RU2774648C1 - Способ натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения - Google Patents
Способ натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774648C1 RU2774648C1 RU2021126390A RU2021126390A RU2774648C1 RU 2774648 C1 RU2774648 C1 RU 2774648C1 RU 2021126390 A RU2021126390 A RU 2021126390A RU 2021126390 A RU2021126390 A RU 2021126390A RU 2774648 C1 RU2774648 C1 RU 2774648C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- expansion
- fixed
- fiber
- value
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 230000003595 spectral Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 4
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованию и созданию чувствительных элементов спектральных датчиков и преобразователей физических величин. На упругом элементе в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, закрепляют дополнительный конструктивный элемент - термочувствительный элемент, выполненный из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения. Сборку нагревают до заданной температуры. Волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на упругом элементе, а с другого конца - на дополнительном конструктивном элементе - термочувствительном элементе. Сборку остужают. Посредством температурного удлинения термочувствительного элемента при его остывании осуществляют натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения. Технический результат - расширение арсенала способов натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения. 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованию и созданию чувствительных элементов спектральных датчиков и преобразователей физических величин.
Из описания устройства спектрального преобразователя деформации (см. патент РФ № 149551, МПК G01D 5/353, 10.01.2015) известен способ создания брэгговского чувствительного элемента на упругой пластине в виде балки.
Известно, что деформации решетки Брэгга, сопровождающиеся изменением ее внутренней структуры, изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через нее. Погрешность, вносимая посредством температурного расширения материалов чувствительного элемента в описанном устройстве, устранена за счет использования дополнительного чувствительного элемента, сформированного в фоточувствительном слое внутри упругой пластины. Однако в случае использования в качестве упругой пластины четырехслойного кремний-кварцевого компонента с фоточувствительной средой создание указанного брэгговского преобразователя балочного типа требует сложной технологии.
Для большинства известных преобразователей механических величин (силы, расхода потока жидких сред, давления, перемещения, деформаций) балочные упругие элементы являются широко распространенным техническим решением. На упругих балках закрепляют волоконные брэгговские решетки и контролируют их деформации, вызванные воздействием измеряемого физического фактора. Для использования конкретных волоконных решеток Брэгга (в зависимости от их назначения и назначения устройств в целом) необходимо осуществлять предварительные исследования их механических и спектральных свойств. Для этого волоконную решетку Брэгга закрепляют на балочном упругом элементе с определенной заданной величиной начального натяжения, выражающейся в значении относительного удлинения волокна. Такое натяжение волокна приводит к смещению брэгговского пика волоконной решетки в область спектра с линейной характеристикой чувствительности. Процесс преднатяжения волокна весьма трудоемкий и в большинстве случаев не позволяет добиться повторяемости.
Из описания устройства волоконно-оптического преобразователя деформации (см. патент РФ № 135119, МПК G01D 5/353, 27.11.2013) известен способ создания брэгговского чувствительного элемента на упругой пластине из монокристалла, выполненной в виде балки. Данное техническое решение может быть использовано для исследований свойств волоконных решеток Брэгга, однако не содержит конструктивных решений для осуществления преднатяжения волокна.
Известен способ компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа, при реализации которого используются дополнительные термочувствительные элементы, на которых закрепляют оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга. Патент Российской Федерации на изобретение № 2717170, МПК G01D 5/353, G12B 7/00, G01D 3/028, 18.03.2020. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Компенсация температурных деформаций в описанном способе осуществлена за счет использования двух дополнительных конструктивных элементов - термочувствительных элементов, выполненных из материала, значение температурного коэффициента расширения которого больше значения температурного коэффициента расширения материала упругого элемента для фиксации оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга на этих конструктивных элементах. В данном способе используется принцип изменения длины волокна за счет изменения физических свойств материала конструктивных элементов. Способ является простым в реализации для обеспечения температурной компенсации удлинения чувствительного элемента, однако не позволяет решить задачу преднатяжения волокна, что ограничивает область его использования (см. патент РФ № 2589447, МПК G01B 11/16, G01D 5/353, 10.07.2016).
Задачей изобретения является разработка способа натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения, основанного на применении специального конструктивного элемента на упругой пластине, что представляет практический интерес при исследовании свойств волоконных решеток Брэгга и при этом не требует сложной производственной технологии.
Техническим результатом является расширение арсенала способов натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.
Технический результат достигается тем, что в способе натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения на упругом элементе в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, закрепляют дополнительный конструктивный элемент - термочувствительный элемент, выполненный из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, сборку нагревают до заданной температуры, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на упругом элементе в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, а с другого конца - на дополнительном конструктивном элементе - термочувствительном элементе, выполненном из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, сборку остужают, посредством температурного удлинения термочувствительного элемента при его остывании осуществляют натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлен упругий элемент 1 в виде балки, выполненный из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, с закрепленным на нем дополнительным конструктивным элементом - термочувствительным элементом 3, на котором посредством закрепляющего материала 4 закреплено оптическое волокно 2 с волоконной решеткой Брэгга (G) таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на упругом элементе 1, а с другого конца - на дополнительном конструктивном элементе - термочувствительном элементе 3. Термочувствительный элемент 3 выполнен из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения (ТКР), что позволяет использовать соотношения температурных удлинений материалов для реализации натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.
Длина деформируемой при натяжении области оптического волокна обозначена L. Данная область ограничена точками закрепления волокна на дополнительном конструктивном элементе 3 и упругом элементе 1.
Способ реализуется следующим образом.
На упругом элементе 1 в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, закрепляют дополнительный конструктивный элемент - термочувствительный элемент 3, выполненный из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, сборку нагревают до заданной температуры, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала 4 закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на упругом элементе 1, а с другого конца - на дополнительном конструктивном элементе - термочувствительном элементе 3. Сборку остужают. Посредством температурного удлинения термочувствительного элемента 3 при его остывании осуществляют натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.
В качестве закрепляющего материала 4 может быть использован, например, клей марки К300.
В качестве материалов с положительным и отрицательным ТКР могут быть применены, например, полимерные и композиционные материалы и сплавы.
Термочувствительный элемент 3 может иметь строго определенную длину, которая необходима в каждом конкретном случае (в т.ч. с учетом температурного нагрева сборки) для обеспечения требуемого значения относительного удлинения волоконной решетки Брэгга. Эту длину, а также места закрепления оптического волокна подбирают опытным путем, исходя из поставленных конструкторских задач.
Благодаря закреплению на упругом элементе дополнительного конструктивного элемента - термочувствительного элемента, выполненного из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, для последующего его нагрева, фиксации на нем оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга, реализовано натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения. Таким образом, физические свойства и конструктивные параметры дополнительного конструктивного элемента - термочувствительного элемента определяют величину относительного удлинения волоконной решетки Брэгга. Такое решение позволяет автоматизировать процесс создания сборок и добиться повторяемости параметров натяжения волокна в серийном производстве.
Упругий элемент 1 и дополнительный конструктивный элемент 3 могут быть выполнены в виде пластин прямоугольной формы, а также содержать конструктивные вырезы и элементы концентрации деформаций, определяющие необходимую форму распределения деформаций на их поверхностях для реализации предлагаемого технического решения в широкой сфере исследований брэгговских волоконных решеток.
Claims (1)
- Способ натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения, в соответствии с которым на упругом элементе в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, закрепляют оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга, отличающийся тем, что на упругом элементе закрепляют дополнительный конструктивный элемент – термочувствительный элемент, выполненный из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, сборку нагревают до заданной температуры, волоконную решетку Брэгга с помощью закрепляющего материала закрепляют таким образом, чтобы с одного своего конца она была зафиксирована на упругом элементе в виде балки, выполненном из материала с положительным значением температурного коэффициента расширения, а с другого конца – на дополнительном конструктивном элементе – термочувствительном элементе, выполненном из материала с отрицательным значением температурного коэффициента расширения, сборку остужают, посредством температурного удлинения термочувствительного элемента при его остывании осуществляют натяжение волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2774648C1 true RU2774648C1 (ru) | 2022-06-21 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8760663B2 (en) * | 2005-09-29 | 2014-06-24 | The General Hospital Corporation | Method and apparatus for optical imaging via spectral encoding |
US9651418B2 (en) * | 2011-12-20 | 2017-05-16 | Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) | Fiber sensing system based on a bragg grating and optical time domain reflectometry |
RU192361U1 (ru) * | 2019-04-25 | 2019-09-13 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Волоконно-оптический преобразователь деформации |
RU2717170C1 (ru) * | 2019-06-26 | 2020-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Способ компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8760663B2 (en) * | 2005-09-29 | 2014-06-24 | The General Hospital Corporation | Method and apparatus for optical imaging via spectral encoding |
US9651418B2 (en) * | 2011-12-20 | 2017-05-16 | Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) | Fiber sensing system based on a bragg grating and optical time domain reflectometry |
RU192361U1 (ru) * | 2019-04-25 | 2019-09-13 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Волоконно-оптический преобразователь деформации |
RU2717170C1 (ru) * | 2019-06-26 | 2020-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Способ компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kell et al. | The PVT properties of water | |
US20040114849A1 (en) | Multiple mode pre-loadable fiber optic pressure and temperature sensor | |
Tian et al. | Temperature-independent fiber Bragg grating strain sensor using bimetal cantilever | |
US10627284B2 (en) | Optical-fibre sensor device | |
US7079232B2 (en) | Focus detecting unit, and refractive index measuring apparatus and non-contact thermometer using the same | |
RU192361U1 (ru) | Волоконно-оптический преобразователь деформации | |
RU2774648C1 (ru) | Способ натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения | |
CN108195482A (zh) | 基于fbg和mzi级联的温度和酒精溶液浓度双参数光纤传感器 | |
CN1828261A (zh) | 聚合物热机械性能测试装置 | |
Di Palma et al. | Curvature sensor based on FBGs embedded in 3D printed patches | |
CN113503827A (zh) | 一种超低温下光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法 | |
RU2756461C1 (ru) | Способ натяжения волоконной решетки Брэгга до заданной величины относительного удлинения | |
US7978342B2 (en) | Method and apparatus for measuring expansion of materials | |
RU167005U1 (ru) | Спектральный преобразователь деформации | |
RU2717170C1 (ru) | Способ компенсации температурных деформаций в брэгговских преобразователях балочного типа | |
Latka et al. | Fiber optic sensors for the monitoring of cryogenic spacecraft tank structures | |
RU2655471C1 (ru) | Способ повышения спектральной чувствительности брэгговского преобразователя деформации балочного типа | |
US8590385B2 (en) | High pressure fiber optic sensor system | |
Zhang et al. | Large strain detection of SRM composite shell based on fiber Bragg grating sensor | |
Ahmed et al. | Towards photonics enabled quantum metrology of temperature, pressure and vacuum | |
Padhy et al. | Fiber Bragg grating temperature sensor with enhanced sensitivity | |
Her et al. | Thermal Strain Measured by Fiber Bragg Grating Sensors | |
Kulikova et al. | Method of packaging a fiber Bragg grating for passive temperature compensation | |
Chowdhury et al. | Fiber Optic Temperature Sensor Using Dual Air-filled Fabry-Pérot Cavities with Variable Pressure | |
He et al. | Study on a new kind of surface sticking strain sensor with sensitivity enhanced based on FBG |