Тензодатчики деформации и акселерометры FBG-технологии с волоконно-оптической связью

Преимущества и возможности применения оптоволоконных измерительных систем

В начале ХХI века компания Scaime продемонстрировала успешный вывод технологии Fiber Optic Bragg Grating (FBG) на рынок структурного мониторинга строительных объектов и инженерных сооружений. В строительной сфере, судостроении, транспортной инфраструктуре и промышленных инновациях в разных сферах, включая мосто- и тоннелестроение, железнодорожную отрасль, морские и речные шлюзы, а также мощные прессы, электроэнергетику, волоконно-оптическим датчикам практически нет замены. Оптоволоконные датчики деформации и устройства на их основе применяются для контроля деформации шельфовых нефтяных платформ, проверки целостности буровой вышки после сильных внешних воздействий, таких как обледенение, волны, шторм и воздействие атмосферных молниевых разрядов. Кроме того, в составе оптоволоконных линий датчики контроля деформации и акселерометры обеспечивают сбор и корректную передачу динамически изменяющихся данных к устройствам контроллеров, анализаторов и хранения.

Все, что касается контроля и измерения деформации, угла отклонения, ускорения перемещений и даже, в отдельных случаях, температуры обеспечивается оптоволоконными датчиками – FBG-сенсорами. Преимущества волоконно-оптических датчиков (ВОД), волоконно-оптических акселераторов (ВОА) и систем на их основе по-разному определяются сферой применения. Наиболее наглядно зависимость контролируемых параметров от сферы применения представлена в табл. 1.

Эти особенности и перспективы подробно рассмотрены в [1] и [6]. И даже этот представленный перечень возможностей далеко не полон. К примеру, ВОД типа OBSG и др., кроме прочего, используются в локальных и передвижных конструкциях, в том числе в условиях повышенной вибрации и детонации. На рис. 1 представлен вид мощного ветрогенератора в пригороде Лаппенранты, вблизи российской границы [4].

Ветрогенераторы, установленные в Финляндии, уже много лет обеспечивают условно «бесплатную» электроэнергию в некоторых коммунах. Примерно такая же ситуация в Германии и Испании. Оптоволоконные датчики в лопастях ветрогенератора применяются как важный элемент системы контроля лопастей турбины. Несколько волоконно-оптических датчиков смонтированы внутри лопастей на этапе монтажа конструкции ветрогенератора. Оптические датчики способствуют измерению физической нагрузки на лопасть ветрогенератора в определенных местах – в непрерывном режиме. Электрические сигналы (изменение электрического тока) с ВОД поступают на программируемый логический контроллер типа MXD, преобразовываются в цифровой сигнал и анализируются в системе контроля наряду с полученными данными о скорости и направлении ветра, угле тангажа основной конструкции и т.д. Этот пример иллюстрирует рис. 2.

Контроль означенных параметров необходим для предупреждения аварийных ситуаций, выработки рекомендаций по эксплуатации и техническому обслуживанию оборудования. В том числе «необслуживаемого» и такого, доступ к которому на высоте, под водой и в иных сложных условиях ограничен.

Датчики деформации для волоконно-оптических линий

Тензометрический датчик с оптической решеткой Брэгга, с волоконной решеткой Брэгга или волоконно-оптический датчик (ВОА), датчик деформации для оптических волоконных линий – всё это тождественные понятия и один модельный ряд датчиков, отличаются они только параметрами – техническими характеристиками и форм-фактором. Тем не менее эти отличия в диапазонах измерения, точности, комбинированной погрешности, протяжённости оптоволоконных линий, в которых применяются датчики, в рабочих и критичных температурах и соединительных разъёмах, адаптерах (и др. параметрах) существенно влияют на их возможное применение разработчиками современной электроники. При этом параметры надёжности, устойчивости к раздавливанию – всё то, что связано с особенностью неразборного корпуса датчика: устойчивость к циклической усталости, отсутствие чувствительности к электромагнитным помехам и коррозии, безопасность от взрывов корпуса – являются общими для всего модельного ряда. К тому же типу датчиков относятся волоконно-оптические акселерометры (ВОА).

Принцип действия решётки Брэгга напоминает фильтрующее зеркало, отражающее излучение только строго определённой длины волны. Для всей остальной части оптического спектра решётка «прозрачна». Этот принцип подробно описан и иллюстрирован в материале [2]. Упрощённо принцип работы можно объяснить так: перестраиваемый лазер излучает различные длины волн (цвета) в оптическое волокно. Когда испускаемый свет встречает «брэгговскую решетку» с той же длиной волны, световой поток отражается на чувствительное фотореле, сигнализирующее при его присутствии, – так определяется длина волны. Механические напряжения в волокне или изменениях температуры пропорционально изменяют отражающийся от решетки сигнал. Отсюда оправдано подключение по одному волокну сразу нескольких датчиков, чувствительных к разным диапазонам длины волны.

Производители изготавливают датчики деформации для волоконно-оптических линий из эпоксидно-стекловолоконного композиционного материала и армированного стекловолокном пластика, что делает их удобными в монтаже и эксплуатации, а параметр надёжности определяется сроком службы свыше 20 лет. В неразборной и неремонтопригодной конструкции датчика буквально «нечему ломаться». Поскольку обновление линейки электронного оборудования в современных реалиях происходит значительно скорее – по срокам условного апгрейда, компонент РЭА с означенными характеристиками соответствует требованиям разработчиков с условным названием «смонтировал и забыл», ибо регламента и обслуживания в типичном смысле не предусмотрено.

Датчики деформации монтируются жёстким способом к конструкции с помощью клея, что обеспечивает не только надёжность работы компонента и модулей, с ним связанных, в различных, в том числе агрессивных средах, но и качественную, «идеальную» – как её позиционируют разработчики – передачу нагрузки между обрабатываемым элементом и решёткой Брэгга, применяемой к волокну при его включении в композитную матрицу.

После монтажа-склеивания датчики соединяются последовательно с помощью адаптера, обеспечивающего непрерывность оптического волокна. Поскольку потери сигнала с таким инженерным решением минимальны, а собственное затухание оптического волокна незначительно, датчики деформации для волоконно-оптических линий могут быть распределены на очень большие расстояния (несколько километров). Поскольку оптические системы – это проектные решения под конкретного заказчика, номенклатура электронных компонентов компании Scaime весьма консервативна и представлена модельным рядом оптоволоконных датчиков и акселерометров типа OBEG, OBSG, OBSGW, OBLG, OBDI, OBTI, OBAS, OBTS, OBSG, OBSGW, OBEG, OBLG. Среди них:

Рассмотрим некоторые типы датчиков и акселерометров, часть которых разработана десять лет назад, однако они не потеряли актуальности; сегодня их можно встретить в качестве элементов современной электроники и оборудования практически во всех сферах, где применяются электронные конструкции, но более всего в системах оптоволоконных линий связи. Европейская номенклатура обозначается ATEX 2014/34/EU, IECEx [5].

Оптический фиксированный датчик напряжения OBEG-120-HT

Датчик стабильно работает в условиях температурного диапазона –30...+180°C. Это обеспечено нанесением на его корпус защитного покрытия горячим способом при температуре около 200°C. Надёжное решение с выводом разъёмов с кольцевыми трубками из нержавеющей стали делает датчик устойчивым к собственным деформациям корпуса, раздавливанию под воздействием значительных внешних сил, а «заливка» корпуса позволяет применять его даже в горячей смоле (гудроне). Оптоволоконный датчик комплектуется кабелем для адаптации к сети и коммуникации.

На рис. 3 представлен внешний вид датчика SCAIME – FT-OBEG-120-HT-FE-1117.

Датчик соединяется с многожильным оптическим кабелем Ø2,8 мм в защитной трубке (оплётке) с коммутацией к линии и электронному контроллеру в распределительной коробке (шкафу оборудования).

Технические характеристики датчика OBEG-120 представлены в табл. 2.

* Значение зависит от особенностей сбора данных.

Датчик детонации FT-OBSG-120-FE-1117 для оптоволоконных линий

Отличительные свойства оптоволоконных датчиков FT-OBSG-120-FE-1117:

Оптоволоконный датчик FT-OBSG-120-FE-1117 представлен на рис. 4.

Его параметры сопоставимы с указанными в табл. 1. Дополнительные технические характеристики оптоволоконного датчика FT-OBSG-120-FE-1117 представлены в табл. 3.

* Значение зависит от особенностей сбора данных.

Аксессуары к оптическому фиксированному датчику напряжения SCAIME – FT-OBSG-120-HT-FE-1117 те же, что и в рассмотренном варианте выше (для FT-OBEG-120-HT-FE-1117). То же касается и форм-фактора, представленного на рис. 5. Размеры FT-OBSG-120-HT-FE-1117 незначительно отличаются от FT-OBEG-120-HT-FE-1117.

Волоконно-оптический акселерометр OBAC-002

Волоконно-оптические акселерометры (ВОА) по определению обеспечивают иные относительно ВОД функции и контроль параметров, хотя оба рассматриваемых типа основаны на одном принципе тензорезистивного контроля характеристик, деформации. Именно поэтому при монтаже ВОА применяют жёсткое крепление к контролируемой конструкции. Контролируемые параметры также отличаются ввиду принципа действия. Если ВОД (при сопоставимом диапазоне измерения ЕМ) в основном характеризуются чувствительностью и разрешением в значении мкм/м – см. табл. 3 и табл. 4, то ВОА по принципу своей работы характеризуются изменением в деформации конструкции и соответствующими параметрами контроля (площади, веса и т.д. в значении г/ч): актуальные сведения об этом представлены в табл. 4.

* Значение зависит от особенности сбора данных.

Так, волоконно-оптический акселерометр SCAIME – FT-OBAC-002-FE-0420 обеспечивает точное и надёжное измерение вибрации, измерение непрерывных ускорений, динамику ускорений. При этом ВОА отличает крайне низкая поперечная чувствительность, точное и надёжное измерение вибрации [3].

Монтажные планки на корпусе позволяют удобно монтировать акселерометр. Они могут быть привинчены или приварены к жёсткой конструкции (оборудованию). Форм-фактор ВОА OBAC-002 в двух видах представлен на рис. 6.

Монтажная пластина типа А (слева) или В (справа) в сочетании с многожильным оптическим кабелем расширяют возможности крепления устройства в разных конфигурациях.

На рис. 7 представлен внешний вид волоконно-оптического акселерометра OBAC-002 c видом на точки крепления для монтажа. Технические характеристики представлены в табл. 4.

Тензодатчики деформации OBDI

Оптический датчик перемещения OBDI обеспечивает точный контроль параметров и надёжное измерение смещения практически в любых конструкциях с жёстким основанием.
В бытовой сфере на основе рассматриваемого датчика автором неоднократно проводился мониторинг безопасности деревенского дома, который из-за длительной эксплуатации постепенно разрушался – увеличивалось смещение нижних венцов, а также части конструкций – пола, несущих стен и крыши. В этом случае датчик деформации (вариант – растяжения) устанавливают между двух расходящихся поверхностей, к примеру, основного дома и пристройки к нему.

* Значение зависит от особенностей сбора данных.

Точность фиксации смещения и высокая стабильность работы в условиях широкого температурного режима (см. табл. 5) обеспечена компенсацией температурного воздействия в технологии FBG с помощью решётки Брегга. По тому же принципу и в связи с высокой конструктивной чувствительностью тензометрического датчика смещения OBDI мы контролировали стабильность и разрушение кирпичных конструкций печей и несущих стен [4]. Применяя принцип действия датчика в относительно несложном по схемотехнике электронном устройстве, собрать которое способен каждый инженер и разработчик РЭА с помощью паяльника и нескольких дискретных элементов, уместно создать устройство, сигнализирующее при смещении контролируемых элементов конструкции и даже расширении трещин. Это то, что можно сделать буквально за пару часов [4]. Разумеется, в современных разработках электронных устройств, связанных с АЦП, анализом и хранением цифровых данных с помощью контроллеров и компьютерных систем с наглядной демонстрацией информации, с функциями ввода-вывода данных, применяются более сложные инженерные решения. Но на простом примере мы пояснили, что применение датчика OBDI, как и других, в том числе от Scaime, может носить прикладной и универсальный характер. Тензодатчик OBDI поставляется с платой и кронштейном для удобного крепления. Специальное исполнение позволяет применять датчик даже под водой и в относительно агрессивной среде. Примером тому является использование оптоволоконных датчиков деформации с длинной базой, погружённых на глубину 16 м на пирсе в Монако [1]. В табл. 5 представлены технические характеристики ВОД OBDI производства Scaime. На рис. 8 представлен внешний вид датчика смещения OBDI, а на рис. 9 – форм-фактор.

Экстензометр с длинной базой OBLG

Благодаря шаровым креплениям датчики OBLG удобно монтируются на все типы поверхностей, даже если они не идеально ровные. На рис. 10 представлен внешний вид датчика FT-OBLG-FE-0521 производства Scaime.

На рис. 11 представлены возможности монтажа датчиков FT-OBLG-FE-0521 с длинной базой на неровные поверхности.

Экстензометры – волоконно-оптические датчики FT-OBLG-FE-0521 с длинной базой и с высокой чувствительностью обеспечивают контроль растяжения и сжатия поверхностей, мониторинг динамических «напряжений» в несущих конструкциях и не только. Датчик соответствует классу защиты IP66, изготовлен из нержавеющей стали с возможностью монтажа на шаровых опорах в условиях несовершенных поверхностей.

В табл. 6 представлены технические характеристики экстензометра FT-OBLG-FE-0521 производства Scaime.

На рис. 12 представлен форм-фактор экстензометра FT-OBLG-FE-0521.

Экстензометр с длинной базой OBSGW-100

Кроме описанных выше применительно к экстензометру OBLG назначений контроля растяжения и сжатия, мониторинга физического напряжения в конструкциях, технических характеристик и особенностей, датчик с длинной базой FT-OBSGW100-FE-0918 предназначен для пайки (корпуса) или закрепления винтом. Этот датчик существенно отличает от предыдущего относительно малая длина – всего 10 см, поэтому он конструктивно предназначен для точного мониторинга в «малых средах» и участках конструкций.

В табл. 7 представлены технические характеристики экстензометра FT-OBSGW100-FE-0918 производства Scaime.

Внешний вид экстензометра FT-OBSGW100-FE-0918 представлен на рис. 13.

Датчик-измеритель наклона для волоконно-оптических линий OBTI

Внешний вид датчика, называемого также инклинометром, представлен на рис. 14, а форм-фактор с двумя вариантами крепления и монтажа – на рис. 15.

Как видно из рис. 15 и рис. 16, это датчик с поворотными (под шестигранный малый ключ) слотами для монтажа. В том числе благодаря этому датчик обеспечивает точное измерение отклонения угла. Эта функция применяется при мониторинге вертикальной устойчивости плотин, дамб, опор, мостов, туннелей, зданий и относительно малых конструкций. Высокая чувствительность и термостабильность в работе достигается внедрением решетки Брегга. Это один из немногих датчиков с собственным весом более 1 кг.

В табл. 8 представлены технические характеристики датчика-измерителя наклона для волоконно-оптических линий OBTI.

* Значение зависит от особенностей сбора данных.

Датчик температуры OBTS-100

Датчик температуры типа OBTS-100 с решёткой Брегга, реализованный, как и все рассматриваемые, по технологии Fiber Optic Bragg Grating (FBG) предназначен для измерения температуры с высокой точностью. Это также достигается за счёт технологии изготовления датчика. Дополнительные преимущества для разработчиков РЭА определяются отсутствием чувствительности к электромагнитным помехам и отсутствием возможности коррозии. Внешний вид датчика температуры FT-OBTS-100-FE-1117 представлен на рис. 16.

В табл. 9 представлены технические характеристики датчика-измерителя наклона для волоконно-оптических линий OBTI.

* +80…+100°С в пике – максимальная температура. 
** Значение зависит от особенностей сбора данных.

В завершение для разработчиков будет небезынтересна сводная таблица отличий рассмотренных выше датчиков, она представлена далее. Сводная табл. 10, в сути которой раскрываются отличия датчиков модельного ряда, представлена ниже.

В табл. 10 первые четыре типа: OBSG, OBSGW, OBEG, OBLG – датчики деформации (ВОД). Среди них:

Особенности разъёмных соединений ВОД, ВОА и электронных контроллеров

Современное поколение волоконно-оптических соединителей, предложенных разработчикам РЭА от Scaime, обеспечивает высокую надёжность функционирования оборудования, коммутации и экономичности решений для наружного и внутреннего применения. Такие электронные устройства широко используются в промышленности, авиации, гражданском и военном применении. Винтовой запорный механизм с простой и безопасной установкой, водонепроницаемость, пыленепроницаемость и устойчивость к коррозии, соответствие требованиям RoHS – лишь некоторые из рассматриваемых преимуществ.

Характеристики разъёмных соединений проверены в соответствии со следующими значениями и условиями [5]:

Выводы и перспективы

Как видно из приведённых сведений, рассмотренные датчики работают в широком спектре задач, диапазоне температур, а некоторые даже в сложных условиях погружения в жидкости (воду) и строительные растворы, некислотные смеси. ВОД и ВОА остаются незаменимыми в промышленности и быту вне зависимости от фирмы производителя. Однако на рассмотренных примерах фирмы Scaime наиболее чётко видна перспектива и особенности в сравнительном анализе всех аналогичных датчиков деформации поверхности, угла деформации, перемещения, наклона, экстензометров и акселерометров других производителей. По сути, принцип их действия сопоставим. Автор благодарит Александра Константинова за содействие в получении сведений о востребованной разработчиками РЭА продукции компании Scaime – проспектов на французском языке. Из изучения французской культуры и опыта сохранения памятников старины мы узнали, что в своё время в Пантеоне для мониторинга состояния здания установили 8 экстензометров с длинным основанием типа OBLG-1000 (длиной 1 м) и 6 датчиков температуры OBTS-100 – последние для устройств термокомпенсации экстензометров. Подключённые к электронному программируемому контроллеру MDX400T-R, сопряжённому с Campb, тензодатчики обеспечили высокоточный мониторинг состояния памятника архитектуры. Этот пример мы могли бы использовать в России, где пока техническая оснащённость для устройств мониторинга во многих сферах оставляет желать лучшего. Но ситуация поправима, если отечественные разработчики РЭА повысят внимание к тензодатчикам и устройствам мониторинга растяжения-сжатия с соединением по волоконно-оптическим линиям, в том числе по полевой шине CANopen.

Литература