Волоконно-оптический векторный датчик изгиба

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Гончаренко Игорь Андреевич Залесский Валерий Борисович Иваницкий Александр Григорьевич Конойко Алексей Иванович Рябцев Виталий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Волоконно-оптический векторный датчик изгиба, включающий оптически связанные широкополосный источник излучения, управляемый спектральный фильтр, первый, второй и третий входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим выходами широкополосного источника излучения, каждый вход управляемого спектрального фильтра является входом соответствующего -образного разветвителя, первый выход которого оптически связан с соответствующей волоконно-оптической брэгговской решеткой, максимальный коэффициент отражения которой соответствует краю спектрального диапазона широкополосного источника излучения, причем волоконно-оптические брэгговские решетки электрически связаны с блоком управляющего напряжения, электрически связанным с измеряющим устройством, а второй выход является соответствующим выходом управляемого спектрального фильтра, первое, второе и третье входные оптические волокна, соответствующие выходным каналам широкополосного источника излучения, первое, второе и третье выходные оптические волокна, оптически связанные с соответствующими фотоприемниками блока фотоприемников, электрически связанного с измеряющим устройством,четвертый, пятый, шестой -образные разветвители, входы которых оптически связаны 87152012.10.30 соответственно с первым, вторым и третьим выходами управляемого спектрального фильтра, а первые выходы оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами, причем вторые выходы четвертого и пятого -образных разветвителей оптически связаны через седьмой -образный разветвитель с первым входом восьмого -образного разветвителя, а второй выход шестого -образного разветвителя оптически связан со вторым входом восьмого -образного разветвителя, выход которого оптически связан с фотоприемником излучения обратного хода, электрически связанного с измеряющим устройством, отличающийся тем, что содержит микроструктурированное волокно ленточной формы, толщина поперечного профиля которого минимум в 2 раза меньше его ширины, а две из трех сердцевин расположены по линии,параллельной его основанию, входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами, а выходы - с первым, вторым и третьим выходными оптическими волокнами. 2. Волоконно-оптический векторный датчик изгиба, включающий оптически связанные широкополосный источник излучения, управляемый спектральный фильтр, первый,второй и третий входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим выходами широкополосного источника излучения, каждый вход управляемого спектрального фильтра является входом соответствующего -образного разветвителя, первый выход которого оптически связан с соответствующей волоконно-оптической брэгговской решеткой,максимальный коэффициент отражения которой соответствует краю спектрального диапазона широкополосного источника излучения, причем волоконно-оптические брэгговские решетки электрически связаны с блоком управляющего напряжения, электрически связанным с измеряющим устройством, а второй выход является соответствующим выходом управляемого спектрального фильтра, первое, второе и третье входные оптические волокна, соответствующие выходным каналам широкополосного источника излучения,первое, второе и третье выходные оптические волокна, оптически связанные с соответствующими фотоприемниками блока фотоприемников, электрически связанного с измеряющим устройством, четвертый, пятый, шестой -образные разветвители, входы которых оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим выходами управляемого спектрального фильтра, а первые выходы оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами, причем вторые выходы четвертого и пятого -образных разветвителей оптически связаны через седьмой образный разветвитель с первым входом восьмого -образного разветвителя, а второй выход шестого -образного разветвителя оптически связан со вторым входом восьмого образного разветвителя, выход которого оптически связан с фотоприемником излучения обратного хода, электрически связанного с измеряющим устройством, отличающийся тем, что содержит микроструктурированное волокно ленточной формы, толщина поперечного профиля которого минимум в 2 раза меньше его ширины, а две из трех сердцевин расположены по линии, параллельной его основанию, размещенное параллельно с непрозрачной контрольной нитью внутри двух слоев прозрачного полимерного материала, свариваемых между собой методом экструзионной или контактной сварки, входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами, а выходы - с первым, вторым и третьим выходными оптическими волокнами.(56) 1. Патент США 6888623. 2. Патент РБ 7714, 2011. 3. Булушев А.Г. и др. Волоконная оптика. Труды ИОФАН. Т. 23. - М. Наука, 1990. - С. 159. 4. Гончаренко И.А. Излучение и потери на изгибе в микроструктурированных волокнах с несколькими сердцевинами // Вестник Фонда фундаментальных исследований. 2006. -3. - С. 91-98. 2 87152012.10.30 Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в научном, технологическом и медицинском приборостроении, а также при изготовлении несущих строительных конструкций на предприятиях строительной индустрии, на объектах строительства в качестве точного измерителя величины, направления и места изгиба различных деталей и конструкций. Известен волоконно-оптический датчик изгиба 1, включающий оптическое волокно круглой формы, имеющее рабочую секцию, указанное волокно включает множество одномодовых сердцевин, указанные сердцевины расположены близко друг к другу, чтобы иметь перекрестную связь между собой, указанная перекрестная связь изменяется при изгибах указанной среды, широкополосный источник для последовательного облучения указанных сердцевин, устройство для измерения спектральных интенсивностей, включая величину световых сигналов на различных частотах всех сердцевин в момент, когда сердцевина освещена, и устройство, чувствительное к указанным спектральным интенсивностям для определения положения указанных изогнутых секций. Устройство не позволяет определять истинное направление изгиба протяженных объектов на больших расстояниях от блока фотоприемников, поскольку ориентация сердцевин волокна круглой формы в пространстве относительно поверхности измеряемого объекта может изменяться из-за перекручивания волокна, кроме того, это устройство не позволяет определять место изгиба. Наиболее близким по технической сущности является волоконно-оптический векторный датчик изгиба 2, включающий оптически связанные широкополосный источник излучения, управляемый спектральный фильтр, первый, второй и третий входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим выходами широкополосного источника излучения, каждый вход управляемого спектрального фильтра является входом соответствующего -образного разветвителя, первый выход которого оптически связан с соответствующей волоконно-оптической брэгговской решеткой, максимальный коэффициент отражения которой соответствует краю спектрального диапазона широкополосного источника излучения, причем волоконно-оптические брэгговские решетки электрически связаны с блоком управляющего напряжения, электрически связанным с измеряющим устройством, а второй выход является соответствующим выходом управляемого спектрального фильтра, первое, второе и третье входные оптические волокна, соответствующие выходным каналам широкополосного источника излучения, оптически связанные через микроструктурированное волокно, соответственно первое, второе и третье выходные оптические волокна с соответствующими фотоприемниками блока фотоприемников,электрически связанного с измеряющим устройством, четвертый, пятый, шестой -образные разветвители, входы которых оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим выходами управляемого спектрального фильтра, а первые выходы оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами,причем вторые выходы четвертого и пятого -образных разветвителей оптически связаны через седьмой -образный разветвитель с первым входом восьмого -образного разветвителя, а второй выход шестого -образного разветвителя оптически связан со вторым входом восьмого -образного разветвителя, выход которого оптически связан с фотоприемником излучения обратного хода, электрически связанного с измеряющим устройством. Устройство не позволяет определять истинное направление изгиба протяженных объектов на больших расстояниях от блока фотоприемников, поскольку ориентация сердцевин микроструктурированного волокна в пространстве относительно поверхности измеряемого объекта может изменяться из-за перекручивания волокна. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей волоконно-оптического векторного датчика изгиба и повышение достоверности измерений направления изгиба за счет придания микроструктурированному волокну ленточной формы и ориентирования его расположения в пространстве посредством раз 3 87152012.10.30 мещения в полимерном материале, что исключает возможность неправильного монтажа датчика на контролируемом объекте и позволяет осуществлять корректные измерения величины и направления изгиба протяженных объектов на больших расстояниях от блока фотоприемников. Поставленная техническая задача решается тем, что 1. Волоконно-оптический векторный датчик изгиба, включающий оптически связанные широкополосный источник излучения, управляемый спектральный фильтр, первый,второй и третий входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим выходами широкополосного источника излучения, каждый вход управляемого спектрального фильтра является входом соответствующего -образного разветвителя, первый выход которого оптически связан с соответствующей волоконно-оптической брэгговской решеткой, максимальный коэффициент отражения которой соответствует краю спектрального диапазона широкополосного источника излучения, причем волоконно-оптические брэгговские решетки электрически связаны с блоком управляющего напряжения, электрически связанным с измеряющим устройством, а второй выход является соответствующим выходом управляемого спектрального фильтра, первое, второе и третье входные оптические волокна, соответствующие выходным каналам широкополосного источника излучения, первое, второе и третье выходные оптические волокна, оптически связанные с соответствующими фотоприемниками блока фотоприемников, электрически связанного с измеряющим устройством, четвертый, пятый, шестой -образные разветвители, входы которых оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим выходами управляемого спектрального фильтра, а первые выходы оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами, причем вторые выходы четвертого и пятого -образных разветвителей оптически связаны через седьмой образный разветвитель с первым входом восьмого -образного разветвителя, а второй выход шестого -образного разветвителя оптически связан со вторым входом восьмого образного разветвителя, выход которого оптически связан с фотоприемником излучения обратного хода, электрически связанного с измеряющим устройством, содержит микроструктурированное волокно ленточной формы, толщина поперечного профиля которого минимум в 2 раза меньше его ширины, а две из трех сердцевин расположены по линии,параллельной его основанию, входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами, а выходы - с первым, вторым и третьим выходными оптическими волокнами. 2. Волоконно-оптический векторный датчик изгиба, включающий оптически связанные широкополосный источник излучения, управляемый спектральный фильтр, первый,второй и третий входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим выходами широкополосного источника излучения, каждый вход управляемого спектрального фильтра является входом соответствующего -образного разветвителя, первый выход которого оптически связан с соответствующей волоконно-оптической брэгговской решеткой, максимальный коэффициент отражения которой соответствует краю спектрального диапазона широкополосного источника излучения, причем волоконно-оптические брэгговские решетки электрически связаны с блоком управляющего напряжения, электрически связанным с измеряющим устройством, а второй выход является соответствующим выходом управляемого спектрального фильтра, первое, второе и третье входные оптические волокна, соответствующие выходным каналам широкополосного источника излучения, первое, второе и третье выходные оптические волокна, оптически связанные с соответствующими фотоприемниками блока фотоприемников, электрически связанного с измеряющим устройством, четвертый, пятый, шестой -образные разветвители, входы которых оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим выходами управляемого спектрального фильтра, а первые выходы оптически связаны соответственно с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами, причем вторые выходы 4 87152012.10.30 четвертого и пятого -образных разветвителей оптически связаны через седьмой -образный разветвитель с первым входом восьмого -образного разветвителя, а второй выход шестого -образного разветвителя оптически связан со вторым входом восьмого -образного разветвителя, выход которого оптически связан с фотоприемником излучения обратного хода, электрически связанного с измеряющим устройством, содержит микроструктурированное волокно ленточной формы, толщина поперечного профиля которого минимум в 2 раза меньше его ширины, а две из трех сердцевин расположены по линии,параллельной его основанию, размещенное параллельно с непрозрачной контрольной нитью внутри двух слоев прозрачного полимерного материала, свариваемых между собой методом экструзионной или контактной сварки, входы которого оптически связаны с первым, вторым и третьим входными оптическими волокнами, а выходы - с первым, вторым и третьим выходными оптическими волокнами. Совокупность указанных признаков позволяет расширить функциональные возможности волоконно-оптического векторного датчика изгиба за счет придания микроструктурированному волокну ленточной формы с толщиной поперечного профиля, меньшей его ширины, что позволяет осуществить фиксацию ориентации его сердцевин относительно поверхности объекта, испытывающего изгиб с помощью ленточного прозрачного полимерного материала, и тем самым получить возможность осуществлять достоверное измерение изгибов протяженных объектов на больших расстояниях от блока фотоприемников. Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1, представляющей общую схему устройства, фиг. 2, представляющей поперечный профиль микроструктурированного волокна ленточной формы, и фиг. 3, представляющей размещение микроструктурированного волокна и контрольной нити между свариваемыми слоями прозрачного полимерного материала. Устройство содержит широкополосный источник излучения 1, первый, второй, третий выходы которого оптически связаны с соответствующими входами управляемого спектрального фильтра 2, которые являются входами соответственно первого 3, второго 4 и третьего 5 -образных разветвителей, первые выходы которых оптически связаны соответственно с первой 6, второй 7 и третьей 8 волоконно-оптическими брэгговскими решетками, электрически связанными с блоком управляющего напряжения 9, а вторые выходы являются соответственно первым, вторым и третьим выходами управляемого спектрального фильтра 2, которые оптически связаны соответственно через четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 -образные разветвители и первое 13, второе 14, третье 15 входные оптические волокна соответственно с входами первой 29, второй 30 и третьей 31 сердцевин микроструктурированного волокна ленточной формы 16, выходы которых оптически связаны через соответственно первое 20, второе 21 и третье 22 выходные оптические волокна соответственно с первым 24, вторым 25 и третьим 26 фотоприемниками блока фотоприемников 23, выходы которых электрически связаны с измеряющим устройством 27, выход которого электрически связан с блоком управляющего напряжения 9, а четвертый вход измеряющего устройства 27 электрически связан с фотоприемником излучения обратного хода 19, оптически связанным через восьмой -образный разветвитель 18 с шестым 12 и седьмым 17 -образными разветвителями, входы седьмого -образного разветвителя 17 оптически связаны соответственно с четвертым 10 и пятым 11 -образными разветвителями. Широкополосный источник излучения 1 выполнен в виде матрицы из трех светодиодов. Первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 10, пятый 11, шестой 12, седьмой 17 и восьмой 18 -образные разветвители выполнены в виде двух отрезков оптического волокна,имеющих оптический контакт как в 3. Первая 6, вторая 7 и третья 8 волоконно-оптические брэгговские решетки выполнены в виде отрезков электрооптического волокна с брэгговской решеткой в сердцевине и наружными управляющими электродами. 5 87152012.10.30 Блок управляющего напряжения 9 выполнен из тактового генератора МСК 155 АГ 3,счетчика МСК 155 ИЕ 5 и преобразователя код-напряжение МСКР 572 ПА 2, собранных по стандартной схеме цифрового генератора пилообразного напряжения на микросхемах. Первое 13, второе 14 и третье 15 входные оптические волокна выполнены в виде стандартных одномодовых волокон с оболочкой из плавленого кварца и сердцевиной из плавленого кварца, легированного германием, причем радиус сердцевины волокон равен 3,2 мкм, а концентрация легирующих примесей такова, что обеспечивает одномодовый режим работы волокон с выбранным радиусом сердцевины для излучения спектрального диапазона соответствующего условиям возбуждения мод в сердцевинах микроструктурированного волокна ленточной формы 16. Микроструктурированное волокно ленточной формы 16 выполнено в виде оптической структуры с тремя сердцевинами из диэлектрического материала (в частности, плавленого кварца 2), прозрачного для выбранной длины волны излучения, с периодическим набором воздушных отверстий 28 по длине волокна. Дефекты в структуре (отсутствие одного или нескольких отверстий) образуют первую 29, вторую 30 и третью 31 сердцевины микроструктурированного волокна, в которых локализуется оптическое излучение, оставшаяся часть периодической структуры образует оболочку. Расстояние между сердцевинами выбрано одинаковым и равным 48 периодов структуры . Соотношение между диаметром отверстийи расстоянием между отверстиямивыбрано из условия существования одномодового режима в широком спектральном диапазоне для плавленого кварца/0,15. Расстояние между отверстиями (период структуры)3,2 мкм. Толщина поперечного профиля микроструктурированного волокна ленточной формы минимум в 2 раза меньше его ширины, а две из трех сердцевин расположены по линии, параллельной его основанию. Поперечный профиль представлен на фиг. 2. При изготовлении микроструктурированного волокна ленточной формы 16 производится параллельное размещение его и непрозрачной контрольной нити 32 внутри оболочки 33, состоящей из двух слоев прозрачного полимерного материала. Первое 20, второе 21 и третье 22 выходные оптические волокна выполнены в виде стандартных одномодовых волокон с оболочкой из плавленого кварца и сердцевиной из плавленого кварца, легированного германием, причем радиус сердцевины волокон равен 3,2 мкм, а концентрация легирующих примесей такова, что обеспечивает одномодовый режим работы волокон с выбранным радиусом сердцевины для излучения спектрального диапазона, соответствующего условиям возбуждения мод в сердцевинах микроструктурированного волокна ленточной формы 16. Фотоприемник излучения обратного хода 19, первый 24, второй 25 и третий 26 фотоприемники выполнены на базе фотодиодов ФД 21 КП. Измеряющее устройство 27 выполнено на основе частотомера 43-54, работающего в режиме измерения длительностей импульсных сигналов, усилителя 1416 УД 1, триггеров КР 1531 ТМ 2, коммутатора КР 1010 КТ 1, схемы запуска частотомера, сброса триггеров и управления коммутатором, собранной на ИС К 155 АГ. Волоконно-оптический векторный датчик изгиба работает следующим образом. В исходном состоянии свет от широкополосного импульсного источника излучения 1 одновременно поступает на соответствующие входы управляемого спектрального фильтра 2, которые являются одновременно входами соответственно первого 3, второго 4 и третьего 5 -образных разветвителей. С первых выходов первого 3, второго 4 и третьего 5-образных разветвителей свет поступает соответственно на первую 6, вторую 7 и третью 8 волоконно-оптические брэгговские решетки. Вследствие того что их максимальный коэффициент отражения соответствует краю спектрального диапазона широкополосного источника излучения 1, свет проходит первую 6, вторую 7 и третью 8 волоконно-оптические брэгговские решетки, не отражаясь, и излучение на четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 87152012.10.30 В режиме измерения, по команде измеряющего устройства 27 с блока управляющего напряжения 9 на электроды первой 6, второй 7 и третьей 8 волоконно-оптических брэгговских решеток подается управляющее напряжение. Под его воздействием происходит изменение показателя преломления в электрооптическом материале, что приводит к изменению длины световой волны , при которой отражение от первой 6, второй 7 и третьей 8 волоконно-оптических брэгговских решеток максимально. Свет от широкополосного источника излучения 1 одновременно поступает на соответствующие входы управляемого спектрального фильтра 2, которые являются одновременно входами соответственно первого 3, второго 4 и третьего 5 -образных разветвителей. С первых выходов первого 3,второго 4 и третьего 5 -образных разветвителей свет поступает соответственно на первую 6, вторую 7 и третью 8 волоконно-оптические брэгговские решетки, которые одновременно отражают излучение с одной и той же длиной волны в обратном направлении. Отраженное излучение, пройдя одновременно соответственно первый 3, второй 4 и третий 5 -образные разветвители, поступает соответственно через четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 -образные разветвители, первое 13, второе 14 и третье 15 входные оптические волокна на соответствующие входы первой 29, второй 30, третьей 31 сердцевин микроструктурированного волокна ленточной формы 16. Изгиб микроструктурированного волокна ленточной формы 16 приводит к перераспределению оптической мощности световых мод между сердцевинами 4. Разность между амплитудами мод в различных сердцевинах возрастает с уменьшением радиуса изгиба, а относительная доля оптической энергии в каждой из трех сердцевин зависит от направления изгиба. Таким образом, сравнивая измеренную мощность в сердцевинах микроструктурированного волокна ленточной формы, можно определить величину радиуса изгиба волокна. Направление изгиба определяется по соотношению амплитуд излучения отдельных диапазонов длин волн в сердцевинах микроструктурированного волокна. Ленточная форма микроструктурированного волокна и размещение его в прозрачном полимерном материале - оболочке 33 совместно с контрольной нитью 32, позволяет располагать его на протяженных поверхностях на больших расстояниях без перекручивания. Контрольная нить 32 непрозрачна и расположена с одной стороны прозрачного полимерного материала 33, что позволяет контролировать укладку волокна одной и той же стороной на поверхности измеряемого объекта. Таким образом, расположение первой 29, второй 30, третьей 31 сердцевин микроструктурированного волокна ленточной формы 16 однозначно связано с поверхностью измеряемого объекта, и распределение оптической мощности по сердцевинам однозначно определяет место, направление и величину изгиба. С выходов первой 29,второй 30, третьей 31 сердцевин микроструктурированного волокна ленточной формы 16 свет одновременно поступает через первое 20, второе 21 и третье 22 выходные оптические волокна на соответствующие входы блока фотоприемников 23, которые являются одновременно входами соответственно первого 24, второго 25 и третьего 26 фотоприемников,где и регистрируется. Электрические сигналы, пропорциональные амплитудам световых мод, с выходов первого 24, второго 25 и третьего 26 фотоприемников блока фотоприемников 23 поступают одновременно в измеряющее устройство 27 для определения необходимых параметров. Таким образом, подавая переменное управляющее напряжение на электроды волоконно-оптических брэгговских решеток, можно последовательно сканировать спектр сигнала,приходящего на фотоприемники. Сравнивая выходящие из чувствительного элемента сигналы на разных длинах волн, можно определять направление и величину изгиба с большей точностью. При распространении оптического излучения по микроструктурированному волокну ленточной формы 16 по всей длине волокна возникает обратное излучение. В месте изгиба волокна происходит резкое увеличение обратного излучения, и по времени этого излучения вычисляется положение изгиба. Световые импульсы обратного хода поступают из 7 87152012.10.30 микроструктурированного волокна ленточной формы 16 через первое 13, второе 14 и третье 15 входные оптические волокна соответственно к четвертому 10, пятому 11 и шестому 12 -образным разветвителям. Эти световые импульсы собираются при помощи седьмого 17 и восьмого 18 -образных разветвителей и направляются на фотоприемник излучения обратного хода 19, где и регистрируется временная зависимость уровня интенсивности светового потока обратного хода, которая поступает в измеряющее устройство 27 для определения необходимых параметров. Полученная временная зависимость уровня интенсивности светового потока обратного хода позволяет рассчитывать место изгиба. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8