Диссертация (1091115), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Следует отметить, что, вбольшинстве случаев, начальную амплитуду модуляции наведенного ППВБР создают с необходимой степенью избыточности, с тем чтобы припоследующем отжиге решетка имела требуемый для использования всистеме измерения коэффициент отражения (R= 70 - 90%). Так для работыпри температурах 500°С для ВБР требуется 2-3 кратное превышениеначального наведенного ПП.Приразработкеволоконно-оптическогодатчикатемпературыиспользовался германосиликатный волоконный световод по свойстваманалогичный световоду SMF-28, покрытый полиимидным покрытием.Начальный коэффициент отражения R составлял 99.3% (Рисунок 3.12).Отжиг ВБР проводился при температуре ~700°С в течение несколькихминут, что привело к уменьшению коэффициента отражения ВБР до R =76%.
Отметим, что ВБР после отжига сохранила высокую однородность(Рисунок 3.12).86Рисунок 3.12. Спектры ВБР до (1) и после (2) отжигаСледует отметить, что в результате отжига, помимо уменьшениякоэффициента отражения ВБР, происходит заметное спектральное смещениеее резонансной длины волны в коротковолновую сторону. Это связано с тем,что отжиг ВБР изменяет среднее значение наведенного ПП.3.2.3. Принцип действия и конструктивные особенности ВОДДВолоконно–оптическийдатчикдеформации(Рисунок3.13)представляет собой механическую систему, которая включает в себячувствительный элемент (1) с внедренным в него волоконным световодом(5), содержащим несколько ВБР (2) и механическое устройство (3),обеспечивающее передачу деформации объекта на механическое устройствопосредством крепления базы ВОД деформации (8) к объекту с дальнейшимпреобразованием ее в регистрируемую деформацию чувствительногоэлемента.
Чувствительный элемент закреплен в механическом устройствеэлементами крепления (4), которое закреплено в корпусе (7) ВОДдеформации. ВОД деформации может быть соединен с УРМ посредствомоптического соединения разъемами типа FC/APC, через соответствующиеразъемы (6) на корпусе ВОД.87Рисунок 3.13. Схема ВОД деформацииПринцип работы основан на спектральном смещениидлиныволныотраженногооптическогосигналаподрезонанснойвоздействиемдеформации чувствительного элемента датчика.
Механическое устройствопредставляет собой металлоконструкцию, выполненную из нержавеющейстали. Короб датчика выполнен из алюминиевого сплава.Чувствительный элемент датчика представляет собой пластину изуглепластика толщиной 2,5 мм, а именно, балку равных деформаций, смонтированным в него волоконным световодом с двумя ВБР).Композиционный материал (например, углепластик) обладает высокойупругостью в широком диапазоне деформаций, что практически полностьюустраняет гистерезис, связанный с неупругой составляющей деформации.Образец балки равных деформаций предполагает изготовление путемформования сборки из 13 слоев углепластика.
Направленность углеродныхволокон в каждом из слоев и расположение ВС с ВБР в ней представлены нарисунке 3.14.88Рисунок 3.14. Структура балки равных деформаций с ВБРБалка представляет собой удобный элемент для проведения измерениймеханических воздействий, перемещений, ускорений, вибраций и т.д. Формабалки обеспечивает одинаковость величины деформации по всей длине ВБРи снижает требования к точности пространственного расположения ВБР подлине балки.
Композиционный материал надежно фиксирует ВБР, что делаетсформированный таким образом чувствительный элемент удобным дляпрактического использования.Балка (2) фиксируется зажимом (4). Усилия показаны на рисунке 3.15стрелочками. Для учета температурных воздействий (или измерениятемпературы совместно с измерением деформации) наиболее удобноразместить две ВБР (1) вблизи противоположных поверхностей балки(Рисунок 3.15).Рисунок 3.15. Структура балки равных деформаций с ВБР89В таком случае изгиб балки приводит к разнонаправленному смещениюрезонансной длины волны ВБР, в то время как изменение температурыприводит к однонаправленному сдвигу.В силу анизотропии свойств композиционного материала (главнымобразом, анизотропии коэффициента теплового расширения) процедураформованияможетприводитьквозникновениюзначительногодвулучепреломления в волоконном световоде, связанному с различнойвеличиной упругих напряжений по двум осям, направленным поперек осиВС.
Величина двулучепреломления определяется свойствами углепластика,конфигурациейегоукладкиотносительносветоводаипроцедуройформования.Какправило,величинадвулучепреломленияуменьшаетсясувеличением температуры, стремясь к нулю при температуре формованияматериала. Наличие двулучепреломления ВС в области ВБР проявляется врасщеплении пика отражения на две компоненты отстроенные друг от другана величину, пропорциональную величине двулучепреломления [2]. Еслиспектральная ширина пиков ВБР больше или сопоставима с величинойспектрального расщепления, вызванного наведенным двулучепреломлением,то в спектре ВБР, измеренном в деполяризованном свете, наблюдаетсяискажение пика отражения / пропускания с обеих сторон от основногорезонанса (Рисунок 3.16).Рисунок 3.16.
Спектр отражения / пропускания ВБР балки90Такое искажение спектра может влиять на точность измерениядатчиков на основе ВБР, причем наибольшее влияние проявляется в системахизмерения, в которых тестирующее излучение является полностью иличастично поляризованным.Вразработанномоборудованиииспользуетсядеполяризованноеизлучение эрбиевого источника, поэтому влияние двулучепреломленияотносительно невелико и им можно пренебречь.Исследование работоспособности балки равных деформаций в качествесенсорного элемента ВОД деформации проводилась с помощью линейноготранслятора 8МТ173-20-50, посредством перемещения конца балки внаправлении перпендикулярном к ее плоскости (Рисунок 3.17).Рисунок 3.17.
Зависимости изменения длин волн ВБР от перемещенияконца балкиКак видно приведенные зависимости хорошо аппроксимируютсяпрямыми линиями, причем углы наклоны этих линий совпадают с точностьюменее 2%. Это свидетельствует о том, что ВБР расположены на равныхрасстояниях от плоскости нулевых деформаций балки.913.2.4. Конструктивные особенности волоконно-оптическихсоединенийПорядок проведения операций по производству оптических патчкордов ипигтейловДляреализациисоединенияволоконно-оптическихдатчиковкунифицированному регистрирующему модулю используются разъемы типаFC/APC.
Как известно разъемы такого типа позволяют существенно снизитьоптические потери мощности, а так же обеспечить минимальное отражение вместах соединений.Для реализации разъема на ВОД, в частности типа FC/APC, возможноприменение нескольких методик:• Сварка готового пиг-тейла с разъемом FC/APC с волоконным световодомВОД;• Пигтелирование волоконного световода ВОД разъемом FC/APC [19, 21];Анализ регистрируемой оптической мощности, отраженной от ВР ВОДпоказал, что пигтелирование волоконного световода ВОД разъемом FC/APCпозволяет повысить уровень мощности отраженного сигнала от ВБР ВОД(Рисунок 3.18)Рисунок 3.18.
Сравнительная характеристика мощности излучения92Нарисунке3.18.представленасравнительнаяхарактеристикаоптических мощностей, отраженных от ВБР ВОД, нормированных наопорный спектр источника оптического излучения (1), с использованиемпигтелирования (3) и сварки (2). Как видно из рисунка 3.17. методикапигтелирования позволяет получить уровень отражения от ВБР ВОД на 3дБ(в два раза) превышающий уровень отражения при использовании сваркиволоконных световодов.Существуетдостаточноемногообразиеприемовиалгоритмовпигтелирования волоконных световодов разъемами различных типов.Ознакомившись с методиками пигтелирования, была проанализирована иопробована при проектировании и сборки волоконно-оптической системыоптимальная методика пигтелирования.Ниже описана методика и процесс пигтелирования волоконногосветовода ВОД разъемом типа FC/APC.Тщательно размешиваются компоненты эпоксидного клея.
Вводитсяклей в канал оптического коннектора типа FC/APC с помощью шприца допоявления маленькой капли клея на торцевой поверхности коннектора.Незначительное количество клея добавляется на внутреннюю частьконнектора.Для надежного результата используется эпоксидный клей FIS Fineroptic connector epoxy, при комнатной температуре. Излишек клея внутриконнектораможетотрицательносказатьсянапрочностикрепленияконнектора.Следующим этапом выполняется вклеивание ВСв коннектор типаFC/APC, аккуратно вставляя ВС до того момента, пока внешняя защитнаяоболочка ВС не упрется в стенку коннектора. При этом около 1 см ВСдолжно выступать от торцевой части коннектора (Рисунок 3.19.а.).93Рисунок 3.19.
Этапы пигтелирования ВСПосле вклеивания проводится термообработка всего коннектора втечение 5 минут в специальной печке при температуре 105±5°С дляотверждения клея (Рисунок 3.19.б.).Послеотвержденияклеяпроизводитсясколлишнегоучасткаволоконного световода с помощью ручного скалывателя (Рисунок 3.19.в.).Далее коннектор помещается в полировальную оправку и круговымидвижениями полируется волоконный световодна специализированныхпленках для полировки с различным размером алмазного абразива (5мкм,3мкм, 1мкм, 0.3мкм).Пленка для полировки помещается на смоченный спиртом ровныйстеклянный столик. Перед полировкой и после смены пленки поверхностьконнектора необходимо протирать.
Переполировка приводит к ухудшениюкачества поверхности особенно в случае одномодового волокна.Проверка качества полированного торца волоконного световодапроизводится с помощью микроскопа. В поле зрения должна быть виднаповерхность керамической ферулы оптического коннектора и в центре оптическое волокно. При качественной полировки не будет видимыхцарапин (Рисунок 3.19.д.), при некачественной – в микроскоп будут видныточки, полоски, трещины.94В случае обнаружения на поверхности торца световода трещин, сколов(раковин) рекомендуется удалить коннектор либо переполировать коннекторна 5 мкм алмазной шкурке.
Небольшие дефекты в виде тонких царапин, снегаможно исправить на 1 мкм алмазной пленке.3.3. Экспериментальные исследования применения волоконнооптической методики измерения температуры и деформациипроизводственных объектовЭкспериментальныеисследованияхарактеристикдатчиковтемпературы и деформации проводились на базе Научного ЦентраВолоконной Оптики (НЦВО РАН) и инновационного предприятия ООО ИП«НЦВО-Фотоника».3.3.1. Экспериментальные исследования характеристик датчикатемпературы [89, 90]Для проверки работоспособности ВОД температуры использоваласьавтоматизированная установка, построенная на основе резистивной печи,управляемой регулятором температуры Минитерм 300 (Рисунок 3.20).Рисунок 3.19. Установка для отжига ВБР и проверки ВОД температурыЧувствительный элемент датчика располагается в геометрическомцентре печи в непосредственной близости от спая термопары, с помощьюкоторой проводится измерение температуры (Рисунок 3.21).95Рисунок 3.21.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
