Датчик износа и температуры изделия на основе волоконно-оптического чувствительного элемента

Для устранения описанного недостатка в качестве контрольных проводников могут быть использованы оптические волокна. В работе [4] описано устройство, состоящее из петель оптических волокон, расположенных в области износа. Каждая петля образует контур, с источником оптического излучения на одном конце и детектором на другом. По мере износа происходит последовательный обрыв одной или нескольких петель, что фиксируется аппаратурой. Такая конструкция требует большого числа размешенных в изделии петель оптического волокна, а также наличие входных и выходных волокон для них. Другим недостатком является невозможность контроля температуры, а также пороговый характер измерения износа.

Проведенный анализ показал, что на практике существуют лишь раздельные методы определения износа и температуры. Устройство, осуществляющее одновременное определение указанных параметров, представлено в работе [1], его основной элемент – отрезок оптического волокна, конец которого заложен на глубине равной или меньшей, чем до трущейся поверхности. На торец волокна, расположенный в изделии, нанесен переизлучающий материал – фосфор. Импульсный лазерный источник возбуждает в фосфоре люминесценцию, имеющую длину волны отличную от источника возбуждения. Прием- ная аппаратура способна различать спектральные и амплитудные изменения в отклике с датчика. Изменение амплитуды связано с отражением света от переизлучающего материала, интенсивность которого зависит от степени его истирания. Изменения в спектре отраженного сигнала определяются зависимостью длины волны люминесценции от температуры материала. Очевидный недостаток данного метода – сложность, также используется относительно небольшая толщина переизлучающего материала, что приводит к необходимости использования нескольких волокон, расположенных в изделии на различных глубинах, для обеспечения заданного диапазона измерений величины износа.

В работе [5] представлен метод определения износа с использованием оптического волокна. Оптическое излучение поступает в волокно, отражается от его конца и распространяется по тому же волокну в обратном направлении. Отрезок волокна истирается одновременно с изделием, что приводит к уменьшению отражающего участка. Сложность метода связана с необходимостью анализа отклика от истирающейся поверхности, имеющей различную отражательную способность, а также применение интерферометрических методов для исключения опорных измерительных каналов, построенных на элементах объемной оптики. Для измерения температуры используется волоконная решетка Брэгга (ВРБ), встроенная параллельно основному волокну.

В работе представлен ВРБ-датчик для измерения величины износа щеток электродвигателя, также возможно проводить измерения температуры щетки, скорости оборотов двигателя, осуществлять контроль плотности прилегания щетки к ротору электродвигателя (определять «отскок» щетки от ламелей). Впервые (с точки зрения коллектива авторов) представлена возможность измерения износа изделия путем определения длины встроенной в него ВРБ и использование мультипликативного характера отклика для измерения остальных параметров.

Одновременное определение величины износа и температуры на основе мультипликативного отклика ВРБ. Предложенный метод основывается на широко известной зависимости центральной длины волны ВРБ от температуры и редко используемой связью длины ВРБ L с ее откликом [6]. Зависимость центральной длины волны отражения ВРБ от температуры [6]:

^ FBG = ² n eff ^Лх

где n _eff - эффективный показатель преломления, Л - период ВРБ, А Т - изменение температуры. Типовое значение смещения длины волны: ~0,01 nm/°K. Профиль спектра отражения ВРБ в зависимости от длины ВРБ L и расстройки 8 [7]:

sinh² K L V1 ^- ( ⁸/к ) ²

R =

cosh^{2 K} L 7^{1 -(8}/^к ) ²

,

- ( 8/к ) ²

где к - коэффициент связи падающей и отраженной волны, ( ^к ) - относительная расстройка, которая для ВРБ с периодом Л составляет: S = ^ - (л, Л ) , где Q = 2 ft n _ef [Л .

В качестве чувствительного элемента может быть использована длиннопериодная волоконная решетка. Профиль спектра пропускания в зависимости от длины L и расстройки 8 , выглядит следующим образом [7]:

cos² к ⁽ m ⁾ L^ 1 + (j ⁽ m ⁾/ к ⁽ m ⁾ ) ² + ( j ⁽ m ⁾/ к ⁽ m ⁾ ) ²

1 + (j(m)/к(m ))2                    , где m – – номер связываемой оболочечной моды.

Температурная чувствительность длинно-периодной решетки зависит от числа связанных оболочечных мод и обычно составляет величину ~0,05…0,1 nm/°K. Отношение, характеризующее температурную чувствительность, представлено как [6]:

1 Э ( а n _eff )    1 ЭЛ

АЛррс  А n_eff  Э Т    ЛЭ Т

—LPFG = — ^ejL—r-i ---г—V А Т . (4)

A _LPF g     1 -Л ( э ( а п _е5^ ЭЛ)       ^{k 7}

В работе описаны оба типа волоконных решеток.

Результаты моделирования. Для демонстрации изменений спектра ВРБ представлена зависимость коэффициента отражения для различных длин (рис. 1 а-в). Эффективный индекс показателя преломления для фундаментальной моды принят за 1,5. Период решетки был выбран таким образом, чтобы центральная длина волны отражения ВРБ составляла 1500 нм. Первоначальная длина решетки L = 5 mm, kL = 0,38. В ходе численного моделирования спектрального отклика ВРБ изменялась длина решетки. В результате получена зависимость коэффициента отражения и ширины спектра ВРБ от ее длины (рис. 1г). Моделирование проводилось в программном пакете Mathcad. На основании полученных данных можно сделать вывод, что с уменьшением длины ВРБ происходит снижение коэффициента отражения и уширение профиля.

Для демонстрации изменений спектра длиннопериодной решетки, представлена зависимость коэффициента пропускания от длины решетки (рис. 2 а-в). Различие между коэффициентами преломления оболочки и сердцевины Δ n_eff = 0,02. Длина решетки L = 10 mm, период - Л lpfg =122 ц т. Для изучения характеристик решетки было принято значение параметра k L = π/2.

а)

б)

Рис. 1. Спектральные характеристики ВРБ:

а – профиль отражения ВРБ длиной 5 мм; б – профиль отражения ВРБ длиной 4 мм; в – профиль отражения ВРБ длиной 2 мм; г – коэффициент отражения R и полная ширина на полувысоте от максимума (FWHM) r в зависимости от длины ВРБ L

В ходе численного моделирования спектрального отклика длиннопериодной решетки изменялась ее длина. В результате получена зависимость коэффициента отражения (не пропускания) и ширины спектра от длины структуры (рис. 2г), R=1-T. Полученная численная модель была апробирована в программном пакете Optisystem. В качестве широкополосного источника использовался компонент «White Light Source», также в эксперименте использовалась ВРБ «Bragg grating» и оптический анализатор спектра «Optical spectrum analyzer». Структура длиннопериодной решетки была предварительно смоделирована в программном пакете Optigrating. Полученные данные совпадают с результатами численного моделирования.

Практическая реализация датчика. Блок схема измерительной системы представлена на рис. 3, внешний вид щетки электродвигателя со встроенным ВРБ-датчиком износа и температуры – на рис. 4.

22xl0"6       2_3xl0~6       24х10"6 Z5xlO~6 26xlO"6

г)

Рис. 2. Спектральные характеристики длиннопериодной волоконной решетки: а – профиль пропускания решетки длиной 10 мм; б – профиль пропускания решетки длиной 5 мм; в – профиль пропускания решетки длиной 2 мм; d – коэффициент отражения R и FWHM r в зависимости от длины решетки L

Для измерения величины износа изделия источник 1 лазерного излучения генерирует непрерывное излучение, которое через светоделитель 2 поступает на измерительный волоконнооптический световод 3 и через него на внутриво-локонный оптический датчик 7, отклик которого через измерительный волоконно-оптический световод 3, первый и второй выход светоделителя 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируется амплитуда рефлектометрическо-го отклика. Полученная информация поступает в контроллер 6, в котором по полученным значениям амплитуды определяется величина износа изделия при трении.

Рис. 3. Блок-схема измерительной системы

Рис. 4. Внешний вид датчика

Метод опроса датчика. Основными измеряемыми параметрами ВРБ и длиннопериод-ной решетки являются центральная длина волны (определение температуры), добротность и коэффициент отражения/пропускания (определение износа). Предлагаемый метод опроса датчика может быть основан на двухчастотном зондировании, подробно описанном в работах [8-9]. Следует отметить, что в том случае, если центральная частота двухчастотного сигнала совпадает с резонансной длиной волны датчика, огибающая выходного сигнала совпадает по фазе с двухчастотными колебаниями на входе датчика и коэффициент модуляции выходного двухчастотного сигнала принимает максимальное значение равное 1. Определяя центральную частоту двухчастотного сигнала, можно определить и добротность датчика. Для этого предложен метод вариации разностной частоты [10], основанный на соотношении:

^Q 1,2

^ FBG

f 1 - f 2^

^ out ( v fbg )

iout1,2

- 1,

где i out {_v F_BG ) и i out 1,2 - амплитуды центральной

частоты и компонент двухчастотного сигнала на выходе фотоприемника, когда центральная частота и составляющие f ₁ и f ₂ настроены на центр спектральной характеристики. Значения i _out1,2 определяются по выходным сигналам фотоприемника, параметр i _out ( _v FBG ) не известен. Если произвести замену: A f = f l - f 2 на некоторую величину A f , не меняя положение зондирующего сигнала на центре спектральной характеристики, получим новые значения частот ^f з = f l ^{- A f} и f 4 = f 2 + A f . Для частот f 3 и f ₄ перепишем выражение (5) как

Q34 =

^V FBG

i v FBG

f 3 - f 4 4 i 3,4

- 1.

Поскольку Q₁₂ = Q _{3 4} , путем совместного решения уравнений (5) и (6) получим i _out ( _v FBG ) затем, подставляя это значение в любое из выражений получим значение добротности датчика и его параметр FWHM, на основании чего будет определена величина износа.

Рис. 5. Нормированные характеристики зависимости коэффициента отражения R и FWHM r от длины ВРБ L

Описанный метод был реализован экспериментально в лаборатории научно-образовательного центра «Волоконно-оптические технологии» КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева. Результаты эксперимента по истиранию щетки со встроенным волоконно-оптическим датчиком износа представлены на рис. 5.

Выводы: в работе описан волоконнооптический датчик износа и температуры изделия при трении (на примере щетки электродвигателя), в основе которого – мультипликативный отклика ВРБ и длиннопериодной решетки, а также методы двухчастотного зондирования. Можно проводить измерения температуры щетки, скорости оборотов двигателя, осуществлять контроль плотности прилегания щетки к ротору электродвигателя (определять «отскок» щетки от ламелей). Впервые (с точки зрения коллектива авторов) представлена возможность измерения износа изделия путем определения длины встроенной в него ВРБ и использование мультипликативного характера отклика для измерения остальных параметров. Описанный метод имеет высокое разрешение и отношение сигнал/шум, простые алгоритмы определения центральной длины волны отражения датчика для измерения температуры; добротности (FWHM), максимального коэффициента отражения (пропускания) – для определения износа. Область применения данного датчика – элементы щеточноколлекторного узла электродвигателя. Также он может быть использован для большинства трущихся поверхностей, например, тормозных колодок автомобиля.

Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания Минобрнауки РФ на выполнение НИР в КНИТУ-КАИ на 2014-2016 годы (программа «Радиофотоника», З.1962.2014/К).