eng
Выпуск #1/2019
О. В. Бурдышева, И. Л. Никулин
Амплитудный волоконно-оптический датчик вибрации
Амплитудный волоконно-оптический датчик вибрации
Просмотры: 3964
Волоконно-оптические датчики вибрации имеют ряд неоспоримых преимуществ перед электрическими датчиками при работе рядом с действующими электрогенераторами или в условиях повышенной взрывобезопасности. Принцип работы амплитудного волоконно- оптического датчика вибрации основан на нарушении закона полного внутреннего отражения. В статье описана концепция датчика вибрации, приведены результаты экспериментальных исследований прототипа.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.1.80.85
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.1.80.85
Теги: amplitude sensor fiber-optic sensor sensor vibration vibration monitoring vibration sensor амплитудный датчик вибрация вибромониторинг волоконно-оптический датчик датчик датчик вибрации
ВВЕДЕНИЕ
Датчики вибрации необходимы для определения наличия опасного уровня вибрации при сейсмо-мониторинге шахтных и горных выработок, мониторинге строящихся и готовых объектов и объектов транспортной инфраструктуры. Применение электрических датчиков не всегда возможно из-за наличия электромагнитных полей, например около действующих электрогенераторов, или требований к пожаро- и особенно взрывобезопасности.
Материал волоконно-оптических датчиков (ВОД) представляет собой диэлектрик. ВОД не требуют электрического питания и заземления [1], следовательно, могут использоваться во взрывоопасных средах без риска возникновения электрической искры; обладают хорошими показателями точности и производительности; могут обладать малым размером (до 0,1 см2 для брэгговского чувствительного элемента); обладают низкой стоимостью; могут быть размещены на значительно удаленном расстоянии от регистрирующего оборудования.
Амплитудная модуляция оптического сигнала в предложенном датчике происходит с помощью нарушения полного внутреннего отражения с помощью изгиба.
Амплитудные датчики, как правило, имеют малые размеры, поскольку их чувствительный элемент может представлять собой специально введенное в разрыв волоконной линии перекрывающее световой поток механическое устройство или участок световода с механически образованной областью микроизгибов.
В ВОД на изгибе волокна изменение внешних факторов приводит к изменению параметров датчиков. В зависимости от конструкции чувствительного элемента эти изменения ведут либо к периодическому изгибанию волокна (изгибы можно разделить на микро- и макроизгибы), либо к уменьшению диаметра изогнутого световода, что приводит к дополнительным потерям мощности излучения.
Модулятор на основе изогнутого световода применим для работы на частотах до нескольких килогерц, что достаточно для измерения вибрации, возникающей, например, при вращении двигателей (1 500 об / мин = 25 Гц). В датчиках такого типа могут быть использованы обычные волоконные световоды, однако для получения более высокой чувствительности необходимо конструировать специальные световоды.
При изгибе оптического волокна по малому радиусу нарушается условие полного внутреннего отражения, вследствие чего излучение из сердцевины выходит в оболочку волокна, распространяется по ней или рассеивается в окружающее пространство. Тогда падает мощность проходящего сигнала. Выделяют две причины таких потерь [1]:
• смещение модового пятна от оси волокна в начале изгиба;
• в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью, превышающей скорость света в оболочке. Эта часть моды излучается в оболочку и теряется.
Величина потерь мощности, вызванных первой причиной, зависит только от радиуса кривизны волокна, а второй – от радиуса кривизны и протяженности изогнутого участка.
В работе [2] рассмотрены различные вопросы, связанные с существованием в волоконных световодах мод, распространяющихся в оболочке. Представлены точечные и приближенные методы расчета профилей распределения оболочечных мод. В работе [3] представлены зависимости потерь на микро- и макроизгибе. Метод микроизгибов был использован при построении сенсоров положения, силы, давления, механического напряжения, ускорения и вибрации. К данной группе датчиков также относится волоконно-оптический акселерометр [4]. Примером ВОД на макроизгибе является волоконно-оптическое устройство измерения показателя преломления [5].
Целью настоящей работы стала разработка и качественная проверка датчика вибрации.
КОНЦЕПЦИЯ АМПЛИТУДНОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ВИБРАЦИИ
Разработанный датчик вибрации является точечным амплитудным волоконно-оптическим датчиком. Его работа основана на нарушении закона полного внутреннего отражения. Чувствительный элемент представляет собой участок волоконного световода, выполненный в виде петли (4), закрепленной на основании корпуса датчика (2). Корпус в свою очередь крепится к контролируемой поверхности. На петле ОВ закреплен груз (3) (рис. 1). Вдоль чувствительного волокна установлены бортики (5) для гашения горизонтальных колебаний.
Принцип работы устройства заключается в следующем: излучение от источника направляют к чувствительному элементу по волокну 1, устойчивому к изгибам. Наличие вибрации вызывает вертикальные колебания груза, что, в свою очередь, приводит к изменению диаметра изогнутого волокна (рис. 2). Часть излучения, проходящего через изогнутое волокно 4, покидает световод из-за нарушения полного внутреннего отражения. Следовательно, растут потери мощности излучения, проходящего сквозь чувствительный элемент. Излучение распространяется далее по световоду и попадает на фотоприемник.
Для измерения потерь мощности была создана экспериментальная установка (рис. 3а). Блок-схема установки (рис. 3б) включает в себя источник излучения (Л) – лазер Thorlabs SFL1550S (лазерный диод с внешним резонатором, рабочая длина волны λ=1 550 нм, P = 40 мВт, корпус: Butterfly, одномодовое оптоволокно, FC / APC-разъем, Thorlabs); чувствительный элемент (ЧЭ) – реализованный из оптического волокна Corning SMF‑28 Ultra в виде петли с диаметром 18 мм; груз массой 70 мг; измеритель оптической мощности (ФП) – Thorlabs РМ‑200 (фотоприемник S146C (InGaAs), диапазон измеряемой оптической мощности 10 мкВт − 20 Вт); персональный компьютер (ПК) и источник вибрации (ИВ) – портативная звуковая колонка.
Реализован автоматизированный сбор данных с предложенного датчика вибрации с помощью разработанного программного обеспечения для фотоприемника с последующей программной обработкой.
Для проверки работоспособности предложенной конструкции датчика изучена динамика изменения мощности во время действия источника вибрации, результаты представлены на рис. 4. Из графика видно, что средняя мощность проходящего излучения при воздействии вибрации изменяется на ΔР, и появляется разброс величины мощности δР. Пики во время действия вибрации вызваны переключением звукового файла на начало. После прекращения действия вибрации значение величины мощности возвращается к прежнему значению.
Зависимости изменения мощности от амплитуды показаны на рис. 5. Анализируя график, можно обнаружить, что экспериментальные линии, полученные при повторении условий эксперимента, накладываются друг на друга, то есть результаты повторимы, и наблюдается явная зависимость изменения величины мощнсти от изменения амплитуды колебаний.
Оптическое волокно (ОВ) было исследовано на наличие микротрещин в момент, предшествующий проведению серии экспериментов. А затем такое исследование повторили после проведения экспериментов. При этом ОВ исследовали после его использования в течение 60 мин и после его использования в течение месяца. Во время эксплуатации в оптическом волокне чувствительного элемента появляются микротрещины. Однако необходимо отметить, что это не сказывается на работоспособности датчика, так как при длительном использовании ОВ чувствительный элемент в процессе эксплуатации не выходит из строя. Очевидно, что срок эксплуатации конкретного ЧЭ будет зависеть от внешних условий, амплитуды вибрации и типа применяемого волокна.
В ходе проведенных экспериментов установлено, что созданный датчик вибрации и система измерений регистрируют вибрацию, дают повторяемые результаты, и ЧЭ не выходит из строя в процессе эксплуатации. Таким образом, предложенная конструкция подтвердила свою работоспособность.
Оценку чувствительности датчика можно провести по данным, представленным на рис. 5. При амплитуде вибрации A ≈ 1 мм и частоте f = 80 Гц виброускорение ав = A (2 π f)2 = 25 g, где g – ускорение свободного падения. Изменение мощноности Δ Р0,1 при амплитуде 0,1 мм соответствует виброускорению 2,5 g, при 0,3 мм – 7,5 g. Чувствительность амплитудного датчика в этом случае (DР0,3 – DР0,1) / Δав = 0,18 мВт / g.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создано устройство, которое позволяет вести непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта. Датчик исключает необходимость предварительной настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства. Таким образом, расширяется арсенал технических средств регистрации вибраций. Отличительной особенностью и возможным преимуществом перед пьезоэлектрическими датчиками является возможность работы ЧЭ при больших (до нескольких десятков сантиметров) амплитудах вибрации.
На данный момент создан прототип ВОД вибрации, проведены лабораторные испытания в диапазоне частот колебаний 5–100 Гц, амплитуд колебаний 1–100 мм, чувствительность датчика составила 0,18 мВт / g. На предложенную конструкцию датчика получен патент [6].
Использование датчика в системах измерения уровня вибрации позволяет развивать разработки измерительных систем в следующих направлениях: совершенствование ЧЭ; разработка оптоэлектронного устройства, обеспечивающего ввод / вывод стабилизированного излучения и обработку (усиление и интегрирование); совершенствование ПО; планирование измерений уровня вибрации на моделях строительных объектов и на натуральных объектах строительства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурдышева О. В. и др. Разработка волоконно-оптического датчика показателя преломления на макроизгибе. Вестник современной науки. 2015; 5: 18–21.
Burdysheva O. V. et al Razrabotka volokonno-opticheskogo datchika pokazatelya prelomleniya na makroizgibe. Vestnik sovremennoj nauki. 2015; 5: 18–21.
2. Иванов О. В., Никитов С. А., Гуляев Ю. В. Оболочечные моды волоконных световодов, их свойства и применение. Успехи физических наук. 2006; 176(2): 175–202.
Ivanov O. V., Nikitov S. A., Gulyaev Yu. V Obolochechnye mody volokonnyh svetovodov, ih svojstva i primenenie. Uspekhi fizicheskih nauk. 2006; 176(2): 175–202.
3. Оразымбетова А. К. Исследование вибрационных и температурных воздействий на функциональные свойства световода. URL: [http://docplayer.ru/31203773-Orazymbetova-aygul-kanybekovna.html].
Orazymbetova A. K. Issledovanie vibracionnyh i temperaturnyh vozdejstvij na funkcional’nye svojstva svetovoda. URL: http://docplayer.ru/31203773-Orazymbetova-aygul-kanybekovna.html].
4. Patent RU132564 / Fiber optic accelerometer; Kulchin Yu.N., Vitrik O.B, Gurbatov S. O.; 2013.
5. Patent RU169126 / Fiber optic refractive index measurement device; Burdysheva O.V., Sushko D.N., Sholgin E. S. et al; 2017.
6. Patent RU179547 / Fiber optic vibration recorder. Nikulin I. L., Burdysheva O. V.; 2018.
Датчики вибрации необходимы для определения наличия опасного уровня вибрации при сейсмо-мониторинге шахтных и горных выработок, мониторинге строящихся и готовых объектов и объектов транспортной инфраструктуры. Применение электрических датчиков не всегда возможно из-за наличия электромагнитных полей, например около действующих электрогенераторов, или требований к пожаро- и особенно взрывобезопасности.
Материал волоконно-оптических датчиков (ВОД) представляет собой диэлектрик. ВОД не требуют электрического питания и заземления [1], следовательно, могут использоваться во взрывоопасных средах без риска возникновения электрической искры; обладают хорошими показателями точности и производительности; могут обладать малым размером (до 0,1 см2 для брэгговского чувствительного элемента); обладают низкой стоимостью; могут быть размещены на значительно удаленном расстоянии от регистрирующего оборудования.
Амплитудная модуляция оптического сигнала в предложенном датчике происходит с помощью нарушения полного внутреннего отражения с помощью изгиба.
Амплитудные датчики, как правило, имеют малые размеры, поскольку их чувствительный элемент может представлять собой специально введенное в разрыв волоконной линии перекрывающее световой поток механическое устройство или участок световода с механически образованной областью микроизгибов.
В ВОД на изгибе волокна изменение внешних факторов приводит к изменению параметров датчиков. В зависимости от конструкции чувствительного элемента эти изменения ведут либо к периодическому изгибанию волокна (изгибы можно разделить на микро- и макроизгибы), либо к уменьшению диаметра изогнутого световода, что приводит к дополнительным потерям мощности излучения.
Модулятор на основе изогнутого световода применим для работы на частотах до нескольких килогерц, что достаточно для измерения вибрации, возникающей, например, при вращении двигателей (1 500 об / мин = 25 Гц). В датчиках такого типа могут быть использованы обычные волоконные световоды, однако для получения более высокой чувствительности необходимо конструировать специальные световоды.
При изгибе оптического волокна по малому радиусу нарушается условие полного внутреннего отражения, вследствие чего излучение из сердцевины выходит в оболочку волокна, распространяется по ней или рассеивается в окружающее пространство. Тогда падает мощность проходящего сигнала. Выделяют две причины таких потерь [1]:
• смещение модового пятна от оси волокна в начале изгиба;
• в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью, превышающей скорость света в оболочке. Эта часть моды излучается в оболочку и теряется.
Величина потерь мощности, вызванных первой причиной, зависит только от радиуса кривизны волокна, а второй – от радиуса кривизны и протяженности изогнутого участка.
В работе [2] рассмотрены различные вопросы, связанные с существованием в волоконных световодах мод, распространяющихся в оболочке. Представлены точечные и приближенные методы расчета профилей распределения оболочечных мод. В работе [3] представлены зависимости потерь на микро- и макроизгибе. Метод микроизгибов был использован при построении сенсоров положения, силы, давления, механического напряжения, ускорения и вибрации. К данной группе датчиков также относится волоконно-оптический акселерометр [4]. Примером ВОД на макроизгибе является волоконно-оптическое устройство измерения показателя преломления [5].
Целью настоящей работы стала разработка и качественная проверка датчика вибрации.
КОНЦЕПЦИЯ АМПЛИТУДНОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ВИБРАЦИИ
Разработанный датчик вибрации является точечным амплитудным волоконно-оптическим датчиком. Его работа основана на нарушении закона полного внутреннего отражения. Чувствительный элемент представляет собой участок волоконного световода, выполненный в виде петли (4), закрепленной на основании корпуса датчика (2). Корпус в свою очередь крепится к контролируемой поверхности. На петле ОВ закреплен груз (3) (рис. 1). Вдоль чувствительного волокна установлены бортики (5) для гашения горизонтальных колебаний.
Принцип работы устройства заключается в следующем: излучение от источника направляют к чувствительному элементу по волокну 1, устойчивому к изгибам. Наличие вибрации вызывает вертикальные колебания груза, что, в свою очередь, приводит к изменению диаметра изогнутого волокна (рис. 2). Часть излучения, проходящего через изогнутое волокно 4, покидает световод из-за нарушения полного внутреннего отражения. Следовательно, растут потери мощности излучения, проходящего сквозь чувствительный элемент. Излучение распространяется далее по световоду и попадает на фотоприемник.
Для измерения потерь мощности была создана экспериментальная установка (рис. 3а). Блок-схема установки (рис. 3б) включает в себя источник излучения (Л) – лазер Thorlabs SFL1550S (лазерный диод с внешним резонатором, рабочая длина волны λ=1 550 нм, P = 40 мВт, корпус: Butterfly, одномодовое оптоволокно, FC / APC-разъем, Thorlabs); чувствительный элемент (ЧЭ) – реализованный из оптического волокна Corning SMF‑28 Ultra в виде петли с диаметром 18 мм; груз массой 70 мг; измеритель оптической мощности (ФП) – Thorlabs РМ‑200 (фотоприемник S146C (InGaAs), диапазон измеряемой оптической мощности 10 мкВт − 20 Вт); персональный компьютер (ПК) и источник вибрации (ИВ) – портативная звуковая колонка.
Реализован автоматизированный сбор данных с предложенного датчика вибрации с помощью разработанного программного обеспечения для фотоприемника с последующей программной обработкой.
Для проверки работоспособности предложенной конструкции датчика изучена динамика изменения мощности во время действия источника вибрации, результаты представлены на рис. 4. Из графика видно, что средняя мощность проходящего излучения при воздействии вибрации изменяется на ΔР, и появляется разброс величины мощности δР. Пики во время действия вибрации вызваны переключением звукового файла на начало. После прекращения действия вибрации значение величины мощности возвращается к прежнему значению.
Зависимости изменения мощности от амплитуды показаны на рис. 5. Анализируя график, можно обнаружить, что экспериментальные линии, полученные при повторении условий эксперимента, накладываются друг на друга, то есть результаты повторимы, и наблюдается явная зависимость изменения величины мощнсти от изменения амплитуды колебаний.
Оптическое волокно (ОВ) было исследовано на наличие микротрещин в момент, предшествующий проведению серии экспериментов. А затем такое исследование повторили после проведения экспериментов. При этом ОВ исследовали после его использования в течение 60 мин и после его использования в течение месяца. Во время эксплуатации в оптическом волокне чувствительного элемента появляются микротрещины. Однако необходимо отметить, что это не сказывается на работоспособности датчика, так как при длительном использовании ОВ чувствительный элемент в процессе эксплуатации не выходит из строя. Очевидно, что срок эксплуатации конкретного ЧЭ будет зависеть от внешних условий, амплитуды вибрации и типа применяемого волокна.
В ходе проведенных экспериментов установлено, что созданный датчик вибрации и система измерений регистрируют вибрацию, дают повторяемые результаты, и ЧЭ не выходит из строя в процессе эксплуатации. Таким образом, предложенная конструкция подтвердила свою работоспособность.
Оценку чувствительности датчика можно провести по данным, представленным на рис. 5. При амплитуде вибрации A ≈ 1 мм и частоте f = 80 Гц виброускорение ав = A (2 π f)2 = 25 g, где g – ускорение свободного падения. Изменение мощноности Δ Р0,1 при амплитуде 0,1 мм соответствует виброускорению 2,5 g, при 0,3 мм – 7,5 g. Чувствительность амплитудного датчика в этом случае (DР0,3 – DР0,1) / Δав = 0,18 мВт / g.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создано устройство, которое позволяет вести непрерывную регистрацию вибраций контролируемого объекта. Датчик исключает необходимость предварительной настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства. Таким образом, расширяется арсенал технических средств регистрации вибраций. Отличительной особенностью и возможным преимуществом перед пьезоэлектрическими датчиками является возможность работы ЧЭ при больших (до нескольких десятков сантиметров) амплитудах вибрации.
На данный момент создан прототип ВОД вибрации, проведены лабораторные испытания в диапазоне частот колебаний 5–100 Гц, амплитуд колебаний 1–100 мм, чувствительность датчика составила 0,18 мВт / g. На предложенную конструкцию датчика получен патент [6].
Использование датчика в системах измерения уровня вибрации позволяет развивать разработки измерительных систем в следующих направлениях: совершенствование ЧЭ; разработка оптоэлектронного устройства, обеспечивающего ввод / вывод стабилизированного излучения и обработку (усиление и интегрирование); совершенствование ПО; планирование измерений уровня вибрации на моделях строительных объектов и на натуральных объектах строительства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурдышева О. В. и др. Разработка волоконно-оптического датчика показателя преломления на макроизгибе. Вестник современной науки. 2015; 5: 18–21.
Burdysheva O. V. et al Razrabotka volokonno-opticheskogo datchika pokazatelya prelomleniya na makroizgibe. Vestnik sovremennoj nauki. 2015; 5: 18–21.
2. Иванов О. В., Никитов С. А., Гуляев Ю. В. Оболочечные моды волоконных световодов, их свойства и применение. Успехи физических наук. 2006; 176(2): 175–202.
Ivanov O. V., Nikitov S. A., Gulyaev Yu. V Obolochechnye mody volokonnyh svetovodov, ih svojstva i primenenie. Uspekhi fizicheskih nauk. 2006; 176(2): 175–202.
3. Оразымбетова А. К. Исследование вибрационных и температурных воздействий на функциональные свойства световода. URL: [http://docplayer.ru/31203773-Orazymbetova-aygul-kanybekovna.html].
Orazymbetova A. K. Issledovanie vibracionnyh i temperaturnyh vozdejstvij na funkcional’nye svojstva svetovoda. URL: http://docplayer.ru/31203773-Orazymbetova-aygul-kanybekovna.html].
4. Patent RU132564 / Fiber optic accelerometer; Kulchin Yu.N., Vitrik O.B, Gurbatov S. O.; 2013.
5. Patent RU169126 / Fiber optic refractive index measurement device; Burdysheva O.V., Sushko D.N., Sholgin E. S. et al; 2017.
6. Patent RU179547 / Fiber optic vibration recorder. Nikulin I. L., Burdysheva O. V.; 2018.
Отзывы читателей
