УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ИЗНОСА И ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗДЕЛИЯ ПРИ ТРЕНИИ (ВАРИАНТЫ)

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 λ_i 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 A_i 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 λ_i, а так же амплитуды A_i рефлектометрического отклика.

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).

Недостатком прототипа является относительно небольшой диапазон измерения износа, приходящийся на один измерительный волоконно-оптический световод.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На фиг. 3 представлен алгоритм работы контроллера определения величины износа и температуры изделия при трении (общий для устройств по первому и второму вариантам).

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 измерительного волоконно-оптического световода 3 между ними, не занятым брэгговской решеткой, равным по длине, как минимум, одному ее периоду. Максимальное количество внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂ зависит от требуемого максимального диапазона измерения износа (так как каждый датчик осуществляет измерения только в заданном диапазоне), и, например, может быть равно двум.

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.

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.

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.

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.

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 второго отрезка измерительного волоконно-оптического световода 11, предназначенного для размещения в изделии 7, не занятого 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, предназначенного для размещения в изделии 7, на котором сформированы, как минимум, два внутриволоконных оптических датчика величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂ на основе брэгговских решеток. Максимальное количество внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 8₁-8₃ зависит от требуемого максимального диапазона измерения износа (так как каждый датчик осуществляет измерения только в заданном диапазоне), и, например, может быть равно трем.

Под перекрытием участков длиной L3, расположенного на втором конце измерительного волоконно-оптического световода 3 и длиной , расположенного во втором отрезке измерительного волоконно-оптического световода 11, предназначенных для размещения в изделии 7 в данном случае понимают то, что (см. фиг. 2) глубина Н3 размещения участка длиной L3 и глубина H1 размещения участка длиной в изделии 7 подобраны таким образом, что проекции отрезков длиной L3 и на плоскость X0Z, перпендикулярную одновременно двум плоскостям: плоскости размещения датчиков Z0Y (которая проходит через оси размещения внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 8₁-8₃) и плоскости X0Y, в которой происходит истирание изделия 7 и какого-либо другого изделия (на фиг. 2 другое изделие не показано) полностью накладываются друг на друга, причем . Такое перекрытие позволяет избавится от «мертвой зоны» - участка второго отрезка измерительного волоконно-оптического световода 11, на котором нет внутриволоконных оптических датчиков величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂.

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.

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.

Рассмотрим работу устройства для измерения величины износа и температуры по его первому варианту (фиг. 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.

Тогда величина износа изделия при трении будет определяться как:

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).

Рассмотрим порядок определения температуры изделия для первого варианта устройства измерения величины износа изделия при трении (для второго варианта осуществляется аналогично).

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 Т_С после установки в изделие 7 равна:

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).

При изменении температуры изменяется центральная резонансная длина волны λ рефлектометрического отклика, которая является функцией температуры изделия 7, а ее изменение описывается следующим выражением:

где ΔT - изменение температуры; α - коэффициент теплового расширения кварцевого стекла.

Соотношение (3) дает типичный сдвиг λ в зависимости от температуры ~0,01 нм/°С. (См. там же).

Таким образом, измерение температуры будет определяться зависимостью:

или, выраженное через температуру из уравнений (2)-(4) и из условия:

где λ^M - 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); Т_М - измеряемая температура изделия.

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.

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 λ^М - 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 λ^М, заложенным калибровочным значениям λ, Т_С, 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).

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.

Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂ выполнены на основе брэгговской решетки с фазовым π-сдвигом.

Брэгговская решетка с фазовым π-сдвигом представляет собой две последовательно расположенные идентичные волоконные брэгговские решетки (ВБР), расстояние между которыми равно одному их периоду.

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 λ^М, которая является функцией от его длины L:

где , L1 и L2 - длина решетки до и после фазового сдвига (8₁ и 8₂ соответственно), γ²=Ω²-Δβ², Ω=k - коэффициент связи ВБР (для однородных ВБР постоянен), D₁=γ²cosh(γL), D₂=Δβγsinh(γL), - общая длина ВБР, , Δϕ - значение фазового сдвига в решетке, в нашем случае Δϕ=π.

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).

Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂ выполнены на основе интерферометра Фабри-Перо, построенного с использованием брэгговских решеток.

Интерферометр Фабри-Перо, построенный с использованием брэгговских решеток представляет собой две последовательно расположенные идентичные ВБР, расстояние между которыми на порядок больше их периода.

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 λ^М, которая является функцией от его длины 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, , - расстояние между решетками, n - эффективный показатель преломления.

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).

Внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂ выполнены на основе брэгговских решеток, настроенных на одну рабочую длину волны.

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 λ^М, которая является функцией от его длины L_i (i=1..j, j≥2):

где: R=tanh²(k⋅L_i) - коэффициент отражения единичной ВБР с длиной L_i (в нашем случае L_i 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.

Из приведенного выражения видно, что при изменении L_i, 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).

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.

В этом случае внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂ формируют рефлектометрические отклики i-ой ВБР с амплитудой A_i на центральной резонансной длине волны , которая является функцией от ее длины L_i (i=1..j, j≥2).

где L_i - 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.

Из приведенного выражения видно, что при изменении L_i, 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 A_i рефлектометрического отклика на центральной резонансной длине волны в соответствии с выражением (9).

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 A_i - 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 A_i, 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).

Рассмотрим работу устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении по его второму варианту (фиг. 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 второго отрезка измерительного волоконно-оптического световода 11, не занятого его, как минимум, двумя внутриволоконными оптическими датчиками величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂ на основе брэгговских решеток длиной L1 и L2, 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 внутриволоконные оптические датчики величины износа и температуры изделия при трении 8₁ и 8₂ на основе брэгговских решеток. В этом случае (по аналогии с выражением (1)) величина износа изделия при трении будет определяться как (для упрощения примем, что ):

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.

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 λ^М - 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 λ^М, заложенным калибровочным значениям λ, Т_С, 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).

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.

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.

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 λ^М, которая является функцией от его длины L_i (i=1..m, m≥3):

где: R=tanh²(k⋅L_i) - коэффициент отражения единичной ВБР с длиной L_i, k - коэффициент связи ВБР, который для однородных ВБР постоянен, k - количество решеток (m≥3), i=1..m - ее порядковый номер.

Из приведенного выражения видно, что при изменении L_i, 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).

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.

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 A_i на центральной резонансной длине волны , которая является функцией от ее длины L_i (i=1..m, m≥3).

где L_i - 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.

Из приведенного выражения видно, что при изменении L_i, 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 A_i рефлектометрического отклика на центральной резонансной длине волны в соответствии с выражением (12).

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 A_i - измеренная амплитуда на центральной резонансной длина волны рефлектометрического отклик 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 A_i, заложенным значениям постоянных коэффициентов, в соответствии с выражениями (11)-(12) (для каждого примера реализации соответственно) из (10) определяется величина износа ΔR изделия при трении, полученное значение поступает на устройство отображения информации (на фиг. 2 устройство отображения информации не показано).

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.

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.

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:

- широкополосный источник непрерывного лазерного излучения 1 SLD-1550-3 - лазерный диод фирмы «Superlum»;

- циркулятор 2 - циркулятор 3PIOC-1550 фирмы «Flyin»;

- измерительный волоконно-оптический световод 3 (10 и 11) и передающий волоконно-оптический световод 4 - волоконно-оптический световод SMF-28 фирмы «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;

- детектор 5 - LSIPD-I75-FA волоконно-оптический InGaAs PIN фотоприемник фирмы IFP;

- контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.

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.

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.

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.