RU2631082C1 - Device for measuring wear amount and temperature of product at friction (versions) - Google Patents
Device for measuring wear amount and temperature of product at friction (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2631082C1 RU2631082C1 RU2016124956A RU2016124956A RU2631082C1 RU 2631082 C1 RU2631082 C1 RU 2631082C1 RU 2016124956 A RU2016124956 A RU 2016124956A RU 2016124956 A RU2016124956 A RU 2016124956A RU 2631082 C1 RU2631082 C1 RU 2631082C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wear
- temperature
- fiber
- product
- measuring
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 140
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 82
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 100
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 33
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 33
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 26
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 170
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 16
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000000253 optical time-domain reflectometry Methods 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 3
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 238000002839 fiber optic waveguide Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000002796 luminescence method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
- G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/56—Investigating resistance to wear or abrasion
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
Description
Техническое решение относится к технике оптических измерений одновременно нескольких параметров изделий, в частности к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении, и может быть использовано как в процессе их эксплуатации, так и исследовании указанных характеристик при разработке. Рассматриваемые изделия, как правило, являются элементами различных двигателей, турбин, электрических машин, находящихся в контактном движении с другим изделием. Наиболее наглядным примером таких изделий является щеточно-коллекторный узел электрической машины, контролируемым изделием - его щетка, а измеряемыми параметрами - величина износа и температура щетки.The technical solution relates to the technique of optical measurements of several product parameters simultaneously, in particular, to devices for measuring the amount of wear and temperature of products during friction, and can be used both in the process of their operation and in the study of these characteristics during development. Products under consideration are, as a rule, elements of various engines, turbines, and electric machines that are in contact motion with another product. The most obvious example of such products is the brush-collector assembly of an electric machine, the product being controlled is its brush, and the measured parameters are the amount of wear and temperature of the brush.
Устройства для измерения величины износа и температуры изделий при трении выполняются, как правило, встроенными в контролируемое изделие, и, например, содержат расположенные в изделии два контрольных электрических проводника, изолированных от тела изделия, на определенной глубине и регистрирующую аппаратуру (см. А.с. 1809481 СССР, МПК5 H01R 39/58. Устройство для контроля износа щетки / Н.Н. Павлуцкий; опубл. 15.04.1993, Бюл. №14). При этом контролируется пороговая величина износа изделия, определяемая глубиной расположения контрольных электрических проводников, при достижении которой трущимися изделиями разрушается изоляция проводников, проводники замыкаются элементами второго трущегося изделия и в систему регистрации поступает электрический сигнал о достижении порога износа.Devices for measuring the amount of wear and temperature of products during friction are, as a rule, built into the controlled product, and, for example, contain two control electrical conductors located in the product, isolated from the body of the product, at a certain depth and recording equipment (see A.с 1809481 USSR, IPC5 H01R 39/58. Device for controlling brush wear / NN Pavlutsky; publ. 15.04.1993, Bull. No. 14). At the same time, the threshold value of the wear of the product is determined, which is determined by the depth of the control electrical conductors, at which the rubbing products break the insulation of the conductors, the conductors are closed by the elements of the second rubbing product, and an electrical signal is received to the registration system to reach the wear threshold.
Недостатком устройства является отсутствие контроля температуры, которая имеет большое значение для оценки процесса и условий трения. Для измерения температуры необходима установка дополнительного датчика. Обеспечивается лишь пороговая индикация величины износа. Кроме того, в ряде применений, например, в электрических машинах, на контрольные электрические проводники может поступить высокое напряжение питания двигателей, что может привести к выходу из строя измерительной части устройства или потребовать применения специальных дополнительных мер по развязке измерительной части по напряжению.The disadvantage of this device is the lack of temperature control, which is of great importance for assessing the process and friction conditions. To measure the temperature, an additional sensor is required. Only a threshold indication of the amount of wear is provided. In addition, in a number of applications, for example, in electric machines, the control electric conductors can receive a high voltage supply of the motors, which can lead to failure of the measuring part of the device or require special additional measures to decouple the measuring part from the voltage.
Известно волоконно-оптическое устройство для контроля величины износа изделий (см. Пат. 4884434 США, 73/7, G01M 11/08. Датчик износа / Т. Сатаке, Ё. Имада; опубл. 05.12.1989), которое содержит в качестве встроенных контрольных проводников несколько петель из отрезков волоконно-оптических световодов, расположенных на различной глубине изделия. Каждый отрезок подключен к источнику лазерного излучения и детектору. При достижении величины износа глубины залегания первой петли отрезок волоконно-оптического световода разрывается, что приводит к формированию на выходе детектора сигнала о соответствующей величине износа, и т.д.A fiber-optic device is known for monitoring the amount of wear of products (see US Pat. No. 4884434, 73/7,
Данное устройство позволяет избавиться от недостатков устройств, использующих электрические контрольные проводники и возможности поступления высоковольтных напряжений на измерительные схемы. Недостатком устройства является отсутствие контроля температуры, которая имеет большое значение для оценки процесса и условий трения. Для измерения температуры необходима установка дополнительного датчика. Кроме того, обеспечивается лишь пороговая индикация величины износа, хотя и формируется несколько порогов измерения.This device allows you to get rid of the disadvantages of devices that use electrical control conductors and the possibility of high-voltage voltages on the measuring circuit. The disadvantage of this device is the lack of temperature control, which is of great importance for assessing the process and friction conditions. To measure the temperature, an additional sensor is required. In addition, only a threshold indication of the amount of wear is provided, although several measurement thresholds are generated.
Существует устройство (см. Пат. 8571813 США, 702/34, G01/N 3/56. Волоконно-оптическая сенсорная система для определения износа поверхностей / Джонстон Р.Т.; опубл. 29.10.2013), в котором отрезки оптического световода, расположенные в изделии, имеют на торце напыление из переизлучающего материала (фосфора). Зондирующие импульсы источника оптического излучения вызывают люминесценцию переизлучающего материала, причем длина волны люминесценции однозначно связана с температурой датчика, а пропадание на детекторе сигнала люминесценции означает, что изделие износилось на величину, соответствующую глубине залегания световода. Таким образом, данное устройство позволяет осуществлять одновременное измерение как износа изделия, так и его температуры. Недостатком устройства является сложность конструкции, определяемая, в том числе, необходимостью использования химически активного переизлучающего материала, его установки в изделие и обеспечения надежного контакта с волоконно-оптическим световодом. Сам метод измерения величины износа громоздок и сложен при реализации. Следует отметить относительно невысокую точность измерения температуры при использовании метода люминесценции.There is a device (see US Pat. 8571813, 702/34, G01 /
Прототипом предлагаемых технических решений (по двум вариантам) является устройство (см. пат. РФ №2557577, МПК G01B 11/06, G01K 11/32, G01N 3/56, H01R 39/58, G01D 5/353 Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении / О.Г. Морозов и др., опубл. 27.07.2015, Бюл. №21), которое содержит последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого предназначен для размещения в изделии на глубине равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя, а на отрезке измерительного волоконно-оптического световода в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении; источник лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения, а светоделитель как оптический циркулятор. В качестве внутриволоконного оптического датчика может быть использована внутриволоконная решетка Брэгга или длиннопериодная решетка.The prototype of the proposed technical solutions (in two versions) is a device (see Pat. RF No. 2557577, IPC G01B 11/06, G01K 11/32, G01N 3/56, H01R 39/58, G01D 5/353 A device for measuring wear and product temperature during friction / OG Morozov et al., published on July 27, 2015, Bull. No. 21), which contains a laser radiation source, a beam splitter, and at least one measuring optical fiber, connected in series the end of which is designed to be placed in the product at a depth equal to or less than the distance to the rubbing surface, and at least one transmitting fiber-optic fiber, a detector and a controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction are connected in series, the first end of the transmitting fiber-optic fiber being connected to the second output of the beam splitter, and in the region of the measuring fiber-optic fiber its second end is formed by an intra-fiber optical sensor of the amount of wear and temperature of the product during friction; the laser source is made as a source of continuous laser radiation, and the beam splitter as an optical circulator. As an intra-fiber optical sensor, an intra-fiber Bragg grating or a long-period grating can be used.
В основу работы прототипа положена зависимость спектральных характеристик внутриволоконной решетки Брэгга (или длиннопериодной решетки) от ее температуры и длины (износа) - при изменении температуры внутриволоконной решетки Брэгга (или длиннопериодной решетки) изменяется центральная резонансная длина волны λi рефлектометрического отклика, которая является функцией температуры изделия, а при изменении длины внутриволоконной решетки Брэгга (или длиннопериодной решетки), которая является функцией величины износа изделия, происходит изменение амплитуды Ai рефлектометрического отклика. Детектор, отличающийся возможностью проведения как амплитудных, так и спектральных измерений с определением длин волн поступающего на него излучения, регистрирует изменение положения центральной резонансной длины волны λi, а так же амплитуды Ai рефлектометрического отклика.The prototype is based on the dependence of the spectral characteristics of the Bragg intra-fiber lattice (or long-period grating) on its temperature and length (wear) - when the temperature of the Bragg intra-fiber grating (or long-period grating) changes, the central resonance wavelength λ i of the reflectometric response changes, which is a function of temperature products, and when the length of the Bragg intra-fiber lattice (or long-period lattice), which is a function of the wear of the product, changes, Menenius amplitude A i OTDR response. The detector, characterized by the possibility of conducting both amplitude and spectral measurements with the determination of the wavelengths of the radiation arriving at it, detects a change in the position of the central resonant wavelength λ i , as well as the amplitude A i of the reflectometric response.
Прототип в отличие от описанных выше аналогов позволяет непрерывно измерять износ в пределах 5-30 мм для решеток Брэгга и 20-60 мм для длиннопериодных решеток, при этом одновременно проводить измерение температуры, имеет простую конструкцию (используется один измерительный волоконно-оптический световод, а сам датчик является его частью).The prototype, in contrast to the analogs described above, allows continuous measurement of wear within 5-30 mm for Bragg gratings and 20-60 mm for long-period gratings, while simultaneously taking temperature measurements, it has a simple design (one measuring optical fiber is used, and the sensor is part of it).
Недостатком прототипа является относительно небольшой диапазон измерения износа, приходящийся на один измерительный волоконно-оптический световод.The disadvantage of the prototype is the relatively small measuring range of wear per one measuring optical fiber.
Решаемая техническая задача (технический результат) предлагаемого устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по двум вариантам) заключается в повышении диапазона непрерывного измерения величины износа, без существенного усложнения устройства.The technical problem to be solved (technical result) of the proposed device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction (according to two options) is to increase the range of continuous measurement of the amount of wear, without significantly complicating the device.
Решаемая техническая задача (технический результат) в устройстве для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по его первому варианту), содержащем последовательно соединенные широкополосный источник непрерывного лазерного излучения, циркулятор, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого предназначен для размещения в изделии на глубине равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности и в котором сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом циркулятора, достигается тем, что на конце отрезка измерительного волоконно-оптического световода, предназначенного для размещения в изделии, последовательно первому внутриволоконному оптическому датчику величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки сформирован дополнительно еще, как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки с участком измерительного волоконно-оптического световода между ними, не занятым брэгговской решеткой, равным по длине, как минимум, одному ее периоду.The technical problem to be solved (technical result) in a device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction (according to its first embodiment), containing a series-connected wide-band source of continuous laser radiation, a circulator, and at least one measuring optical fiber, the second end which is designed to be placed in the product at a depth equal to or less than the distance to the rubbing surface and in which the fiber-optic sensor of wear and pace is formed the friction pattern of the product based on the Bragg grating, as well as connected at least one transmitting fiber optic fiber, a detector and a controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction, the first end of the transmitting optical fiber being connected to the second output of the circulator, is achieved by the fact that at the end of a segment of a measuring optical fiber, intended for placement in the product, sequentially to the first intra-fiber optical sensor The reasons for the wear and temperature of the product during friction on the basis of the Bragg grating are additionally formed, at least one more fiber-optic sensor for the value of wear and temperature of the product during friction based on the Bragg grating with a portion of the measuring fiber optic waveguide between them that is not occupied by the Bragg grating the length of at least one period of it.
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении, выполненные на основе брэгговских решеток, могут иметь фазовый π-сдвиг.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction, made on the basis of Bragg gratings, can have a phase π-shift.
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении, выполненные на основе брэгговских решеток, могут иметь участок измерительного волоконно-оптического световода между ними, не занятый брэгговскими решетками по длине, на порядок больше их периода, таким образом образуя интерферометр Фабри-Перо, построенный с использованием брэгговских решеток.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction, made on the basis of Bragg gratings, can have a portion of the measuring fiber optic fiber between them, not occupied by Bragg gratings in length, an order of magnitude longer than their period, thus forming Fabry-Perot interferometer constructed using Bragg gratings.
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении, выполненные на основе брэгговских решеток, могут быть настроены на одну рабочую длину волны.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction, made on the basis of Bragg gratings, can be tuned to one working wavelength.
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении, выполненные на основе брэгговских решеток, могут быть настроены на разные рабочие длины волн, при этом широкополосный источник непрерывного лазерного излучения выполнен так, что имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика, как минимум, двух последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговских решеток, лежащего в спектральном диапазоне всех его рабочих длин волн во всем диапазоне измеряемых температур.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction, made on the basis of Bragg gratings, can be tuned to different operating wavelengths, while the broadband source of continuous laser radiation is made so that it has a spectral range of radiation whose width covers the width of the spectral reflectometric response of at least two sequentially located intra-fiber optical sensors of wear and tear product temperatures during friction based on Bragg gratings lying in the spectral range of all its working wavelengths in the entire range of measured temperatures.
Решаемая техническая задача (технический результат) в устройстве для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по его второму варианту), содержащем последовательно соединенные широкополосный источник непрерывного лазерного излучения, циркулятор, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого предназначен для размещения в изделии на глубине равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности и в котором сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом циркуля-тора, достигается тем, что за циркулятором, в разрыв измерительного волоконно-оптического световода установлен разветвитель, таким образом, что второй конец измерительного волоконно-оптического световода, предназначенный для размещения в изделии, через первый отрезок измерительного волоконно-оптического световода, соединен с первым выходом разветвителя, а ко второму выходу разветвителя подключен второй отрезок измерительного волоконно-оптического световода, на втором конце которого, предназначенного для размещения в изделии, последовательно друг за другом сформировано, как минимум, два внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки, как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки, сформированный на втором конце измерительного волоконно-оптического световода, расположен так, что он перекрывает участок второго отрезка измерительного волоконно-оптического световода, предназначенного для размещения в изделии, не занятого его, как минимум, двумя внутриволоконными оптическими датчиками величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговских решеток, а, участки второго конца измерительного волоконно-оптического световода, не занятые его, как минимум, одним внутриволоконным оптическим датчиком величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки, перекрываются участками второго отрезка измерительного волоконно-оптического световода, предназначенного для размещения в изделии, на котором сформированы, как минимум, два внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговских решеток.The technical problem to be solved (technical result) in a device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction (according to its second embodiment), which contains a serially connected broadband source of continuous laser radiation, a circulator, and at least one measuring optical fiber, the second end which is designed to be placed in the product at a depth equal to or less than the distance to the rubbing surface and in which the fiber-optic sensor of wear and pace is formed the friction pattern of the product based on the Bragg grating, as well as sequentially connected at least one transmitting optical fiber, a detector and a controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction, the first end of the transmitting optical fiber being connected to the second output of the torus, is achieved by the fact that behind the circulator, a splitter is installed in the gap of the measuring optical fiber, so that the second end of the measuring optical fiber An ode intended to be placed in the product through the first segment of the measuring optical fiber is connected to the first output of the splitter, and a second segment of the measuring optical fiber is connected to the second output of the splitter, at the second end of which is intended to be placed in the product after another, at least two intra-fiber optical sensors of wear and temperature of the product during friction are formed on the basis of the Bragg grating, at least one intra-fiber The optical sensor for the amount of wear and temperature of the product during friction based on the Bragg grating, formed at the second end of the measuring optical fiber, is located so that it overlaps the portion of the second segment of the measuring optical fiber, intended for placement in the product, not occupied by it, at least two intra-fiber optical sensors measure the wear and temperature of the product during friction based on Bragg gratings, а, sections of the second end of the measuring fibers of an optical fiber, which is not occupied by at least one intra-fiber optical sensor, the amount of wear and temperature of the product during friction based on the Bragg grating, overlap with sections of the second segment of the measuring optical fiber, designed to be placed in the product on which at least , two intra-fiber optical sensors for wear and temperature during friction based on Bragg gratings.
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении, сформированные во втором отрезке измерительного волоконно-оптического световода, и, как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении, сформированный во втором конце измерительного волоконно-оптического световода, выполненные на основе брэгговских решеток, могут быть настроены на одну рабочую длину волны.At least two in-line optical fiber sensors for the amount of wear and temperature of the product during friction, formed in the second segment of the measuring optical fiber, and at least one optical fiber sensor for wear and temperature for the friction, formed in the second end of the measuring fiber Optical fiber, made on the basis of Bragg gratings, can be tuned to one working wavelength.
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении, сформированные во втором отрезке измерительного волоконно-оптического световода, и, как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении, сформированный во втором конце измерительного волоконно-оптического световода, выполненные на основе брэгговских решеток, могут быть настроены на разные рабочие длины волн, при этом источник непрерывного лазерного излучения выполнен так, что имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговских решеток, лежащего в спектральном диапазоне всех его рабочих длин волн во всем диапазоне измеряемых температур.At least two in-line optical fiber sensors for the amount of wear and temperature of the product during friction, formed in the second segment of the measuring optical fiber, and at least one optical fiber sensor for wear and temperature for the friction, formed in the second end of the measuring fiber optical fiber, made on the basis of Bragg gratings, can be tuned to different operating wavelengths, while the source of the continuous laser from The radiation is designed so that it has a spectral range of radiation, the width of which overlaps the width of the spectral reflectometric response of the intrafiber optical sensors of the wear and temperature of the product during friction based on Bragg gratings lying in the spectral range of all its operating wavelengths in the entire range of measured temperatures.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении по его первому варианту. На чертеже представлено и изделие, в котором размещены внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении.In FIG. 1 shows a block diagram of a device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction according to its first embodiment. The drawing shows the product, which houses the intrafiber optical sensors of the magnitude of wear and temperature of the product during friction.
На фиг. 2 изображена структурная схема устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении по его второму варианту. На чертеже представлено и изделие, в котором размещены внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении.In FIG. 2 shows a block diagram of a device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction according to its second embodiment. The drawing shows the product, which houses the intrafiber optical sensors of the magnitude of wear and temperature of the product during friction.
На фиг. 3 представлен алгоритм работы контроллера определения величины износа и температуры изделия при трении (общий для устройств по первому и второму вариантам).In FIG. 3 shows the algorithm of the controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction (common for devices according to the first and second options).
Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении по его первому варианту (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные широкополосный источник непрерывного лазерного излучения 1, циркулятор 2, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод 3, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод 4, детектор 5 и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода 4 соединен со вторым выходом циркулятора 2. Кроме того, на отрезке длиной L1 и L2 на втором конце измерительного волоконно-оптического световода 3, расположенного в изделии 7 последовательно друг за другом сформированы, как минимум, два внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 на основе брэгговских решеток с участком
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82, выполненные на основе брэгговской решетки, могут иметь фазовый π-сдвиг.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction 8 1 and 8 2 , made on the basis of the Bragg grating, can have a phase π-shift.
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82, выполненные на основе брэгговских решеток могут иметь участок измерительного волоконно-оптического световода 3 между ними, не занятый брэгговскими решетками по длине, на порядок больше их периода, таким образом они образуют интерферометр Фабри-Перо, построенный с использованием брэгговских решеток.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction of 8 1 and 8 2 , made on the basis of Bragg gratings, can have a section of the measuring
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82, выполненные на основе брэгговских решеток, могут быть настроены на одну рабочую длину волны.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction 8 1 and 8 2 , made on the basis of Bragg gratings, can be tuned to one working wavelength.
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 выполненные на основе брэгговских решеток, могут быть настроены на разные рабочие длины волн, при этом широполосный источник непрерывного лазерного излучения 1 выполнен так, что имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика, как минимум, двух последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 на основе брэгговских решеток, лежащего в спектральном диапазоне всех его рабочих длин волн во всем диапазоне измеряемых температур.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction 8 1 and 8 2 made on the basis of Bragg gratings can be tuned to different working wavelengths, while the broadband source of
Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении по его второму варианту (см. фиг. 2) содержит последовательно соединенные широкополосный источник непрерывного лазерного излучения 1, циркулятор 2, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод 3, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод 4, детектор 5 и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, в изделии 7 расположены внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81-83. В разрыв измерительного волоконно-оптического световода 3 установлен разветвитель 9, таким образом, что второй конец измерительного волоконно-оптического световода 3, предназначенный для размещения в изделии 7, через первый отрезок измерительного волоконно-оптического световода 10, соединен с первым выходом разветвителя 9, а ко второму выходу разветвителя 9 подключен второй отрезок измерительного волоконно-оптического световода 11, на втором конце которого, предназначенного для размещения в изделии 7, последовательно друг за другом на участках длиной L1 и L2 сформировано, как минимум, два внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 на основе брэгговских решеток. Как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении 83 на основе брэгговской решетки, сформированный на участке длиной L3 на втором конце измерительного волоконно-оптического световода 3, расположен так, что он перекрывает участок
Под перекрытием участков длиной L3, расположенного на втором конце измерительного волоконно-оптического световода 3 и длиной
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82, сформированные во втором отрезке измерительного волоконно-оптического световода 11, предназначенном для размещения в изделии 7, и, как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении 83, сформированный во втором конце измерительного волоконно-оптического световода 3, выполненные на основе брэгговских решеток, могут быть настроены на одну рабочую длину волны.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction 8 1 and 8 2 formed in the second segment of the measuring
Как минимум, два последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82, сформированные во втором отрезке измерительного волоконно-оптического световода 11, предназначенного для размещения в изделии 7, и, как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении 83, сформированный во втором конце измерительного волоконно-оптического световода 3, выполненные на основе брэгговских решеток, могут быть настроены на разные рабочие длины волн, при этом широкополосный источник непрерывного лазерного излучения 1 выполнен так, что имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 на основе брэгговских решеток, лежащего в спектральном диапазоне всех его рабочих длин волн во всем диапазоне измеряемых температур.At least two in-line optical fiber sensors of wear and temperature during friction 8 1 and 8 2 , formed in the second segment of the measuring
Рассмотрим работу устройства для измерения величины износа и температуры по его первому варианту (фиг. 1).Consider the operation of the device for measuring the amount of wear and temperature according to its first embodiment (Fig. 1).
Подключают компоненты схемы согласно фиг. 1, подключают широкополосный источник непрерывного лазерного излучения 1, детектор 5 и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6 к источникам питания (система электропитания на фиг. 1 не показана), осуществляют запись программы обработки сигнала согласно алгоритму, приведенному на фиг. 3 в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6. В изделии 7 располагают второй конец измерительного волоконно-оптического световода 3, на глубине Н2 равной или меньшей расстояния R до трущейся поверхности изделия 7 и какого-либо другого изделия (на фиг. 1 не показано). При этом на отрезке длиной L1 и L2 измерительного волоконно-оптического световода 3 в области его второго конца (расстояние от края второго оптического датчика до края измерительного оптического световода должно быть не менее требуемой разрешающей способности измерения величины износа изделия при трении) сформированы, как минимум, два внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 на основе брэгговских решеток. Расстояние H1-L1=Р величина постоянная и определяет разницу между глубиной установки первого внутриволоконного оптического датчика и его длиной. Величина Р может быть равно 0, a R=H2, что и будет принято для упрощения пояснения работы устройства.The components of the circuit according to FIG. 1, a broadband source of
Тогда величина износа изделия при трении будет определяться как:Then the amount of wear of the product during friction will be determined as:
т.е. для измерения величины износа изделия при трении осуществляют измерение длин внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 (для упрощения примем, что их количество равно двум).those. to measure the amount of wear of the product during friction, measure the lengths of the fiber optic sensors of the amount of wear and temperature of the product during friction of 8 1 and 8 2 (to simplify, we assume that their number is two).
Рассмотрим порядок определения температуры изделия для первого варианта устройства измерения величины износа изделия при трении (для второго варианта осуществляется аналогично).Consider the procedure for determining the temperature of the product for the first version of the device for measuring the amount of wear of the product during friction (for the second option it is carried out similarly).
Для измерения температуры изделия при трении производят измерение центральной резонансной длины волны λ внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 (и 83 - для второго варианта устройства), которая при калиброванном значении температуры ТС после установки в изделие 7 равна:To measure the temperature of the product during friction, the central resonance wavelength λ of the intra-fiber optical sensors is measured for the amount of wear and temperature of the product during friction 8 1 , 8 2 (and 8 3 for the second version of the device), which at a calibrated temperature T C after installation in the
где n - эффективный показатель преломления основной моды сердцевины решетки Брэгга; Λ - период решетки Брэгга (См. Васильев, С.А. Волоконные решетки показателя преломления и их применения / С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов // Квантовая электроника. - 2005. - Т. 35, №12. - С. 1085-1103).where n is the effective refractive index of the main mode of the core of the Bragg grating; Λ - the period of the Bragg grating (See. Vasiliev, S.A. Fiber gratings of the refractive index and their applications / S.A. Vasiliev, O.I. Medvedkov, I.G. Korolev, A.S. Bozhkov, A.S. Kurkov, E.M. Dianov // Quantum Electronics. - 2005. - V. 35, No. 12. - S. 1085-1103).
При изменении температуры изменяется центральная резонансная длина волны λ рефлектометрического отклика, которая является функцией температуры изделия 7, а ее изменение описывается следующим выражением:When the temperature changes, the central resonant wavelength λ of the reflectometric response changes, which is a function of the temperature of the
где ΔT - изменение температуры; α - коэффициент теплового расширения кварцевого стекла.where ΔT is the temperature change; α is the coefficient of thermal expansion of quartz glass.
Соотношение (3) дает типичный сдвиг λ в зависимости от температуры ~0,01 нм/°С. (См. там же).Relation (3) gives a typical shift of λ depending on the temperature of ~ 0.01 nm / ° C. (See ibid.)
Таким образом, измерение температуры будет определяться зависимостью:Thus, the temperature measurement will be determined by the dependence:
или, выраженное через температуру из уравнений (2)-(4) и из условия:or, expressed in terms of temperature from equations (2) - (4) and from the condition:
где λM - измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 (и 83 - для второго варианта устройства); ТМ - измеряемая температура изделия.where λ M is the measured central resonance wavelength of the reflectometric response of the intra-fiber optical sensors of the amount of wear and temperature of the product under friction 8 1 , 8 2 (and 8 3 for the second version of the device); T M - the measured temperature of the product.
Для измерения температуры в устройстве для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по первому варианту) излучение широкополосного источника непрерывного лазерного излучения 1 через циркулятор 2, поступает на измерительный волоконно-оптический световод 3 и через него во внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82.To measure the temperature in a device for measuring the amount of wear and temperature of a product due to friction (according to the first embodiment), the radiation of a broadband source of
Рефлектометрический отклик внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 через измерительный волоконно-оптический световод 3, первый и второй выход циркулятора 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируется λМ - измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82. Полученная информация поступает в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, в котором по полученным значениям λМ, заложенным калибровочным значениям λ, ТС, Δλ/ΔT и в соответствии с (5) определяется температуры изделия 7 при трении, в точке, в которой установлен конкретный внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении 81 или 82. Полученное значение поступает на устройство отображения информации (на фиг. 1 устройство отображения информации не показано).OTDR response of optical fiber sensors of the amount of wear and temperature of the product during friction 8 1 and 8 2 through the measuring
Рассмотрим алгоритмы, по которым осуществляется определение износа в устройстве для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по первому варианту) для различных примеров его реализации.Consider the algorithms by which wear is determined in a device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction (according to the first embodiment) for various examples of its implementation.
Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 выполнены на основе брэгговской решетки с фазовым π-сдвигом.The intra-fiber optical sensors of the wear and temperature of the product during friction 8 1 and 8 2 are based on the Bragg grating with a phase π-shift.
Брэгговская решетка с фазовым π-сдвигом представляет собой две последовательно расположенные идентичные волоконные брэгговские решетки (ВБР), расстояние
В этом случае внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 формируют рефлектометрический отклик с амплитудой А на центральной резонансной длине волны λМ, которая является функцией от его длины L:In this case, the intra-fiber optical sensors of the wear and temperature of the product during friction 8 1 and 8 2 form a reflectometric response with amplitude A at the central resonant wavelength λ M , which is a function of its length L:
где
Из приведенного выражения видно, что при изменении L1 и L2, которое в нашем случае будет вызвано износом изделия и соответствующим уменьшением длины внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 (последовательно уменьшается L2, затем L1), будет происходить изменение их рефлектометрического отклика в соответствии с выражением (6).It can be seen from the above expression that with a change in L1 and L2, which in our case will be caused by the wear of the product and a corresponding decrease in the length of the fiber optic sensors, the amount of wear and temperature of the product under friction 8 1 and 8 2 (L2 decreases, then L1 decreases), will occur a change in their reflectometric response in accordance with expression (6).
Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 выполнены на основе интерферометра Фабри-Перо, построенного с использованием брэгговских решеток.The intra-fiber optical sensors for wear and temperature during friction 8 1 and 8 2 are based on a Fabry-Perot interferometer built using Bragg gratings.
Интерферометр Фабри-Перо, построенный с использованием брэгговских решеток представляет собой две последовательно расположенные идентичные ВБР, расстояние
В этом случае внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 формируют рефлектометрический отклик с амплитудой А на центральной резонансной длине волны λМ, которая является функцией от его длины L:In this case, the intra-fiber optical sensors of the wear and temperature of the product during friction 8 1 and 8 2 form a reflectometric response with amplitude A at the central resonant wavelength λ M , which is a function of its length L:
где: R1=tanh2(k⋅L1) - коэффициент отражения первой ВБР 81, R2=tanh2(k⋅L2) - коэффициент отражения второй ВБР 82, k - коэффициент связи ВБР, который для однородных ВБР постоянен,
Из приведенного выражения видно, что при изменении L1 и L2, которое в нашем случае будет вызвано износом изделия и соответствующим уменьшением длины внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 (последовательно уменьшается L2, затем L1), будет происходить изменение их рефлектометрического отклика в соответствии с выражением (7).It can be seen from the above expression that with a change in L1 and L2, which in our case will be caused by the wear of the product and a corresponding decrease in the length of the fiber optic sensors, the amount of wear and temperature of the product under friction 8 1 and 8 2 (L2 decreases, then L1 decreases), will occur a change in their reflectometric response in accordance with expression (7).
Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 выполнены на основе брэгговских решеток, настроенных на одну рабочую длину волны.The intra-fiber optical sensors of the amount of wear and temperature of the product during friction 8 1 and 8 2 are made on the basis of Bragg gratings tuned to one working wavelength.
В этом случае внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 формируют рефлектометрический отклик с амплитудой А на центральной резонансной длине волны λМ, которая является функцией от его длины Li (i=1..j, j≥2):In this case, the intra-fiber optical sensors of the wear and temperature of the product during friction 8 1 and 8 2 form a reflectometric response with amplitude A at the central resonant wavelength λ M , which is a function of its length L i (i = 1..j, j≥ 2):
где: R=tanh2(k⋅Li) - коэффициент отражения единичной ВБР с длиной Li (в нашем случае Li может принимать значения L1 и L2), k - коэффициент связи ВБР, который для однородных ВБР постоянен, j - количество решеток (j≥2), i=1..j - ее порядковый номер.where: R = tanh 2 (k⋅L i ) is the reflection coefficient of a single FBG with length L i (in our case, L i can take the values L1 and L2), k is the coupling coefficient of FBG, which is constant for homogeneous FBGs, j is the number lattices (j≥2), i = 1..j is its serial number.
Из приведенного выражения видно, что при изменении Li, которое в нашем случае будет вызвано износом изделия и соответствующим уменьшением длины внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 (в простейшем случае, когда i=2 последовательно уменьшается L2, затем L1), будет происходить изменение амплитуды их рефлектометрического отклика в соответствии с выражением (8).It can be seen from the above expression that with a change in L i , which in our case will be caused by the wear of the product and a corresponding decrease in the length of the fiber-optic optical sensors, the wear and temperature of the product during friction are 8 1 and 8 2 (in the simplest case, when i = 2 decreases L2 , then L1), the amplitude of their reflectometric response will change in accordance with expression (8).
Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 выполненные на основе брэгговских решеток, настроенных на разные рабочие длины волн, при этом широполосный источник непрерывного лазерного излучения 1 имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 на основе брэгговских решеток, лежащего в спектральном диапазоне всех его рабочих длин волн во всем диапазоне измеряемых температур.Intra-fiber optical sensors of wear and temperature during friction of 8 1 and 8 2 based on Bragg gratings tuned to different operating wavelengths, while the broadband source of
В этом случае внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 формируют рефлектометрические отклики i-ой ВБР с амплитудой Ai на центральной резонансной длине волны
где Li - длина i-ого внутриволоконного оптического датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82, k - коэффициент связи ВБР, который для однородных ВБР постоянен.where L i is the length of the i-th fiber optic sensor of wear and temperature during friction 8 1 and 8 2 , k is the FBG coupling coefficient, which is constant for homogeneous FBGs.
Из приведенного выражения видно, что при изменении Li, которое в нашем случае будет вызвано износом изделия и соответствующим уменьшением длины i-ого внутриволоконного оптического датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 (последовательно уменьшается L2, затем L1), будет происходить изменение амплитуды Ai рефлектометрического отклика на центральной резонансной длине волны
Таким образом, рефлектометрический отклик внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 через измерительный волоконно-оптический световод 3, первый и второй выход циркулятора 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируются Ai - измеренная амплитуда на центральной резонансной длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82. Полученная информация поступает в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, в котором по полученным значениям Ai, заложенным значениям постоянных коэффициентов, в соответствии с выражениями (6)-(9) (для каждого примера реализации соответственно) из (1) определяется величина износа ΔR изделия при трении, полученное значение поступает на устройство отображения информации (на фиг. 1 устройство отображения информации не показано).Thus, the OTDR response vnutrivolokonnyh optical sensors wear quantity and temperature of the product during friction August 1 and 8 2 through the measuring
Рассмотрим работу устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении по его второму варианту (фиг. 2).Consider the operation of the device for measuring the amount of wear and temperature of the product during friction in its second embodiment (Fig. 2).
Подключают компоненты схемы согласно фиг. 2, подключают широкополосный источник непрерывного лазерного излучения 1, детектор 5 и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6 к источникам питания (система электропитания на фиг. 2 не показана), осуществляют запись программы обработки сигнала согласно алгоритму, приведенному на фиг. 3 в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6. В изделии 7 располагают второй конец измерительного волоконно-оптического световода 3 и второй отрезок измерительного волоконно-оптических световода 11 таким образом, что на участке длиной L3 второго конца измерительного волоконно-оптического световода 3, расположенного в изделии 7, сформирован, как минимум, один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки 83, расположенный на глубине H3 так, что он перекрывает участок
Для измерения температуры в устройстве для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по второму варианту) излучение от широкополосного источника непрерывного лазерного излучения 1 через циркулятор 2 и разветвитель 9, поступает на первый и второй отрезки измерительных волоконно-оптических световодов (10 и 11 соответственно) и через них во внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83.To measure the temperature in a device for measuring the amount of wear and temperature of a product due to friction (in the second embodiment), the radiation from a broadband source of
Рефлектометрический отклик внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83. через первый и второй отрезки измерительных волоконно-оптических световодов (10 и 11 соответственно), разветвитель 9, измерительный волоконно-оптический световод 3, первый и второй выход циркулятора 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируется λМ - измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83. Полученная информация поступает в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, в котором по полученным значениям λМ, заложенным калибровочным значениям λ, ТС, Δλ/ΔT и в соответствии с (5) определяется температуры изделия 7 при трении, в точке, в которой установлен конкретный внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83. Полученное значение поступает на устройство отображения информации (на фиг. 2 устройство отображения информации не показано).OTDR response of intra-fiber optical sensors of wear and temperature during friction 8 1 , 8 2 and 8 3 . through the first and second segments of measuring the fiber-optic light guides (10 and 11 respectively), a splitter 9, the measuring
Рассмотрим алгоритмы, по которым осуществляется определение износа в устройстве для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по второму варианту) для различных примеров реализации устройства.Consider the algorithms that determine the wear in the device for measuring the amount of wear and temperature of the product during friction (in the second embodiment) for various examples of the device.
Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 выполнены на основе брэгговских решеток, настроенных на одну рабочую длину волны.The intra-fiber optical sensors of the wear and temperature of the product during friction 8 1 , 8 2 and 8 3 are made on the basis of Bragg gratings tuned to one working wavelength.
Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 формируют рефлектометрический отклик с амплитудой А на центральной резонансной длине волны λМ, которая является функцией от его длины Li (i=1..m, m≥3):The intra-fiber optical sensors of the wear and temperature of the product during friction of 8 1 , 8 2 and 8 3 form a reflectometric response with amplitude A at the central resonant wavelength λ M , which is a function of its length L i (i = 1..m, m≥ 3):
где: R=tanh2(k⋅Li) - коэффициент отражения единичной ВБР с длиной Li, k - коэффициент связи ВБР, который для однородных ВБР постоянен, k - количество решеток (m≥3), i=1..m - ее порядковый номер.where: R = tanh 2 (k⋅L i) - the reflectance of the unit FBG of length L i, k - FBG coupling coefficient which is constant for a uniform FBG, k - number of grids (m≥3), i = 1..m - its serial number.
Из приведенного выражения видно, что при изменении Li, которое в нашем случае будет вызвано износом изделия 7 и соответствующим уменьшением длины внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 (в простейшем случае, когда i=3 последовательно уменьшается L2, затем L3, затем L1), будет происходить изменение амплитуды их рефлектометрического отклика в соответствии с выражением (11).It can be seen from the above expression that, when L i changes, which in our case will be caused by the wear of the
Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83, настроены на разные рабочие длины волн, при этом широкополосный источник непрерывного лазерного излучения 1 выполнен так, что имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 на основе брэгговских решеток, лежащего в спектральном диапазоне всех его рабочих длин волн во всем диапазоне измеряемых температур.The intra-fiber optical sensors for wear and temperature during friction of 8 1 , 8 2 and 8 3 are tuned to different operating wavelengths, while the broadband source of
В этом случае внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 формируют рефлектометрические отклики i-ой ВБР с амплитудой Ai на центральной резонансной длине волны
где Li - длина i-ого внутриволоконного оптического датчика величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83, k - коэффициент связи ВБР, который для однородных ВБР постоянен.where L i is the length of the i-th fiber optic sensor of wear and temperature during friction 8 1 , 8 2 and 8 3 , k is the FBG coupling coefficient, which is constant for homogeneous FBGs.
Из приведенного выражения видно, что при изменении Li, которое в нашем случае будет вызвано износом изделия 7 и соответствующим уменьшением длины i-ого внутриволоконного оптического датчика величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 (последовательно уменьшается L2, затем L3, затем L1), будет происходить изменение амплитуды Ai рефлектометрического отклика на центральной резонансной длине волны
Таким образом, рефлектометрический отклик внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 через первый и второй отрезки измерительных волоконно-оптических световодов 10 и 11 соответственно, разветвитель 9, измерительный волоконно-оптическом световод 3, первый и второй выход циркулятора 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируются Ai - измеренная амплитуда на центральной резонансной длина волны
Преимущества использования внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 заключаются в уникальном преобразовании измеряемой температуры в смещение длин волн, отраженного от них излучения, и в возможности простого изготовления. При этом сами внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 являются неотделимой частью измерительного волоконно-оптического световода.The advantages of using intra-fiber optical sensors for wear and temperature during friction of 8 1 , 8 2 and 8 3 are the unique transformation of the measured temperature into a shift in the wavelengths of the radiation reflected from them, and in the possibility of simple manufacturing. In this case, the intra-fiber optical sensors of the amount of wear and temperature of the product during friction 8 1 , 8 2 and 8 3 are an integral part of the measuring optical fiber.
Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по двум вариантам) может быть реализовано с использованием различных типов измерительных волоконно-оптических световодов 3, 10 и 11 и передающих волоконно-оптических световодов 4, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач: диапазона измеряемых температур, физико-химических свойств изнашиваемого материала и т.д. Это могут быть кварцевые, германиевые, полимерные, сапфировые и др. волоконно-оптические световоды. Во всех указанных волоконно-оптических световодах могут быть сформированы внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83.A device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction (according to two options) can be implemented using various types of measuring fiber optic
Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по двум вариантам) может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм:A device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction (according to two options) can be implemented on the following elements, designed to operate at a wavelength of 1550 nm:
- широкополосный источник непрерывного лазерного излучения 1 SLD-1550-3 - лазерный диод фирмы «Superlum»;- a broadband source of
- циркулятор 2 - циркулятор 3PIOC-1550 фирмы «Flyin»;- circulator 2 - circulator 3PIOC-1550 company "Flyin";
- измерительный волоконно-оптический световод 3 (10 и 11) и передающий волоконно-оптический световод 4 - волоконно-оптический световод SMF-28 фирмы «Corning»;- measuring fiber-optic fiber 3 (10 and 11) and transmitting fiber-optic fiber 4 - fiber optic fiber SMF-28 from Corning;
- внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 81, 82 и 83 на основе волоконных брэгговских решеток записанных на волокне SMF-28 в НЦВО «Фотоника» (Москва), НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), Инверсия-Файбер (Новосибирск), Инверсия-Сенсор (Пермь) и т.д., либо покупные датчики этих фирм и фирмы FiberSensing;- intra-fiber optical sensors of wear and temperature of the product during friction of 8 1 , 8 2 and 8 3 based on fiber Bragg gratings recorded on SMF-28 fiber in the Scientific Center for Higher Education “Photonika” (Moscow), SRI PREFFS KNITU-KAI (Kazan), Inversion- Fiber (Novosibirsk), Inversion Sensor (Perm), etc., or purchased sensors from these firms and FiberSensing;
- детектор 5 - LSIPD-I75-FA волоконно-оптический InGaAs PIN фотоприемник фирмы IFP;- detector 5 - LSIPD-I75-FA fiber-optic InGaAs PIN photodetector company IFP;
- контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.- a controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction; 6 - a microprocessor controller based on chips from Atmel, Microchip, etc.
При реализации устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении (по двум вариантам) все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.When implementing a device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction (in two versions), all of the indicated blocks for generating, receiving and processing signals can be performed on a single chip or in an integral design.
По сравнению с устройством по прототипу, использование, как минимум, двух последовательно расположенных внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 позволяет увеличить диапазон непрерывного измерения величины износа изделия 7 (кратно числу сформированных внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении), по сравнению с единичной ВБР, имеющей длину 5-30 мм, а размещение внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры при трении на основе брэгговской решетки 81-83 в изделии 7 таким образом, что один внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении на основе брэгговской решетки 83, расположен так, что он перекрывает участок второго отрезка измерительного волоконно-оптического световода 11, не занятый его, как минимум, двумя внутриволоконными оптическими датчиками величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 на основе брэгговских решеток, а участки второго конца измерительного волоконно-оптического световода 3, не занятые его, как минимум, одним внутриволоконным оптическим датчиком величины износа и температуры изделия при трении 83 на основе брэгговской решетки, перекрываются участками второго отрезка измерительного волоконно-оптического световода 11, на котором сформированы, как минимум, два, внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 и 82 на основе брэгговских решеток, позволяет избавиться от «мертвой зоны» - участка второго отрезка измерительного волоконно-оптического световода 11, на котором нет внутриволоконного оптического датчика величины износа и температуры изделия при трении 81 или 82.Compared with the prototype device, the use of at least two in-line optical fiber sensors of the amount of wear and temperature of the product under friction 8 1 and 8 2 allows you to increase the range of continuous measurement of the amount of wear of the product 7 (multiple of the number of formed fiber-optic optical sensors of the amount of wear and temperature friction products), compared with a single FBG, having a length of 5-30 mm, and the placement of fiber-optic intra-fiber sensors of wear and temperature during friction Nove Bragg grating August 1 -8 3 in item 7 in such a way that one optical sensor vnutrivolokonny the wear and temperature of the product when rubbing a Bragg grating August 3, it is disposed so that it overlaps the second segment of the measuring portion of the fiber optic light guide 11, not occupied by at least two intra-fiber optical sensors of the amount of wear and temperature of the product during friction 8 1 and 8 2 based on Bragg gratings, and sections of the second end of the measuring optical fiber 3, not occupied e First, with at least one intra-fiber optical sensor, the values of wear and temperature during friction 8 3 based on the Bragg grating are overlapped by sections of the second segment of the measuring optical fiber 11, on which at least two intra-fiber optical sensors are used for the values of wear and temperature in friction products August 1 and 8 2 based on Bragg gratings, eliminates the "dead zone" - portion of the second segment of the measuring fiber optic light guide 11, on which there vnutrivolo onnogo optical sensor the wear and temperature of the product during friction August 1 or 2 August.
Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи (технического результата) - существенном увеличении диапазона непрерывного измерения величины износа изделия 7 без существенного усложнения конструкции устройства.All this allows us to talk about achieving a solution of the technical problem (technical result) - a significant increase in the range of continuous measurement of the wear of the
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016124956A RU2631082C1 (en) | 2016-06-21 | 2016-06-21 | Device for measuring wear amount and temperature of product at friction (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016124956A RU2631082C1 (en) | 2016-06-21 | 2016-06-21 | Device for measuring wear amount and temperature of product at friction (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2631082C1 true RU2631082C1 (en) | 2017-09-18 |
Family
ID=59893973
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016124956A RU2631082C1 (en) | 2016-06-21 | 2016-06-21 | Device for measuring wear amount and temperature of product at friction (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2631082C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU179264U1 (en) * | 2017-11-14 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) | FIBER OPTICAL THERMOMETER |
| CN114235743A (en) * | 2021-12-20 | 2022-03-25 | 武汉理工大学 | Hydrogen detection device based on phase shift grating temperature compensation technology |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2282142C1 (en) * | 2004-12-28 | 2006-08-20 | Закрытое акционерное общество ЦНИТИ "Техномаш-ВОС" (ЗАО ЦНИТИ "Техномаш-ВОС") | Fiber-optic deformation sensor |
| RU2427795C1 (en) * | 2009-12-03 | 2011-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of measuring deformation of structures made from composite materials |
| WO2012005904A1 (en) * | 2010-06-29 | 2012-01-12 | Lenterra, Inc. | Shear stress measurement apparatus |
| RU2538076C2 (en) * | 2012-05-31 | 2015-01-10 | Кид Текнолоджис, Инк. | Fibre-optic sensor system |
-
2016
- 2016-06-21 RU RU2016124956A patent/RU2631082C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2282142C1 (en) * | 2004-12-28 | 2006-08-20 | Закрытое акционерное общество ЦНИТИ "Техномаш-ВОС" (ЗАО ЦНИТИ "Техномаш-ВОС") | Fiber-optic deformation sensor |
| RU2427795C1 (en) * | 2009-12-03 | 2011-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of measuring deformation of structures made from composite materials |
| WO2012005904A1 (en) * | 2010-06-29 | 2012-01-12 | Lenterra, Inc. | Shear stress measurement apparatus |
| RU2538076C2 (en) * | 2012-05-31 | 2015-01-10 | Кид Текнолоджис, Инк. | Fibre-optic sensor system |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU179264U1 (en) * | 2017-11-14 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) | FIBER OPTICAL THERMOMETER |
| CN114235743A (en) * | 2021-12-20 | 2022-03-25 | 武汉理工大学 | Hydrogen detection device based on phase shift grating temperature compensation technology |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gholamzadeh et al. | Fiber optic sensors | |
| EP2976603B1 (en) | Brillouin optical distributed sensing device and method with improved tolerance to sensor failure | |
| US7539361B2 (en) | Fiber optic device for measuring a parameter of interest | |
| US11353367B2 (en) | Fibre optic temperature measurement | |
| AU2011354653B2 (en) | Sensor array configuration for swept-wavelength interferometric-based sensing systems | |
| CN210089716U (en) | Multi-parameter synchronous sensing acquisition instrument based on multi-core optical fiber sensing | |
| Zhou et al. | Simultaneous strain and temperature measurement with fiber Bragg grating and multimode fibers using an intensity-based interrogation method | |
| BR112019014338B1 (en) | APPARATUS AND METHOD FOR LOCATING A MEASUREMENT ANOMALY ALONG AN OPTICAL WAVEGUIDE | |
| RU170835U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION | |
| US11391645B2 (en) | Birefringent multi-peak optical reference element and birefringent sensor system | |
| RU2631082C1 (en) | Device for measuring wear amount and temperature of product at friction (versions) | |
| RU2557577C1 (en) | Measuring device of value of wear and temperature of product at friction | |
| RU166821U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION | |
| CN119197607B (en) | A multi-parameter distributed optical fiber sensing system and method based on chirped pulses | |
| RU2413259C1 (en) | Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide | |
| RU150177U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION | |
| Nurulain et al. | A Review on Optical Fibre Sensor Topology and ModulationTechnique | |
| RU2491523C1 (en) | Fibre-optic thermometer | |
| Gassino et al. | Characterization of fiber optic distributed temperature sensors for tissue laser ablation | |
| Magalhães et al. | Curvature sensor based on a long-period grating in a fiber ring resonator interrogated by an OTDR | |
| Kuznetsov et al. | FBG based brush length sensors for onboard measurement systems | |
| Kaplan et al. | Simultanous measurement of temperature and strain based on HiBi FBG using OFDR | |
| Kalinowski et al. | Multiplexed fiber optic Bragg grating sensors for strain and temperature measurements in power systems | |
| Smith et al. | Simultaneous strain and temperature measurement using a Brillouin-scattering-based distributed sensor | |
| Urakseev et al. | Differential Fiber Optic Sensor Based on Bragg Gratings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190622 |