RU2676553C1 - Волоконно-оптический датчик силы - Google Patents
Волоконно-оптический датчик силы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2676553C1 RU2676553C1 RU2017138786A RU2017138786A RU2676553C1 RU 2676553 C1 RU2676553 C1 RU 2676553C1 RU 2017138786 A RU2017138786 A RU 2017138786A RU 2017138786 A RU2017138786 A RU 2017138786A RU 2676553 C1 RU2676553 C1 RU 2676553C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- optical fiber
- groove
- fiber
- force
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title abstract description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам (ВОД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля (измерения) силы, давления и деформации. Волоконно-оптический датчик силы, выполненный на основе многомодового оптического волокна, содержащий участки ввода и вывода излучения с установленными оптическими разъемами в корпусе прямоугольного сечения, пропускной канал, согласно изобретению, изготовлен цельно-металлическим консольного типа, пропускной канал выполнен в массиве датчика в виде сквозного "U"-образного паза, разделяющего массив на две части: наружную - деформирующуюся (рабочую) и внутреннюю - статическую, связанные перемычками, центральная часть сквозного паза датчика имеет два параллельных участка синусоидальной формы, расположенных друг напротив друга, с количеством пиков и их амплитудой, определяемой с учетом контролируемых нагрузок, в центре образованных перемычек имеются отверстия с таким же диаметром, как и оптическое волокно, сквозной паз с двух сторон от оптического волокна залит жидкой резиной. Технический результат – возможность применения датчика для измерения разрывных и сжимающих нагрузок без усложнения конструкции при сохранении надежности датчика, возможность использования в составе силоизмерительной машины любой конфигурации. 5 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам (ВОД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля (измерения), силы, давления и деформации.
Известен датчик силы, содержащий корпус, в виде параллелограмма, образованного верхней и нижней гранями и двумя сквозными поперечными отверстиями с упругой перемычкой - чувствительным элементом между ними, тензорезисторы размещены в зонах максимальных деформаций на прилегающих поверхностях отверстий выше и ниже нейтральной оси корпуса датчика [Патент №2437070, РФ, МПК G01L 1/22, «Тензорезисторный датчик силы», Панькин А.М., Ткаченко М.В., Шелковников С.А., Заявитель-патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Тензоприбор", №2010102390/28; заявл. 25.01.2010; опубл. 20.12.2011; Бюл. №21, 8 с.].
Известно также изобретение волоконно-оптического датчика давления (прототип), выполненного на основе оптического волокна, содержащий 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 [Патент №2420719, РФ, МПК G01L 11/02, «Волоконно-оптический датчик давления», Гапанович В.А., Григорьев К.В., Комиссаров А.Ф. и др., Заявитель-патентообладатель Открытое акционерное общество "Российские железные дороги", №2010106417/28, заявлено 25.02.2010, опубликовано: 10.06.2011, бюл. №16, 7 с.].
Недостатками аналога и прототипа является устаревшая тензорезистивная технология, чувствительная к помехам разного рода (относится к аналогу), применение составных частей, отсутствующих в массовом производстве, работа только на сжатие, отсутствие возможности применения датчика в составе силоизмерительной машины.
Технический результат заключается в возможности применения датчика для измерения разрывных и сжимающих нагрузок без усложнения конструкции при сохранении надежности датчика, возможность использования в составе силоизмерительной машины любой конфигурации.
Указанный результат достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике силы, выполненном на основе многомодового оптического волокна, содержащем участки ввода и вывода излучения с установленными оптическими разъемами в корпусе прямоугольного сечения, пропускной канал, согласно изобретению, массив датчика изготовлен цельнометаллическим консольного типа, пропускной канал выполнен в массиве датчика в виде сквозного "U"-образного паза, разделяющего массив на две части: наружную - деформирующуюся (рабочую) и внутреннюю - статическую, связанные перемычками, центральная часть сквозного паза датчика имеет два параллельных участка синусоидальной формы, расположенных друг напротив друга, с количеством пиков и их амплитудой, определяемой с учетом контролируемых нагрузок, в центре образованных перемычек имеются отверстия с таким же диаметром, как и оптическое волокно, многомодовое оптическое волокно проведено по центру "U"-образного паза во всю его длину, в том числе и через два участка синусоидальной формы, повторяя их изгибы, сквозной паз с двух сторон от оптического волокна залит жидкой резиной.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид устройства в аксонометрии, на фиг. 2 - вид спереди, на фиг. 3 - вид сверху, на фиг. 4 - разрез устройства по А-А, на фиг. 5 - разрез устройства по Б-Б.
Массив датчика изготовлен цельнометаллическим в форме прямоугольного параллелепипеда (фиг. 1), причем материал и габариты могут различаться в зависимости от диапазона рабочих нагрузок. В массиве датчика имеется сквозной "U''-образный паз 1, разделяющий массив на две части: наружную - деформирующуюся (рабочую) 2 и внутреннюю -статическую 3 (фиг. 4). Эти части связанны перемычками 4 (фиг. 2). Паз 1 содержит многомодовое оптическое волокно 5. Центральная часть сквозного паза 1 датчика имеет два участка синусоидальной формы 6 с количеством пиков и их амплитудой, определяемой с учетом контролируемых нагрузок. В центре образованных перемычек 4 имеются отверстия 7 с таким же диаметром, как и оптическое волокно 5. К выходу отверстий 7 подсоединены оптические разъемы 8 для входа и выхода. Сквозной паз 1 с двух сторон от оптического волокна по ширине датчика 5 залит жидкой резиной 9 для защиты от внешних физических воздействий и сохранения многомодового оптического волокна 5 в центре паза 1 (фиг. 5). Датчик выполнен консольным, так как неподвижная часть 3 в месте образованных перемычек 4 жестко закреплена через крепежные отверстия 10 (фиг. 3) к какой либо раме, силоизмерительной машине и т.д.
Датчик изготавливают следующим образом. Массив корпуса его изготавливают цельнометаллическим в виде прямоугольного параллелепипеда, причем материал и габариты могут различаться в зависимости от диапазона рабочих нагрузок. В перпендикулярном направлении приложения нагрузки (силы) в массиве датчика вырезают (на электроэрозионном станке с ЧПУ) сквозной "U''-образный паз 1, причем выполняют его таким образом, что делят его на две части: наружную - деформирующуюся (рабочую) 2 и внутреннюю - статическую 3. Эти части связывают друг с другом образованными в процессе резки перемычками 4, при этом наружная часть 2 массива корпуса будет смещаться относительно его центральной части 3 в месте приложения силы. Сам паз 1 выполняют с такой шероховатостью поверхности, чтобы снизить возможность поверхностного повреждения многомодового оптического волокна 5 в ходе работы датчика, а его толщину выполняют размером в диаметр многомодового оптического волокна 5. Центральную часть сквозного паза 1 датчика изготавливают с двумя участками синусоидальной формы 6 с количеством пиков и их амплитудой, определяемой с учетом контролируемых нагрузок. Для изготовления сквозного паза 1 с необходимыми технологическими требования, применяют электроэрозионный станок с числовым программным управлением (ЧПУ). В центре образованных перемычек 4 выполняют отверстия 7 с таким же диаметром, как и многомодовое оптическое волокно 5. Выход отверстий 7 наружу изготавливают так, чтобы к ним можно было подсоединить оптические разъемы 8 для входа и выхода. Многомодовое оптическое волокно 5, проходит через центр "U''-образного паза во всю его длину, в том числе и через два участка синусоидальной формы 6, повторяя их изгибы, в которых при рабочей деформации датчика перегибается многомодовое оптическое волокно 5, тем самым изменяя световую интенсивность в зависимости от приложенной нагрузки (силы). Концы многомодового оптического - волокна 5 выводятся через отверстия 7 в образованных перемычках 4 и для удобства эксплуатации и подключения к системе измерения объединяют с оптическими разъемами 8 в задней не подвижной части 3 массива датчика. Датчик выполняют консольным, при этом неподвижную часть 3 в месте образованных перемычек 4 жестко крепят через крепежные отверстия 10 (к какой либо раме, силоизмерительной машине и т.д.), а его передняя рабочая часть 3 при нагрузке деформируется, тем самым происходит воздействие на многомодовое оптическое волокно 5. Сквозной паз 1 с двух сторон от многомодового оптического - волокна 5 заливают жидкой резиной 9, это позволяет сохранить многомодовое оптическое волокно 5 в центре паза 1 и защитить его от внешних физических воздействий. Кроме того, в датчиках с низкой нагрузочной способностью (до 1 кг.), залитая жидкая резина 9 в сквозной паз 1 с многомодовым оптическим волокном 5 обеспечивает дополнительную жесткость датчику и упругость в случае изготовления массива корпуса из алюминиевого сплава из любого другого металла с малой упругой способностью.
Для датчика с максимальной нагрузочной способностью до 1 кг. массив корпуса выполнили из сплава алюминия (дюраль Д16Т) с габаритными размерами 100×20×15 мм. Два участка синусоидальной формы содержат 4 пика с высотой амплитуды в 3-х кратном размере превышающей диаметр оптического волокна. В предложенном оптическом волоконном датчике применили многомодовое волокно, изготавливаемое по спецификации МЭК-Т G. 651, с диаметром сердцевины 50 мкм и оболочки 125 мкм с плотной полимерной оболочкой.
Датчик для измерения силы можно применять для постройки различного рода весов, также он может входить в состав силоизмерительных машин, тем самым заменить уже устаревшие тензометрические датчики. В качестве расширения возможностей измерения датчика его можно использовать и для измерения деформации.
Claims (1)
- Волоконно-оптический датчик силы, выполненный на основе многомодового оптического волокна, содержащий участки ввода и вывода излучения с установленными оптическими разъемами в корпусе прямоугольного сечения, пропускной канал, отличающийся тем, что массив датчика изготовлен цельнометаллическим консольного типа, пропускной канал выполнен в массиве датчика в виде сквозного ''U''-образного паза, разделяющего массив на две части: наружную - деформирующуюся (рабочую) и внутреннюю - статическую, связанные перемычками, центральная часть сквозного паза датчика имеет два параллельных участка синусоидальной формы, расположенных друг напротив друга, с количеством пиков и их амплитудой, определяемой с учетом контролируемых нагрузок, в центре образованных перемычек имеются отверстия с таким же диаметром, как и оптическое волокно, многомодовое оптическое волокно проведено по центру ''U''-образного паза во всю его длину, в том числе и через два участка синусоидальной формы, повторяя их изгибы, сквозной паз с двух сторон от оптического волокна залит резиной.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138786A RU2676553C1 (ru) | 2017-11-07 | 2017-11-07 | Волоконно-оптический датчик силы |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138786A RU2676553C1 (ru) | 2017-11-07 | 2017-11-07 | Волоконно-оптический датчик силы |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2676553C1 true RU2676553C1 (ru) | 2019-01-09 |
Family
ID=64958649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017138786A RU2676553C1 (ru) | 2017-11-07 | 2017-11-07 | Волоконно-оптический датчик силы |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2676553C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1224620A1 (ru) * | 1984-10-11 | 1986-04-15 | Грозненское Научно-Производственное Объединение "Промавтоматика" | Оптико-волоконный датчик силы |
| US6768825B2 (en) * | 1998-05-06 | 2004-07-27 | Weatherford/Lamb, Inc. | Optical sensor device having creep-resistant optical fiber attachments |
| RU2420719C1 (ru) * | 2010-02-25 | 2011-06-10 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Волоконно-оптический датчик давления |
| RU2571448C1 (ru) * | 2014-08-05 | 2015-12-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Микромеханический волоконно-оптический датчик давления |
-
2017
- 2017-11-07 RU RU2017138786A patent/RU2676553C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1224620A1 (ru) * | 1984-10-11 | 1986-04-15 | Грозненское Научно-Производственное Объединение "Промавтоматика" | Оптико-волоконный датчик силы |
| US6768825B2 (en) * | 1998-05-06 | 2004-07-27 | Weatherford/Lamb, Inc. | Optical sensor device having creep-resistant optical fiber attachments |
| RU2420719C1 (ru) * | 2010-02-25 | 2011-06-10 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Волоконно-оптический датчик давления |
| RU2571448C1 (ru) * | 2014-08-05 | 2015-12-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Микромеханический волоконно-оптический датчик давления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US2859613A (en) | Multiple bending beam force measuring device | |
| US9453771B2 (en) | Fiber-grating sensors having longitudinal-strain-inducing jackets and sensor systems and structures including such sensors | |
| US7406877B2 (en) | Uniaxial thermal and/or mechanical deformation-measuring device system and method employing a Bragg grating optical fibre | |
| CN206208380U (zh) | 一种基于悬臂梁结构的光纤光栅振动传感器 | |
| Xu et al. | Thermally-compensated bending gauge using surface-mounted fibre gratings | |
| DE19514852C2 (de) | Verfahren und Anordnung zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung | |
| CN109196394A (zh) | 利用光纤光栅传感器的位移检测装置及其灵敏度、耐久性的调节方法 | |
| Weiss | Fiber-optic strain gauge | |
| CN103148894A (zh) | 基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器 | |
| US3033034A (en) | Resistance strain gauge operating with transformation | |
| Lai et al. | 2D and 3D shape sensing based on 7-core fiber Bragg gratings | |
| RU2676553C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик силы | |
| PL235392B1 (pl) | Sposób ciągłego pomiaru profilu przemieszczeń obiektów budowlanych oraz czujnik do realizacji tego sposobu | |
| US4419902A (en) | Constant strain load cell | |
| CN201237522Y (zh) | 一种光栅称重传感器 | |
| US2741120A (en) | Strain gage axial force unit | |
| Winger et al. | Experimental investigation of a tactile sensor based on bending losses in fiber optics | |
| CN213239282U (zh) | 一种温度补偿式光纤压力传感器 | |
| Li et al. | A temperature-independent force transducer using one optical fiber with multiple Bragg gratings | |
| CN108827506A (zh) | 一种高刚度二维力测量传感器 | |
| RU2643686C2 (ru) | Волоконно-оптический тензометрический датчик | |
| RU2728725C1 (ru) | Устройство прецизионной калибровки волоконно-оптических датчиков с решёткой брэгга | |
| US3321964A (en) | Dynamometer pick-up | |
| CN112213010A (zh) | 一种温度补偿式光纤压力传感器及其受力计算方法 | |
| RU2628734C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик давления |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201108 |