первой фирмой измерителя момента и частоты вращения гребного вала.

Датчики упора гребного винта. Основанная на тензорезисторах схема для измерения упора гребного винта аналогична показанной на рис. 4.17 схеме получения момента на валу. Отличие состоит в том, что для нахождения упора измерительные оси двух тензометров мостика направляются параллельно оси гребного вала, а двух других – перпендикулярно к ней. Деформации сжатия и растяжения гребного вала меньше в сравнении с деформацией его кручения, поэтому упор обычно измеряется с большей погрешностью, чем момент. Тем не менее, точность современных тензорезисторных измерителей упора гребного винта достаточна для практических целей. На судах применяются устройства как для раздельного измерения момента и упора гребного винта, так и для получения этих параметров одновременно. Ряд из них дополнительно измеряет частоту вращения гребного вала.

4.3.2. Волоконно-оптические тензометры

Волоконно-оптические тензодатчики перед электрическими измерителями механических напряжений имеют следующие преимущества: небольшие размеры, малый вес, высокое быстродействие, неподверженность коррозии, невосприимчивость к электромагнитным помехам. Кроме того, одно волокно может содержать несколько тензометров. Волоконно-оптические устройства не нуждаются в громоздких защитных кожухах. Они могут быть прикреплены к поверхности материала, встроены в конструкции и позволяют измерять растяжения, сжатия материалов, давление, температуру, ударные нагрузки.

Датчики, основанные на решетке Брэггов. Волоконная брэговская решетка (FBG – fiber Brag grating) представляет собой оптический элемент (наноструктуру), основанный на периодическом изменении показателя преломления сердцевины или оболочки оптического волокна, который отражает свет определенной длины волны. Она названа так по имени английских физиков, отца и сына Генри и Лоуренса Брэггов,

118

работавших в Лондоне в начале ХХ века. Именно они, исследуя кристаллы под рентгеновскими лучами, установили, что периодические структуры (в их случае – кристаллы) могут быть отличными зеркалами для волн определенной длины.

На оптическом волокне FBG делают так. Сердцевину волокна экспонируют интенсивным излучением ультрафиолетового лазера, но не однородно, а в точках, отстоящих друг от друга на расстоянии около 400 нанометров. В местах экспонирования коэффициент преломления необратимо увеличивается. В волокне таким образом формируется периодическая структура полос с чередующимся показателем преломления. Волокно с продольной вариацией показателя преломления и есть брэгговская решетка.

Каждая полоса FBG отражает назад малую часть излучения. Для длины волны в два раза большей, чем период решетки, отраженные лучи складываются в фазе. В результате появляется отраженный световой сигнал с очень узкой спектральной полосой. Отражаемая решеткой длина волны называются брэгговской. Для всех остальных длин волн FBG практически прозрачна.

Брэгговская длина волны определяется расстоянием между точками экспонирования и показателем преломления материала сердцевины световода. Она зависит от температуры и натяжения волокна. При нагревании или изменении натяжения волокна показатель преломления и расстояние между «точечками» решетки Брэггов изменяется, и от нее отражаются волны другой длины. Если в экспериментальных условиях провести измерения и установить, какая длина волны какому натяжению (температуре) соответствует, то можно сделать прибор, который по длине волны определяет, какое натяжение волокна (или температура) в том месте, где расположена брэгговская решетка. Таким образом, в волоконно-оптических датчиках на основе FBG измеряемой величине (температуре или механическому напряжению) соответствует смещение брэгговской длины волны. Принцип работы FBG-датчика поясняется на рис. 4.20 .

119

FBG

Входной сигнал

Рис. 4.20. Функциональный принцип тензодатчика на основе

FBG

FBG-датчик включает источник света (лазер), чувствительный элемент (решетку Брэггов), систему регистрации (спектрометр) и процессор [23]. Система регистрации преобразует смещение длины волны, отраженной брэгговской решеткой, в электрический сигнал. На одно волокно может быть нанесено множество решеток Брэггов, каждая из которых дает отклик на собственной длине волны. В этом случае вместо точечного датчика получается распределенная система регистрации с мультиплексированием по длине волны. Использование длины волны света в качестве информационного параметра делает датчик нечувствительным к долговременным дрейфам параметров источника и приемника излучения, а также к случайным затуханиям оптической мощности в волокне.

FBG-датчики имеют малые размеры, высокую точность измерений (порядка 1-го микрострейна), очень большой срок работы, не требуют обслуживания. На судне они могут использоваться для мониторинга нагрузок в разных местах корпуса. Устанавливаемые на палубе датчики предназначаются для регистрации нагрузок при общем продольном изгибе и кручении. Тензометры, закрепленные на конструкциях корпуса в форпике, служат источником данных о силе ударов волн и направлении, откуда они приходят. Тензодатчики в балластных

120

танках могут измерять локальное давление воды на корпус в местах установки на днищевых конструкциях.

Датчики, базирующиеся на технологии Фэбри-Перота

(Fabry-Perot). На основе технологии Фэбри-Перота могут быть созданы измерители механических напряжений, давления, температуры и ряда других параметров. В этих приборах вместо лазера используется источник обычного белого света, а для получения результатов измерений применяется интерферометр.

Рис. 4.21. Схема тензодатчика Фэбри-Перота

Чувствительное устройство волоконно-оптического тензометра Фэбри-Перота (рис. 4.21) включает два полупрозрачных зеркала А и В, которые закреплены на обращенных друг к другу концах двух отрезков волоконнооптического кабеля. Эти отрезки волокна запаяны на внешних концах в специальном капилляре. Зазор L между зеркалами называется длиной полости Фэбри-Перота. Расстояние LG между точками припайки отрезков волокна называется длиной датчика. Это расстояние определяет диапазон измерений и чувствительность прибора.

Датчик работает следующим образом. По волоконнооптическому кабелю подается белый свет. Часть его отражается от полупрозрачного зеркала А, а оставшаяся часть проходит на зеркало В и отражается от него. Разность фаз отраженных от зеркал световых волн пропорциональна величине зазора между зеркалами. Она измеряется интерферометром. Когда капилляр прикреплен к конструкции, то при ее сжатии или растяжении величина зазора между зеркалами меняется, что позволяет по показаниям датчика определить величину напряжения:

ε = L / LG .

121