Способ изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации
Владельцы патента RU 2611589:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании первичных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков и преобразователей деформаций спектрального типа. В заявленном способе изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации на поверхности упругого элемента располагают оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой, на волоконную брэгговскую решетку наносят слой эластичного адгезионного материала таким образом, чтобы участок оптического волокна на всей длине волоконной брэгговской решетки был закреплен на поверхности упругого элемента. При этом сборку выдерживают до полного затвердевания эластичного адгезионного материала и на края затвердевшего эластичного адгезионного материала наносят слой неэластичного адгезионного материала, таким образом, чтобы оптическое волокно за пределами длины волоконной брэгговской решетки было жестко закреплено на поверхности упругого элемента, сборку выдерживают до полного затвердевания неэластичного адгезионного материала. Технический результат - повышение точности спектрального преобразования деформации. 1 ил.
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании первичных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков и преобразователей деформаций спектрального типа.
При разработке и создании первичных чувствительных элементов спектральных преобразователей деформаций наиболее предпочтительным и перспективным элементом, выполняющим функцию спектрального кодирования величины деформации, является волоконная брэгговская решетка. Волоконная брэгговская решетка записана в оптоволокне при помощи ультрафиолетового лазера и представляет собой участок световода (обычно длиной около 3 мм) с чередованием показателя преломления вдоль оси распространения излучения. Волоконная брэгговская решетка отражает излучение определенной длины волны (иначе называемой кодом резонансной частоты решетки Брэгга) с шириной спектра порядка 1 нм. При деформации волоконной брэгговской решетки изменяется ее период, вследствие чего в спектре излучения, проходящего через оптическое волокно, наблюдается смещение длины волны отраженного излучения. Измеряя величину этого смещения, определяют относительную деформацию оптического волокна ("Система мониторинга несущих конструкций футбольного манежа на основе волоконно-оптических датчиков" / Шишкин В.В. и др. - М: Научно-технический журнал "Фотон-Экспресс" №1 / 2014).
Изготовление чувствительного элемента спектрального преобразователя деформаций на основе волоконных решеток Брэгга включает в себя операцию по закреплению оптического волокна на упругом элементе, воспринимающем воздействующую измеряемую деформацию. Закрепление оптического волокна должно выполняться таким образом, чтобы исключить появление локальных механических напряжений, воздействующих на разные участки волоконной решетки Брэгга. Такие напряжения неравномерно изменяют период брэгговской решетки на протяжении ее длины и, таким образом, приводят к искажению спектра сигнала (в спектре сигнала появляются дополнительные "пики" отражения), снижая точность спектрального кодирования величины деформации. К появлению локальных напряжений в волоконной брэгговской решетке зачастую приводит, например, закрепление ее методом "заливки" стеклокристаллическим материалом или металлическим припоем (при использовании оптического волокна с металлизированным покрытием). Это связано с тем, что нанесение закрепляющего адгезионного материала на оптическое волокно не позволяет обеспечить абсолютную равномерность и равнотолщинность слоя этого материала по всей длине волоконной брэгговской решетки. В результате закрепляющий слой адгезионного материала, испытывая усадку при затвердевании, создает локальные напряжения в волоконной брэгговской решетке, снижая точность спектрального преобразования деформации. Кроме того, неравномерность возникающих локальных напряжений непредсказуема и потому затрудняет задачу повторяемости точностных параметров при изготовлении серии чувствительных элементов спектрального преобразователя деформаций. То же самое наблюдается и при использовании неэластичных клеев (используемых, например, для контровки резьбовых соединений, исключающей последующий демонтаж).
Вместе с тем, характеристика преобразования чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации должна определяться строгим соответствием длины волоконной брэгговской решетки длине участка ее закрепления на поверхности упругого элемента при всех возможных измеряемых деформациях упругого элемента. То есть длина закрепления волоконной брэгговской решетки должна быть жестко фиксированной. При использовании эластичных адгезионных закрепляющих материалов длина участка закрепления не может оставаться строго постоянной, ввиду деформации такого закрепляющего материала внутри его объема. Таким образом, обеспечить высокую точность преобразования чувствительного элемента спектрального преобразователя также весьма сложно. Сложно обеспечить и повторяемость точностных параметров от одного образца к другому.
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 (http://www.pro-vacuum.ru/sposoby-soedinenia-vakkumnykh-sistem/sposoby-izgotovleniia-germetichnykh-nerazemnykh-soedinenii.html).
Недостатком способа является низкая точность преобразования при использовании такого закрепления применительно к оптическому волокну из-за невозможности обеспечить равномерность воздействия напряжений на волоконную решетку Брэгга.
Таким образом, не исключено появление описанных выше явлений, связанных с локальными напряжениями в волоконной решетке Брэгга, приводящими к снижению точности спектрального преобразования деформации.
Техническим результатом изобретения является повышение точности спектрального преобразования деформации.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации, на поверхности упругого элемента располагают оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой, на волоконную брэгговскую решетку наносят слой эластичного адгезионного материала таким образом, чтобы участок оптического волокна на всей длине волоконной брэгговской решетки был закреплен на поверхности упругого элемента, сборку выдерживают до полного затвердевания эластичного адгезионного материала и на края затвердевшего эластичного адгезионного материала наносят слой неэластичного адгезионного материала таким образом, чтобы оптическое волокно за пределами длины волоконной брэгговской решетки было жестко закреплено на поверхности упругого элемента, сборку выдерживают до полного затвердевания неэластичного адгезионного материала.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлен чувствительный элемент спектрального преобразователя деформации, изготовление которого реализуется предлагаемым способом, где 1 - упругий элемент, 2 - оптическое волокно, 3 - волоконная брэгговская решетка, 4 - неэластичный адгезионный материал, 5 - эластичный адгезионный материал.
Способ реализуется следующим образом.
На поверхности упругого элемента 1 располагают оптическое волокно 2 с волоконной брэгговской решеткой 3, затем на волоконную брэгговскую решетку наносят слой эластичного адгезионного материала 5 так, чтобы участок оптического волокна на всей длине волоконной брэгговской решетки (обозначен LB на чертеже) был закреплен на поверхности упругого элемента 1. Сборку выдерживают до полного затвердевания эластичного адгезионного материала 5 (при этом происходит усадка эластичного адгезионного материала с неизбежными малыми смещениями положения волоконной брэгговской решетки относительно поверхности упругого элемента), и на края затвердевшего эластичного адгезионного материала 5 наносят слой неэластичного адгезионного материала 4, так, чтобы оптическое волокно за пределами длины волоконной брэгговской решетки (за пределами длины LB) было жестко закреплено на поверхности упругого элемента 1. Сборку выдерживают до полного затвердевания неэластичного адгезионного материала 4.
Применение эластичного адгезионного материала позволяет исключить локализацию механических напряжений в волоконной брэгговской решетке, на всей ее длине, путем перераспределения возникающих в адгезионном материале неравномерных напряжений, обусловленных, в свою очередь, "неидеальностью" нанесения его слоя. Дальнейшее нанесение слоя неэластичного адгезионного материала, осуществляемое после затвердевания эластичного адгезионного материала, обеспечивает жесткую фиксацию длины участка закрепления волоконной брэгговской решетки на поверхности упругого элемента, что позволяет обеспечить однозначность характеристики преобразования (таким образом исключают неопределенности и погрешности в смещениях длины волны отраженного излучения в процессе измерений при анализе оптического сигнала).
Таким образом, заявленным способом изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации достигают повышения точности спектрального преобразования. При этом изготовление чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации, реализуемое данным способом, не требует сложных технологических процессов и оборудования.
В качестве эластичного адгезионного материала может применяться, например, фенолополивинилацетальный клей марки БФ4, а неэластичного адгезионного материала - клей К-300-61.
Способ изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации, заключающийся в том, что на поверхности упругого элемента располагают оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой, на волоконную брэгговскую решетку наносят слой эластичного адгезионного материала таким образом, чтобы участок оптического волокна на всей длине волоконной брэгговской решетки был закреплен на поверхности упругого элемента, сборку выдерживают до полного затвердевания эластичного адгезионного материала и на края затвердевшего эластичного адгезионного материала наносят слой неэластичного адгезионного материала таким образом, чтобы оптическое волокно за пределами длины волоконной брэгговской решетки было жестко закреплено на поверхности упругого элемента, сборку выдерживают до полного затвердевания неэластичного адгезионного материала.
