтобы брэгговская решетка 8 на поверхности упругого элемента 1 оказалась в зоне максимальной деформации данной поверхности (фиг. 5). Зазор 4 в области расположения брэгговской решетки 8 заполняют стеклокристаллическим материалом, далее всю сборку нагревают в печи, осуществляя пайку обычным, применяемым при соединениях металл - стекло, способом (терморежим выбирают исходя из геометрических размеров и свойств материалов участвующих в спае элементов). Сборку извлекают из печи и остужают со скоростью не более 3-5°С/мин (обеспечивая тем самым уменьшение возникающих внутренних напряжений).On the surface of the elastic element 1 are placed graphite plates 2 and 3 (Fig. 1), providing between them a gap 4 (Fig. 2). The size of the gap 4 is determined based on the diameter of the outer shell of the optical fiber and the properties of the used glass crystal material. For example, for the diameter of the outer sheath of the fiber is 0.125 mm and the glass crystal material of type C48-2, it is advisable to provide a gap value in the range of 4-6 mm. As practice shows, gap values greater than those indicated will not lead to improved adhesion of the soldered materials when fixing the optical fiber, while lower values in this case may not be sufficient for the materials contacted during soldering, which will inevitably lead to their separation due to the small contact area. The graphite plates 2, 3 are clamped by means of clamping strips 5 located above and below the surface of the elastic element 1, and clamping elements 6 (Fig. 3-4). Each of the tie members 6 is a threaded fastener, for example a stud, at the opposite ends of which nuts are fixed. An optical fiber 7 is placed in the gap 4 between the graphite plates 2, 3 so that the Bragg grating 8 on the surface of the elastic element 1 is in the zone of maximum deformation of this surface (Fig. 5). The gap 4 in the location of the Bragg grating 8 is filled with glass-crystalline material, then the entire assembly is heated in the furnace by brazing using the usual metal-glass joints (the thermal mode is selected based on the geometric dimensions and properties of the materials involved in the joint). The assembly is removed from the furnace and cooled at a speed of not more than 3-5 ° C / min (thereby ensuring a reduction in the occurring internal stresses).

В качестве стеклокристаллического материала можно использовать стеклопорошок, стеклоприпой или стеклоцемент.As the glass crystal material, glass powder, glass solder or glass cement can be used.

Предлагаемый способ позволяет создать надежное (принимая во внимание работу преобразователей в условиях малых деформаций) закрепление оптического волокна с брэгговской решеткой, при котором будет обеспечена всесторонняя фиксация наружной оболочки волокна. Всесторонняя фиксация брэгговской решеткой позволит исключить ее выгибания и проскальзывания. Такое оптическое волокно с брэгговской решеткой можно использовать при работе с деформацией-растяжением и деформацией-сжатием.The proposed method allows you to create a reliable (taking into account the operation of the transducers in the conditions of small deformations) fastening the optical fiber with a Bragg grating, which will provide comprehensive fixation of the outer shell of the fiber. Comprehensive fixation by the Bragg grating will eliminate its bending and slippage. Such an optical fiber with a Bragg grating can be used when working with strain-extension and strain-compression.

Claims

A method of fixing an optical fiber with a Bragg grating, namely, that graphite plates are placed on the surface of the elastic element to provide a gap between them, they are clamped, an optical fiber with a Bragg grating is placed in the gap so that the Bragg grating is in the zone of maximum deformation of the surface of the elastic element, the gap in the area of the Bragg grating is filled with glass-crystalline material, the assembly is placed in a furnace, where the metal-glass compound is soldered, removed from the furnace and cooled at a rate not more than 3-5 ° C / min.