RU2643692C1 - Fibre-optic volumetric stress sensor - Google Patents

Fibre-optic volumetric stress sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2643692C1
RU2643692C1 RU2017111405A RU2017111405A RU2643692C1 RU 2643692 C1 RU2643692 C1 RU 2643692C1 RU 2017111405 A RU2017111405 A RU 2017111405A RU 2017111405 A RU2017111405 A RU 2017111405A RU 2643692 C1 RU2643692 C1 RU 2643692C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
measuring
elements
sensor
stress state
frame
Prior art date
Application number
RU2017111405A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Анатольевич Паньков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority to RU2017111405A priority Critical patent/RU2643692C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2643692C1 publication Critical patent/RU2643692C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, in particular to fibre-optic means of measuring an inhomogeneous complex volumetric dynamic stress state, and can be used to diagnose stress state and flaw detection of composites, in biomedical research, hydroacoustics, aerodynamics, safety systems for remote monitoring of pressure. Fibre-optic volumetric stress sensor comprises an extended frame, measuring elements located inside the frame codirectionally with its axis. Each measuring element includes a fibre-optic light guide configured to connect to a measuring device, two control continuous electrodes, a piezoelectric element, an electroluminescent element. Piezoelectric elements of all measuring elements have different directions of spatial polarisation, from which arbitrary three directions are not coplanar. There are at least two measuring elements.
EFFECT: invention enables to determine all six independent components of the stress tensor for a volumetric complex stress state and locate inhomogeneities of the stress state along the length of the sensor.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения неоднородного сложного объемного динамического напряженного состояния, и может быть использовано для диагностики напряженного состояния и дефектоскопии композитов, в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.The invention relates to the field of measuring technology, in particular to fiber-optic means for measuring an inhomogeneous complex volumetric dynamic dynamic stress state, and can be used to diagnose the stress state and flaw detection of composites, in biomedical research, hydroacoustics, aerodynamics, security systems with remote monitoring of pressure .

Известен волоконно-оптический датчик, содержащий сердцевину оптического волокна, имеющую, по меньшей мере, одну решетку, сформированную вдоль, по меньшей мере, одной ее части, первую оболочку, окружающую указанную сердцевину и содержащую средство, воспринимающее давление, для преобразования изотропных сил давления в анизотропные силы давления на указанную сердцевину, двулучепреломляющее средство для улучшения двойного лучепреломления в указанной сердцевине. Двулучепреломляющее средство может включать в себя средство, имеющее пару продольных стержней, встроенных в первую оболочку. Средство, воспринимающее давление, включает в себя пару продольных отверстий или чувствительный к давлению материал, или капиллярную трубку, окружающую указанную первую оболочку, причем указанная капиллярная трубка имеет пару продольных отверстий, по существу параллельных указанной оболочке. Давление или поперечную деформацию измеряют направлением света от источника света в сердцевину волоконно-оптического датчика с решеткой на сердцевине волокна, оптическим присоединением анализатора спектра к волоконно-оптическому датчику с решеткой, измерением расстояния между двумя спектральными пиками, детектируемыми анализатором спектра (патент RU №2205374, 2003).A fiber optic sensor is known comprising a core of an optical fiber having at least one grating formed along at least one part thereof, a first sheath surrounding said core and containing pressure sensing means for converting isotropic pressure forces into anisotropic pressure forces on the specified core, birefringent means for improving birefringence in the specified core. The birefringent means may include means having a pair of longitudinal rods embedded in the first shell. The pressure receiving means includes a pair of longitudinal holes or a pressure sensitive material, or a capillary tube surrounding said first shell, said capillary tube having a pair of longitudinal holes substantially parallel to said shell. The pressure or lateral deformation is measured by the direction of the light from the light source into the core of the fiber optic sensor with a grating on the fiber core, optical connection of the spectrum analyzer to the fiber optic sensor with a grating, measuring the distance between two spectral peaks detected by the spectrum analyzer (patent RU No. 2205374, 2003).

Известное техническое решение обеспечивает повышение разрешения и динамического диапазона измерений, однако не позволяет определить все шесть независимых компонент тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния.A well-known technical solution provides an increase in resolution and dynamic range of measurements, however, it is not possible to determine all six independent components of the stress tensor for the volumetric complex stress state.

Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является датчик для определения величины и направления деформации протяженного объекта (патент RU №91625, опубл. 20.02.2010). Датчик состоит из протяженного цилиндрического каркаса и волоконно-оптических световодов, расположенных внутри каркаса сонаправленно его оси. Световоды выполнены с возможностью подключения к измерительному устройству. Каркас и световоды снаружи монолитно охвачены и скреплены между собой сосной с каркасом защитной цилиндрической оболочкой, материалом каркаса и оболочки является полимер, предпочтительно полихлорвинил или полиэтилен. Датчик может встраиваться в материал внутри или прикрепляться на внешней поверхности конструкции; каркас выполнен гибким для обеспечения навивки на транспортный барабан. Данное устройство принято в качестве прототипа.The closest design of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a sensor for determining the magnitude and direction of deformation of an extended object (patent RU No. 91625, publ. 02.20.2010). The sensor consists of an extended cylindrical frame and optical fiber optical fibers located inside the frame along its axis. The optical fibers are configured to be connected to a measuring device. The frame and optical fibers from the outside are monolithically enclosed and fastened together by a pine with a frame with a protective cylindrical shell, the material of the frame and sheath is a polymer, preferably polyvinyl chloride or polyethylene. The sensor can be embedded in the material inside or attached to the outer surface of the structure; the frame is flexible to provide winding on the transport drum. This device is adopted as a prototype.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - протяженный каркас; измерительные элементы, расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси; каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод, выполненный с возможностью подключения к измерительному устройству.Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed invention, is an extended frame; measuring elements located inside the frame along its axis; each measuring element includes a fiber optic fiber made with the possibility of connecting to a measuring device.

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является невозможность определения датчиком всех шести независимых компонент тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния и невозможность определения локаций неоднородностей напряженного состояния по длине датчика.A disadvantage of the known design adopted as a prototype is the impossibility of the sensor to determine all six independent components of the stress tensor for the volumetric complex stress state and the inability to determine locations of stress state inhomogeneities along the length of the sensor.

Задачей изобретения является создание датчика, определяющего все шесть независимых компонент тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния и локации неоднородностей напряженного состояния по длине датчика.The objective of the invention is the creation of a sensor that determines all six independent components of the stress tensor for volumetric complex stress state and location of heterogeneities of the stress state along the length of the sensor.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом датчике объемного напряженного состояния, содержащем протяженный каркас и расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси измерительные элементы, каждый из которых включает волоконно-оптические световод, выполненный с возможностью подключения к измерительному устройству, согласно изобретению в каждый измерительный элемент введены сонаправленные оси каркаса два управляющих непрерывных электрода, пьезоэлемент, электролюминисцентный элемент, при этом пьезоэлементы всех измерительных элементов имеют различные направления пространственных поляризаций, из которых произвольные три направления некомпланарны, количество измерительных элементов не менее шести.The problem was solved due to the fact that in the known fiber-optic sensor of a volumetric stress state, containing an extended frame and measuring elements located inside the frame along its axis along with its axis, each of which includes a fiber optic optical fiber configured to be connected to a measuring device, according to In accordance with the invention, two control continuous electrodes, a piezoelectric element, an electroluminescent element, and The piezoelectric elements of all measuring elements have different directions of spatial polarizations, of which arbitrary three directions are non-coplanar, the number of measuring elements is at least six.

Кроме того, управляющие непрерывные электроды и/или пьезоэлементы и/или электролюминисцентные элементы и/или световоды различных измерительных элементов могут быть объединены в общие, соответственно, управляющие непрерывные электроды и/или пьезоэлементы и/или электролюминисцентные элементы и/или световоды.In addition, the continuous control electrodes and / or piezoelectric elements and / or electroluminescent elements and / or optical fibers of various measuring elements can be combined into common, respectively, continuous continuous electrodes and / or piezoelectric elements and / or electroluminescent elements and / or optical fibers.

Кроме того, в световодах могут быть расположены решетки Брэгга.In addition, Bragg gratings may be located in the fibers.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: в каждый измерительный элемент введены сонаправленные оси каркаса два управляющих непрерывных электрода, пьезоэлемент, электролюминисцентный элемент; пьезоэлементы всех измерительных элементов имеют различные направления пространственных поляризаций, из которых произвольные три направления некомпланарны; количество измерительных элементов не менее шести; управляющие непрерывные электроды и/или пьезоэлементы и/или электролюминисцентные элементы и/или световоды различных измерительных элементов объединены в общие, соответственно, управляющие непрерывные электроды и/или пьезоэлементы и/или электролюминисцентные элементы и/или световоды; в световодах расположены решетки Брэгга.Signs of the proposed technical solution, distinctive from the prototype: in each measuring element introduced co-directional axis of the frame two continuous control electrodes, a piezoelectric element, an electroluminescent element; the piezoelectric elements of all measuring elements have different directions of spatial polarizations, of which three arbitrary directions are non-coplanar; the number of measuring elements is not less than six; control continuous electrodes and / or piezoelectric elements and / or electroluminescent elements and / or optical fibers of various measuring elements are combined into common, respectively, continuous control electrodes and / or piezoelectric elements and / or electroluminescent elements and / or optical fibers; Bragg gratings are located in the fibers.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют определить все шесть независимых компонент тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния и локации неоднородностей напряженного состояния и температуры по длине датчика.Distinctive features, together with the known ones, make it possible to determine all six independent components of the stress tensor for the volumetric complex stress state and location of inhomogeneities of the stress state and temperature along the length of the sensor.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков датчика с получением указанного технического результата.The applicant does not know the use in science and technology of the distinguishing features of the sensor with the receipt of the specified technical result.

Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.The fiber optic volumetric stress state sensor is illustrated by the drawings shown in FIG. 1-3.

На фиг. 1 показан общий вид фрагмента датчика с общим по измерительным элементам световодом, общим внутренним перфорированным (фотопрозрачным) электродом, общим наружным электродом, различными (по частоте излучения, в частности, в невидимом спектре) по измерительным элементам электролюминисцентными (светодиодными) элементами, различными (по направлениям пространственной поляризации) пьезоэлектрическими элементами.In FIG. Figure 1 shows a general view of a fragment of a sensor with a common optical fiber along the measuring elements, a common internal perforated (photo-transparent) electrode, a common external electrode, different (in terms of radiation frequency, in particular, in the invisible spectrum) measuring elements with electroluminescent (LED) elements, different (in directions of spatial polarization) by piezoelectric elements.

На фиг. 2 - поперечное сечение датчика.In FIG. 2 is a cross section of a sensor.

На фиг. 3 - расчетная область dV*, с действующими на нее искомыми (диагностируемыми) компонентами тензора макроскопических напряжений σ*, для вычисления «передаточных» a σ(j)mn и «управляющих» а U(j) коэффициентов встроенного в композит датчика с учетом эффективных упругих свойств композита, формы и размера каркаса, взаимного расположения измерительных элементов датчика.In FIG. 3 - calculation domain dV * , with the desired (diagnosed) components of the macroscopic stress tensor σ * acting on it, for calculating the “transfer” a σ (j) mn and the “control” and U (j) coefficients of the sensor integrated into the composite, taking into account the effective the elastic properties of the composite, the shape and size of the frame, the relative position of the measuring elements of the sensor.

Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния (фиг. 1-3) содержит цилиндрический каркас 1 (буферный слой). Внутри каркаса 1 расположены сонаправленно его оси измерительные элементы. Каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод 2 (на фиг. 1-3 показан общий световод), два управляющих непрерывных внутренний 3 внешний 4 электроды (на фиг. 1-2 показаны общие внутренний и внешний электроды), пьезоэлемент 5-10, электролюминисцентный элемент 11-16. Количество измерительных элементов не менее шести.Fiber-optic sensor volumetric stress state (Fig. 1-3) contains a cylindrical frame 1 (buffer layer). Inside the frame 1 are located co-directionally to its axis measuring elements. Each measuring element includes a fiber optic fiber 2 (in Fig. 1-3 shows a common fiber), two continuous continuous internal 3 external 4 electrodes (in Fig. 1-2 shows a common internal and external electrodes), a piezoelectric element 5-10, electroluminescent element 11-16. The number of measuring elements is at least six.

Световод 2 выполнен с возможностью подключения к измерительному устройству. Пьезоэлементы 5-10 каждого измерительного элемента имеют различную взаимную пространственную поляризацию, из которых произвольные три направления некомпланарны. Пьезоэлементы 5-10 могут представлять собой один и тот же пьезоэлектрик, в частности PVF, но с взаиморазличными пространственными направлениями dk поляризации в различных измерительных элементах.The light guide 2 is configured to be connected to a measuring device. Piezoelectric elements 5-10 of each measuring element have different mutual spatial polarizations, of which three arbitrary directions are non-coplanar. Piezoelectric elements 5-10 can be the same piezoelectric, in particular PVF, but with different spatial directions of polarization d k in different measuring elements.

Размер каркаса 1 в поперечной плоскости датчика превосходит более чем в 2 раза размер микронеоднородностей диагностируемой композитной конструкции. Одноименные компоненты: управляющие непрерывные электроды 3, 4, пьезоэлементы 5-10, электролюминисцентные элементы 11-16, световоды 2 различных измерительных элементов могут быть объединены в общие (в частности, общий световод или общие управляющие электроды). Пьезоэлемент и электролюминофор (светодиод) в каждом измерительном элементе расположены, в частности, между управляющими электродами.The size of the frame 1 in the transverse plane of the sensor exceeds by more than 2 times the size of the microinhomogeneities of the diagnosed composite structure. Components of the same name: continuous control electrodes 3, 4, piezoelectric elements 5-10, electroluminescent elements 11-16, optical fibers of 2 different measuring elements can be combined into common ones (in particular, a common optical fiber or common control electrodes). The piezoelectric element and the electroluminophore (LED) in each measuring element are located, in particular, between the control electrodes.

В световодах 2 могут быть расположены решетки Брэгга для диагностики и/или верификации измеряемых датчиком параметров напряженного состояния и температуры.In the optical fibers 2, Bragg gratings can be located for the diagnosis and / or verification of the voltage state and temperature parameters measured by the sensor.

Для различных вариантов конструкции датчика форма, относительный размер, взаимное расположение и физико-механические характеристики компонент: световода 2, двух управляющих непрерывных электродов 3, 4, пьезоэлементов 5-10, электролюминисцентных элементов 11-16 в измерительном элементе и взаимное расположение измерительных элементов в объеме каркаса 1 (буферного слоя) датчика могут быть различными.For various sensor designs, the shape, relative size, relative position and physico-mechanical characteristics of the components: fiber 2, two continuous control electrodes 3, 4, piezoelectric elements 5-10, electroluminescent elements 11-16 in the measuring element and the relative position of the measuring elements in the volume frame 1 (buffer layer) of the sensor may be different.

Управляющие электроды 3, 4 могут иметь цилиндрическую оболочечную или ленточную пластинчатую форму.The control electrodes 3, 4 may have a cylindrical shell or tape plate shape.

Пьезоэлементы 5-10 могут иметь форму полых цилиндров, или цилиндрических круговых секторов, или прямоугольных стержней.Piezoelectric elements 5-10 may be in the form of hollow cylinders, or cylindrical circular sectors, or rectangular rods.

Световод 2 может располагаться вблизи или внутри электролюминисцентного (светодиодного) элемента 11-16.The light guide 2 can be located near or inside the electroluminescent (LED) element 11-16.

Частота светоотдачи электролюминисцентного (светодиодного) элемента 11-16 для различных измерительных элементов может быть одинаковой или различной, в частности, для конструкции датчика с общим световодом 2 для различных элементов.The light output frequency of the electroluminescent (LED) element 11-16 for different measuring elements can be the same or different, in particular, for the design of the sensor with a common light guide 2 for different elements.

Полимерный цилиндрический каркас 1 выполняет защиту от механических повреждений размещенных в нем измерительных элементов, монолитно охватывает и сонаправленно скрепляет между собой измерительные элементы и их компоненты: световоды 2, управляющие непрерывные электроды 3, 4, пьезоэлементы 5-10, электролюминисцентные (светодиодные) элементы 11-16. Каркас 1 также выполняет роль буферного слоя для механической трансляции на измерительные элементы лишь однородной макроскопической (осредненной) составляющей действующего (в частности, со стороны диагностируемой микронеоднородной композитной конструкции) в окрестности внешней границы каркаса датчика микронеоднородного напряженного состояния. Считаем, что в поперечном сечении размер измерительных элементов датчика соизмерим с характерным размером неоднородностей, в частности, для полимерного волокнистого композита.The polymer cylindrical frame 1 protects against mechanical damage of the measuring elements located in it, monolithically covers and fastens together the measuring elements and their components: optical fibers 2, continuous control electrodes 3, 4, piezoelectric elements 5-10, electroluminescent (LED) elements 11- 16. Frame 1 also acts as a buffer layer for mechanical translation on measuring elements of only a homogeneous macroscopic (averaged) component of the active (in particular, from the diagnosed microinhomogeneous composite structure) in the vicinity of the outer border of the microinhomogeneous stress state sensor frame. We believe that in the cross section the size of the measuring elements of the sensor is commensurate with the characteristic size of the inhomogeneities, in particular, for a polymer fibrous composite.

Размер каркаса 1 (буферного слоя) в поперечном сечении датчика, во-первых, больше размера самого датчика (совокупности измерительных элементов), во-вторых, в 2 или более раз больше характерного размера (в плоскости поперечного сечения датчика) микронеоднородностей диагностируемой композитной конструкции и, в-третьих, меньше характерных размеров (в плоскости поперечного сечения датчика) неоднородностей диагностируемого поля макронапряжений σ*; т.е. градиенты макронапряжений σ* в плоскости поперечного сечения датчика должны быть несущественны на характерных размерах поперечного сечения каркаса датчика. Первое условие обусловлено физическим ограничением - условием, что совокупность измерительных элементов датчика расположена внутри каркаса. Второе условие обусловлено тем, что соотношения размера каркаса с размером микронеоднородностей диагностируемой композитной конструкции в плоскости поперечного сечения датчика менее, чем в 2 раза нецелесообразны из-за появляющихся при этих соотношениях существенных влияниях на диагностируемое напряженное состояние пульсаций напряжений от присутствия микронеоднородностей вблизи каркаса датчика в композитной конструкции. Третье условие обусловлено тем, что «передаточные коэффициенты» датчика определяются, как правило, для однородного сложного напряженного состояния и не учитывают градиенты макроскопических полей деформирования в плоскости поперечного сечения датчика.The size of the frame 1 (buffer layer) in the transverse section of the sensor is, firstly, larger than the size of the sensor itself (a set of measuring elements), and secondly, 2 or more times the characteristic size (in the plane of the sensor cross-section) of microinhomogeneities of the diagnosed composite structure and thirdly, less than the characteristic dimensions (in the plane of the transverse section of the sensor) of the heterogeneities of the diagnosed macrostress field σ * ; those. the macrostress gradients σ * in the plane of the transverse section of the sensor should not be significant at the characteristic dimensions of the cross section of the sensor frame. The first condition is due to a physical limitation - the condition that the set of measuring elements of the sensor is located inside the frame. The second condition is due to the fact that the ratio of the size of the frame with the size of microinhomogeneities of the diagnosed composite structure in the plane of the transverse section of the sensor is less than 2 times impractical due to the significant effects on the diagnosed stress state of voltage ripples from the presence of microinhomogeneities near the frame of the sensor in the composite designs. The third condition is due to the fact that the "transfer coefficients" of the sensor are determined, as a rule, for a homogeneous complex stress state and do not take into account the gradients of the macroscopic deformation fields in the plane of the transverse section of the sensor.

На фиг. 3 показаны: 17 - однородная анизотропная упругая среда с эффективными свойствами композита, в частности, полимерного однонаправленного волокнистого композита; r1, r2, r3 - координатные оси.In FIG. 3 shows: 17 — homogeneous anisotropic elastic medium with effective properties of the composite, in particular, a polymer unidirectional fibrous composite; r 1 , r 2 , r 3 - coordinate axis.

Датчик работает следующим образом.The sensor operates as follows.

Механолюминесцентные эффекты в датчике возникают в результате парных взаимодействий между собой электролюминесцентных 11-16 и соответствующих пьезоэлектрических 5-10 элементов (см. фиг. 1, фиг. 2).Mechanoluminescent effects in the sensor arise as a result of pairwise interactions of electroluminescent 11-16 and the corresponding piezoelectric 5-10 elements (see Fig. 1, Fig. 2).

Действие неоднородных (соответствующих однородному объемному макроскопическому напряженному состоянию σ*) полей нормальных и касательных напряжений на внешнюю боковую поверхность каркаса 1 датчика приводит к деформациям пьезоэлектрических элементов, что приводит к возникновению в них соответствующих электрических полей. Эти электрические поля (зависящие от диагностируемых значений σ*) суммируются с составляющими от действия управляющего напряжения на внутреннем 3 и внешнем 4 электродах (см. фиг. 1, фиг. 2); в каждом измерительном элементе результирующее электрическое поле действует на электролюминесцентный элемент 11-16, вызывая его свечение на своей (различной по измерительным элементам) частоте. Разночастотные свечения из различных измерительных элементов проникают во внутрь световода 2 и передаются к приемнику-анализатору интенсивностей света на выходе из световода для каждой частоты дискретного спектра. Из анализа зависимостей интенсивностей света каждой частоты на выходе от управляющего напряжения делается вывод о характере распределения, величине и локациях неоднородностей напряженного состояния по длине датчика.The action of non-uniform (corresponding to a homogeneous macroscopic volumetric stress state σ * ) fields of normal and tangential stresses on the outer lateral surface of the sensor frame 1 leads to deformations of the piezoelectric elements, which leads to the appearance of corresponding electric fields in them. These electric fields (depending on the diagnosed values of σ * ) are summed with the components of the action of the control voltage on the inner 3 and outer 4 electrodes (see Fig. 1, Fig. 2); in each measuring element, the resulting electric field acts on the electroluminescent element 11-16, causing it to glow at its (different in measuring elements) frequency. Different-frequency glows from various measuring elements penetrate into the optical fiber 2 and are transmitted to the receiver-analyzer of light intensities at the output of the optical fiber for each frequency of the discrete spectrum. From the analysis of the dependences of the light intensities of each frequency at the output from the control voltage, a conclusion is drawn about the nature of the distribution, the magnitude and locations of the inhomogeneities of the stress state along the length of the sensor.

Управляющее напряжение

Figure 00000001
по длине электродов может быть, например, как постоянной (по длине электрода) величиной, так и в виде бегущего по электроду локационного электрического видеоимпульса прямоугольной формы, отличного от нуля лишь на локальном участке с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения по электроду.Control voltage
Figure 00000001
along the length of the electrodes can be, for example, both a constant (along the length of the electrode) value, and in the form of a moving along the electrode locating electric video pulse of a rectangular shape, non-zero only in the local area with a step-by-step change in the pulse value for each cycle of passage through the electrode.

Подтверждение заявленных технических результатов: возможность определения датчиком всех шести независимых компонент тензора напряжений σ* для объемного сложного напряженного состояния и нахождения локаций неоднородностей напряженного состояния по длине датчика получено в результате проведенных численных экспериментов нахождения величин Δ(j) на основе разработанных двух алгоритмов локаций:Confirmation of the claimed technical results: the ability of the sensor to determine all six independent components of the stress tensor σ * for a complex volumetric stress state and locate locations of stress state inhomogeneities along the length of the sensor was obtained as a result of numerical experiments to find Δ (j) values based on two developed location algorithms:

- первый алгоритм с использованием локационного сканирующего электрического видеоимпульса с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения исследуемого локального участка,- the first algorithm using a location-based scanning electric video pulse with a step-by-step change in the magnitude of the pulse on each cycle of passage of the studied local area,

- второй алгоритм с использованием локационной сканирующей бегущей гармонической волны с варьированием амплитуды, где функции Δ(j)= Δ(j) (r3) наведенных тензором напряжений σ* составляющих электрических напряжений на электролюминесцентных элементах всех шести измерительных элементов датчика, координатная ось r3 совмещена с осью датчика,

Figure 00000002
.- the second algorithm using a location scanning traveling harmonic wave with amplitude variation, where the functions Δ (j) = Δ (j) (r 3 ) induced by the stress tensor σ * of the components of the electrical voltages on the electroluminescent elements of all six sensor measuring elements, the coordinate axis r 3 combined with the axis of the sensor,
Figure 00000002
.

Свойства электролюминисцентных элементов заданы «S-образной» кривой зависимости интенсивности свечения от приложенного к нему напряжения с характерными точками заданных пороговых напряжений для начала свечения и для начала насыщенного свечения электролюминисцентных элементов.The properties of electroluminescent elements are set by an “S-shaped” curve of the dependence of the luminous intensity on the voltage applied to it with the characteristic points of the specified threshold voltages for the onset of luminescence and for the beginning of a saturated luminescence of electroluminescent elements.

Наличие в датчике шести взаиморазличных по направлениям пространственной поляризации пьезоэлементов позволяет найти все шесть независимых компонент

Figure 00000003
,
Figure 00000004
, …,
Figure 00000005
тензора σ* объемного напряженного состояния в рассматриваемом элементарном объеме dV* с координатой r3 из решения системы линейных алгебраических уравнений. Для получения этой системы необходимо для каждого из измерительных элементов представить результирующие электрические напряжения на электролюминесцентных элементах линейными разложениями
Figure 00000006
по заданным значениям управляющего электронапряжения
Figure 00000007
и диагностируемого тензора объемного напряженного состояния σ* в рассматриваемом элементарном объеме dV*,
Figure 00000008
. Коэффициенты разложений являются «управляющими» a U(j) и «передаточными» а σ(j)mn коэффициентами и зависят от параметров датчика, в частности: заданных шести различных пространственных направлений поляризации dj измерительных элементов и их взаимного расположения и, дополнительно, от формы и упругих свойств каркаса (буферного слоя) и эффективных упругих свойств композита. Пример расчетной области для определения коэффициентов a U(j), a σ(j)mn датчика изображен на фиг. 3 в однородной области 17 с эффективными свойствами композита диагностируемой конструкции; фрагмент датчика располагается на удалении от боковых граней области dV* и для расчета a U(j), a σ(j)mn решение для электроупругих полей (электрические напряжения
Figure 00000009
на электролюминесцентных элементах) в элементах датчика рассматриваем на некотором удалении от торцов фрагмента датчика, где влияние краевых эффектов области dV* несущественно. В результате, искомые компоненты тензора напряжений σ* определяем из системы шести линейных алгебраических уравнений
Figure 00000010
, выбор направлений поляризаций dj измерительных элементов осуществляется из условия отличия от нуля главного определителя этой системы уравнений. Функции наведенных составляющих электрических напряжений Δ(j)=Δ(j) (r3) на электролюминесцентных элементах всех шести
Figure 00000011
измерительных элементов могут быть определены независимо для каждого измерительного элемента методами сканирования на основе анализа изменений интенсивностей света
Figure 00000012
шести различных частот ν(j) волн на выходе из оптоволокна при варьировании управляющим напряжением
Figure 00000013
.The presence of six piezoelectric elements mutually different in the directions of spatial polarization allows one to find all six independent components
Figure 00000003
,
Figure 00000004
, ...,
Figure 00000005
tensor σ * of the bulk stress state in the considered elementary volume dV * with coordinate r 3 from the solution of a system of linear algebraic equations. To obtain this system, it is necessary for each of the measuring elements to present the resulting electrical voltages on the electroluminescent elements by linear decompositions
Figure 00000006
according to the specified values of the control voltage
Figure 00000007
and the diagnosed tensor of the volumetric stress state σ * in the considered elementary volume dV * ,
Figure 00000008
. The expansion coefficients are the “control” a U (j) and “transfer” and σ (j) mn coefficients and depend on the parameters of the sensor, in particular: given six different spatial directions of polarization d j of the measuring elements and their relative positions and, additionally, on the shape and elastic properties of the frame (buffer layer) and the effective elastic properties of the composite. An example of a computational domain for determining the coefficients a U (j) , a σ (j) mn of a sensor is shown in FIG. 3 in a homogeneous region 17 with effective composite properties of the diagnosed structure; the sensor fragment is located at a distance from the side faces of the region dV * and for calculating a U (j) , a σ (j) mn the solution for electroelastic fields (electric stresses
Figure 00000009
on electroluminescent elements) in the sensor elements, we consider at some distance from the ends of the sensor fragment, where the influence of the edge effects of the dV * region is insignificant. As a result, the required components of the stress tensor σ * are determined from the system of six linear algebraic equations
Figure 00000010
, the choice of polarization directions d j of the measuring elements is carried out from the condition that the main determinant of this system of equations differs from zero. The functions of the induced components of the electrical voltages Δ (j) = Δ (j) (r 3 ) on the electroluminescent elements of all six
Figure 00000011
measuring elements can be determined independently for each measuring element by scanning methods based on the analysis of changes in light intensities
Figure 00000012
six different frequencies ν (j) of the waves at the exit from the optical fiber with varying control voltage
Figure 00000013
.

Таким образом, по найденным значениям наведенных составляющих электрических напряжений Δ(j) в измерительных элементах поперечного сечения датчика с координатой r3 из решения системы линейных алгебраических уравнений определяем искомые шесть компонент

Figure 00000014
,
Figure 00000015
, …,
Figure 00000016
тензора σ* объемного напряженного состояния в рассматриваемом элементарном объеме dV* с координатой r3 по оси датчика.Thus, from the found values of the induced components of the electrical voltages Δ (j) in the measuring elements of the transverse section of the sensor with coordinate r 3, from the solution of the system of linear algebraic equations, we determine the desired six components
Figure 00000014
,
Figure 00000015
, ...,
Figure 00000016
tensor σ * of the volumetric stress state in the considered elementary volume dV * with coordinate r 3 along the axis of the sensor.

Заявляемый датчик позволяет определить все шесть независимых компонент тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния и локации неоднородностей напряженного состояния по длине датчика.The inventive sensor allows you to determine all six independent components of the stress tensor for the complex volumetric stress state and location of stress state inhomogeneities along the length of the sensor.

Для верификации результатов диагностирования напряжений (и/или для измерения приращения температуры) в световоде датчика дополнительно может быть расположена решетка Брэгга или в датчике может быть размещен дополнительный измерительный элемент со своей отличной от других измерительных элементов поляризацией пьезоэлектрической фазы (пьезоэлемента) и частоты светоотдачи электролюминесцентной фазы (светодиода).To verify the results of voltage diagnostics (and / or to measure the temperature increment), a Bragg grating can be additionally located in the sensor fiber or an additional measuring element can be placed in the sensor with its polarization of the piezoelectric phase (piezoelectric element) and the light output frequency of the electroluminescent phase different from other measuring elements (LED).

Claims (4)

1. Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния, содержащий протяженный каркас, расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси измерительные элементы, каждый из которых включает волоконно-оптический световод, выполненный с возможностью подключения к измерительному устройству,1. Fiber-optic sensor volumetric stress state containing an extended frame located inside the frame along its axis along with its axis measuring elements, each of which includes a fiber optic fiber made with the possibility of connection to a measuring device, отличающийся тем, что в каждый измерительный элемент введены сонаправленные оси каркаса два управляющих непрерывных электрода, пьезоэлемент, электролюминисцентный элемент, при этом пьезоэлементы всех измерительных элементов имеют различные направления пространственных поляризаций, из которых произвольные три направления некомпланарны, количество измерительных элементов не менее шести.characterized in that two control continuous electrodes, a piezoelectric element, an electroluminescent element are introduced into each measuring element of the frame axis, while the piezoelectric elements of all measuring elements have different directions of spatial polarizations, of which three arbitrary directions are non-coplanar, the number of measuring elements is at least six. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что управляющие непрерывные электроды, и/или пьезоэлементы, и/или электролюминисцентные элементы, и/или световоды различных измерительных элементов могут быть объединены в общие, соответственно, управляющие непрерывные электроды, и/или пьезоэлементы, и/или электролюминисцентные элементы, и/или световоды.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the continuous control electrodes and / or piezoelectric elements and / or electroluminescent elements and / or optical fibers of various measuring elements can be combined into common, respectively, continuous continuous electrodes and / or piezoelectric elements and / or electroluminescent elements and / or optical fibers. 3. Датчик по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в световодах расположены решетки Брэгга.3. The sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the Bragg gratings are located in the optical fibers.
RU2017111405A 2017-04-04 2017-04-04 Fibre-optic volumetric stress sensor RU2643692C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111405A RU2643692C1 (en) 2017-04-04 2017-04-04 Fibre-optic volumetric stress sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111405A RU2643692C1 (en) 2017-04-04 2017-04-04 Fibre-optic volumetric stress sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2643692C1 true RU2643692C1 (en) 2018-02-05

Family

ID=61173714

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017111405A RU2643692C1 (en) 2017-04-04 2017-04-04 Fibre-optic volumetric stress sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2643692C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2698958C1 (en) * 2018-12-21 2019-09-02 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Sensor system
RU2726038C1 (en) * 2019-11-12 2020-07-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Method for non-destructive testing of structures from composite material
RU2766425C1 (en) * 2021-04-12 2022-03-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method for measuring the spectrum of distributed thermomechanical effects
RU2794868C1 (en) * 2022-07-29 2023-04-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Method for making a sample from ice with embedded optic sensors

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1454055A1 (en) * 1986-06-30 1991-05-30 Ermokhin M I Fibre-optics system for measuring pressure
WO2008011663A1 (en) * 2006-07-26 2008-01-31 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation An apparatus for pressure sensing
RU91625U1 (en) * 2009-11-11 2010-02-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" (ООО "ПетроФайбер") SENSOR FOR DETERMINING THE SIZE AND DIRECTION OF DEFORMATION OF A LONG PROJECT
WO2014049178A2 (en) * 2013-01-31 2014-04-03 Laser Point S.R.L. Optical sensor for contactless pressure measurements

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1454055A1 (en) * 1986-06-30 1991-05-30 Ermokhin M I Fibre-optics system for measuring pressure
WO2008011663A1 (en) * 2006-07-26 2008-01-31 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation An apparatus for pressure sensing
RU91625U1 (en) * 2009-11-11 2010-02-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" (ООО "ПетроФайбер") SENSOR FOR DETERMINING THE SIZE AND DIRECTION OF DEFORMATION OF A LONG PROJECT
WO2014049178A2 (en) * 2013-01-31 2014-04-03 Laser Point S.R.L. Optical sensor for contactless pressure measurements

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2698958C1 (en) * 2018-12-21 2019-09-02 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Sensor system
RU2726038C1 (en) * 2019-11-12 2020-07-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Method for non-destructive testing of structures from composite material
RU2766425C1 (en) * 2021-04-12 2022-03-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method for measuring the spectrum of distributed thermomechanical effects
RU2794868C1 (en) * 2022-07-29 2023-04-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Method for making a sample from ice with embedded optic sensors
RU2799986C1 (en) * 2022-11-16 2023-07-14 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Fiber optic mechanical stress sensor
RU2811416C1 (en) * 2023-03-27 2024-01-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Fibre-optic sensor of complex stress-strain state

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9746393B2 (en) Fibre optic sensing
US9188694B2 (en) Optical interferometric sensors for measuring electromagnetic fields
US8714026B2 (en) Strain sensing with optical fiber rosettes
RU2643692C1 (en) Fibre-optic volumetric stress sensor
CA3009297C (en) Fibre optic temperature measurement
Culshaw et al. The detection of ultrasound using fiber-optic sensors
BR102013019350B1 (en) method for monitoring a composite structure
JP2005147900A (en) Continuous strain distribution measuring instrument for ofdr system
Sun et al. Guided wave damage detection with PZT-FBG sensing
Setiono et al. Prototype fiber Bragg Grattings (FBG) sensor based on intensity modulation of the laser diode low frequency vibrations measurement
RU2664684C1 (en) Fiber-optic pressure sensor
Lin et al. Exploration of ultrasonic guided wave detection with optical fiber sensors and piezoelectric transducers
Cusano et al. Low-cost all-fiber Bragg grating sensing system for temperature and strain measurements
Dwivedi et al. Design and numerical analysis of a highly sensitive ultrasonic acoustic sensor based on-phase-shifted fiber Bragg grating and fiber Mach–Zehnder interferometer interrogation
Presti et al. Wearable Systems Based on Fiber Bragg Grating Sensors for Respiratory Monitoring: Design, Fabrication, Open Challenges, and Future Directions
RU159893U1 (en) COMBINED FIBER OPTICAL SENSOR
RU2828996C2 (en) Fiber optic pressure sensor
Ramani et al. An evaluation of the performance of a lens-based plastic optical fiber strain sensor
RU158854U1 (en) FIBER OPTICAL TEMPERATURE DISTRIBUTION SENSOR
Wu et al. A study of the effect of the position of an edge filter within a ratiometric wavelength measurement system
Hudson Real-time cure monitoring of composites using a guided wave-based system with high temperature piezoelectric transducers, fiber Bragg gratings, and phase-shifted fiber Bragg gratings
Weber et al. Gauge Length Optimization of DAS using Fiber Bragg Grating Strain Measurements
Jahnert et al. Optical Fiber Coiled Sensors for Acoustic Oblique Wave Detection using Distributed Acoustic Sensing
Bennett Optical fiber modal domain sensors for dynamic strain measurement
Macià-Sanahuja et al. Development and characterization of fiber optic hydrophone coils for the detection of ultrasonic signals within power transformers