RU2733093C1 - Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин - Google Patents
Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин Download PDFInfo
- Publication number
- RU2733093C1 RU2733093C1 RU2020101571A RU2020101571A RU2733093C1 RU 2733093 C1 RU2733093 C1 RU 2733093C1 RU 2020101571 A RU2020101571 A RU 2020101571A RU 2020101571 A RU2020101571 A RU 2020101571A RU 2733093 C1 RU2733093 C1 RU 2733093C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical fiber
- frequency
- sensor
- output
- physical
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 46
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 7
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 12
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/32—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
Landscapes
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения распределенных параметров физико-механических величин. Измерения осуществляют датчиком, содержащим оптическое волокно и расположенный вокруг него электролюминесцентный слой, пьезоэлектрические элементы, соединенные двухпроводной электрической линией и выполненные в виде пьезоэлектрического цилиндрического слоя. Способ включает в себя подачу на вход управляющего переменного электрического напряжения для реализации вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлектрических элементов и регистрацию на выходе из оптоволокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала. При проведении измерений производят подбор значения постоянной составляющей управляющего напряжения исходя из требования формирования дискретных световых импульсов интенсивности свечения на выходе из оптического волокна и осуществляют нахождение моментов времени и периодичности выхода этих световых импульсов из оптического волокна для определения реального неоднородного распределения диагностируемых параметров вдоль датчика. Технический результат заключается в повышении точности измерений для протяженных участков контроля. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике для измерения распределенных параметров физико-механических величин, оказывающих влияние на резонансную частоту пьезоэлектрического элемента датчика, и может быть использовано для диагностики температуры, концентраций адсорбирующихся химических веществ в диагностируемой среде и/или коэффициентов трения или зазоров между тактильной поверхностью датчика и диагностируемой поверхностью, в частности, в аэрокосмической технике, нефте-газовой промышленности и медико-биологических исследованиях.
Известен способ измерения температуры (патент RU №2495390, опубл. 10.10.2013 г.) Согласно способу осуществляют измерение частоты генератора, зависящей от параметров терморезисторов, располагаемых равномерно по объему исследуемого поля и соединенных с внешними конденсаторами фазирующей RC-цепочки, образующих совместно с усилителем генератор, соединенный через преобразователь частота-код и микроконтроллер, программу которого снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой температуры.
Недостатком известного способа является невозможность нахождения температуры в каждом из точечных (дискретных) пьезорезонансных датчиков, так как датчик имеет возможность измерения лишь средней температуры по множеству точечных (дискретных) пьезорезонансных датчиков температуры.
Известен способ измерения распределенных параметров физико-механических величин (патент RU №2206878, опубл. 20.06.2003 г., далее [1]) посредством помещения в контролируемых точках N термочувствительных пьезоэлектрических элементов (пьезорезонаторов) с различными резонансными частотами ν1, ν2, …, νN, соединенных параллельно двухпроводной электрической линией, подачи на вход линии сигнала переменного электрического напряжения и регистрации входного переменного электрического тока iвх(t) двухпроводной линии. В качестве источника переменного электрического напряжения, подаваемого на вход двухпроводной линии, используют генератор многочастотного электрического сигнала с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот используемых пьезорезонансных датчиков. Далее, вычисляют амплитудно-частотный спектр S(ω) регистрируемого переменного электрического тока iвх(t) и по положению (или «смещению») максимумов в спектре S(ω) определяют искомые температуры ti в контролируемых N точках по предварительно экспериментально или теоретически найденным (известным) зависимостям резонансной частоты пьезорезонансных датчиков νpi(t) от температуры t, где индекс i=1,…,N.
Недостатками известного способа измерения являются:
- узкий диапазон результатов измерений многоточечного пространственного распределения распределенных параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля, что обусловлено требованием наличия большого числа пьезорезонансных элементов, рабочие частотные диапазоны которых не должны пересекаться между собой;
- низкая помехоустойчивость информативного электрического сигнала к внешним электрическим полям, что обуславливает невысокую точность измерения диагностируемых параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля.
Наиболее близким способом измерения распределенных параметров физико-механических величин к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ измерения (см., например, A.A. Pankov «Piezoelectroluminescent optical fiber sensors for diagnostics of deformation and temperature fields in composite constructions», AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 2053, pp. 040068-1-040068-5, далее [2]) с использованием датчика, содержащего оптическое волокно и расположенный вокруг него электролюминесцентный слой, пьезоэлектрические элементы, соединенные двухпроводной электрической линией и выполненные в виде пьезоэлектрического цилиндрического слоя. Способ включает в себя подачу на вход двухпроводной линии управляющего переменного электрического напряжения для реализации вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлектрических элементов; в качестве выходного сигнала используют интегральный оптический сигнал на выходе из оптического волокна, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна; осуществляют регистрацию на выходе из оптоволокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала с учетом известных зависимостей резонансной частоты пьезоэлектрических элементов от значений диагностируемых физико-механических величин, например, температуры [2]; осуществляют измерение интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна в зависимости от времени при задаваемых различных значениях частоты гармонической составляющей и постоянной составляющей управляющего электрического напряжения при известной зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического слоя от значений диагностируемых физико-механических величин и известной зависимости интенсивности свечения электролюминесцентного слоя от действующего на него электрического напряжения;
в частности, по алгоритму «резонансного диагностирования» [2] осуществляют расчет производной по частоте для измеряемой зависимости интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна для определения функции плотности распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода;
в частности, по алгоритму «импулъсно-резонансного сканирования» [2] осуществляют подачу на вход двухпроводной электрической линии видеоимпульса электрического напряжения при установившихся (стационарных) вынужденных электромеханических колебаниях пьезоэлектрического слоя для определения реального неоднородного распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика.
Алгоритмы «резонансного диагностирования» и «импулъсно-резонансного сканирования» применимы, например, к измерению распределений полей температуры T(z) [2] и концентраций χ(z) адсорбирующихся химических веществ в диагностируемой среде вдоль продольной оси z датчика. При этом, например, для измерения распределения поля концентраций χ(z) считается известной амплитудно-частотная характеристика датчика и зависимость изменения его резонансной частоты 
от концентрации анализируемого вещества χ. При адсорбции анализируемого вещества график амплитудно-частотной характеристики датчика смещается по оси частоты ν на величину изменения резонансной частоты 
пропорционально искомой величине концентрации анализируемого вещества χ, где постоянные характеристики сенсора: kν - коэффициент пропорциональности, ν0 - резонансная частота датчика для начального случая χ=0; постоянная составляющая электрического напряжения Uупр на управляющих электродах датчика необходима для настройки датчика на рабочий режим в рассматриваемом диапазоне концентраций анализируемого вещества, гармоническая составляющая - для возбуждения вынужденных стационарных электроупругих осесимметричных колебаний датчика. В результате, искомая функция плотности распределения концентраций анализируемого вещества ƒχ(τ) по длине датчика (фиг. 2) находится как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода 
по результатам измеряемых значений производной 
амплитуды интенсивности свечения 
на выходе из оптического волокна по частоте v электрического напряжения на управляющих электродах датчика, где 
, ядро Фредгольма рассчитывается 
через известную амплитудно-частотную характеристику 
фрагмента датчика длиной 
, длина датчика 
, коэффициент пропорциональности kν для рассматриваемого рабочего диапазона концентраций анализируемого вещества. Данный способ измерения принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ использует датчик, содержащий оптическое волокно и расположенный вокруг него электролюминесцентный слой, пьезоэлектрические элементы, соединенные двухпроводной электрической линией и выполненные в виде пьезоэлектрического цилиндрического слоя; способ включает в себя подачу на вход двухпроводной линии управляющего переменного электрического напряжения для реализации вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлектрических элементов; в качестве выходного сигнала используют интегральный оптический сигнал на выходе из оптического волокна, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна; осуществляют регистрацию на выходе из оптоволокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала с учетом известных зависимостей резонансной частоты пьезоэлектрических элементов от значений диагностируемых физико-механических величин; осуществляют измерение интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна в зависимости от времени при задаваемых различных значениях частоты гармонической составляющей и постоянной составляющей управляющего электрического напряжения при известной зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического слоя от значений диагностируемых физико-механических величин и известной зависимости интенсивности свечения электролюминесцентного слоя от действующего на него электрического напряжения.
Недостатками известного способа измерения, принятого за прототип, являются: невысокая точность измерения (значений и локаций этих значений) диагностируемых параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля, что обусловлено
спектральным (нелокальным) характером искомой функции плотности распределения величин (что не позволяет, в общем случае, найти локации по длине датчика найденных значений величин) в алгоритме «резонансного диагностирования»
и «усредняющим» действием на искомые значения величин видеоимпульса сканирования, используемым в алгоритме «импулъсно-резонансного сканирования» [2].
Задачей изобретения является повышение точности измерения диагностируемых параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном [2] способе измерения распределенных параметров физико-механических величин с использованием датчика, содержащего оптическое волокно и расположенный вокруг него электролюминесцентный слой, при этом пьезоэлектрические элементы соединены двухпроводной электрической линией и выполнены в виде пьезоэлектрического цилиндрического слоя; способ включает в себя подачу на вход двухпроводной линии управляющего переменного электрического напряжения для реализации вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлектрических элементов; в качестве выходного сигнала используют интегральный оптический сигнал на выходе из оптического волокна, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна; осуществляют регистрацию на выходе из оптоволокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала с учетом известных зависимостей резонансной частоты пьезоэлектрических элементов от значений диагностируемых физико-механических величин; осуществляют измерение интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна в зависимости от времени при задаваемых различных значениях частоты гармонической составляющей и постоянной составляющей управляющего электрического напряжения при известной зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического слоя от значений диагностируемых физико-механических величин и известной зависимости интенсивности свечения электролюминесцентного слоя от действующего на него электрического напряжения, согласно изобретению осуществляют подбор значения постоянной составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии из требования формирования дискретных световых импульсов интенсивности свечения на выходе из оптического волокна при заданной частоте гармонической составляющей управляющего электрического напряжения и осуществляют нахождение моментов времени и периодичности выхода этих световых импульсов из оптического волокна для определения реального неоднородного распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика.
В частности, в качестве источника управляющего переменного электрического напряжения используют генератор многочастотного электрического сигнала с частотной модуляцией [1].
В частности, для повышения точности измерения диагностируемых параметров физико-механических величин датчик [2] может дополнительно иметь внешнюю оболочку (корпус) для защиты от механических повреждений и/или для селектирования и усиливания эффекта влияния диагностируемых параметров на резонансную частоту датчика, например, в виде селективного адсорбирующего слоя с эффектом адсорбции диагностируемых химических веществ из внешней среды.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - осуществляют подбор значения постоянной составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии из требования формирования дискретных световых импульсов интенсивности свечения на выходе из оптического волокна при заданной частоте гармонической составляющей управляющего электрического напряжения и осуществляют нахождение моментов времени и периодичности выхода этих световых импульсов из оптического волокна для определения реального неоднородного распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика; в качестве источника управляющего переменного электрического напряжения используют генератор многочастотного электрического сигнала с частотной модуляцией [1]; датчик [2] может дополнительно иметь внешнюю оболочку (корпус) для защиты от механических повреждений и/или для селектирования и усиливания эффекта влияния диагностируемых параметров на резонансную частоту датчика,
Такой способ измерения параметров физико-механических величин позволяет с высокой точностью осуществить нахождение численного индикаторного значения постоянной составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии для момента возникновения светового импульса (на выходе из оптоволокна), нахождение численных значений сдвигов фаз между моментом приложения управляющего электрического напряжения (на входе двухпроводной линии) и моментами (или, в частности, одним моментом для случая монотонной изменяемости по длине датчика диагностируемой величины) выхода световых импульсов (на выходе из оптоволокна) за известный период вынужденных колебаний для каждой из (заданной последовательности рабочих значений) частот гармонической составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии. Благодаря этому достигается заявленный технический результат.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют повысить точность измерения диагностируемых параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля.
На фиг. 1 показан фрагмент датчика для измерения параметров физико-механических величин, в частности, полей температуры и концентраций адсорбирующихся химических веществ в диагностируемой среде вдоль продольной оси z датчика с интенсивностью света I на выходе оптоволокна.
На фиг. 2 дано диагностируемое распределение температурных отклонений ΔT(z) вдоль оси датчика z.
На фиг. 3 даны интенсивности световых импульсов I на выходе из оптоволокна для случая заданных значений величин ΔU=1 мкВ, ν=200 кГц.
На фиг. 4 дано найденное распределения резонансных частот νT вдоль оси датчика z.
Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин осуществляется с использованием датчика (фиг. 1), содержащего оптическое волокно 1 и расположенный вокруг него электролюминесцентный концентрический цилиндрический слой 2. На электролюминесцентный слой 2 нанесен с электрическим контактом концентрический цилиндрический пьезоэлектрический слой 3, состоящий из пьезоэлектрических элементов, соединенных параллельно двухпроводной линией, содержащей внутренний 4 и внешний 5 электроды. Электроды 4, 5 соединены с источником переменного электрического напряжения Uупр (на чертеже не показан). Внешняя оболочка (для защиты от механических повреждений и/или для селектирования и усиливания эффекта влияния диагностируемых параметров на резонансную частоту датчика), например, в виде корпуса 6 с полимерными мембранами (мембраны на чертеже не показаны) для усиления эффекта адсорбции диагностируемых химических веществ из внешней среды.
Внутренний электрод 4 двухпроводной линии выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном 1 и электролюминесцентным слоем 2. Внешний электрод 5 двухпроводной линии нанесен на внешнюю цилиндрическую поверхность пьезоэлектрического слоя 3.
Внутренний электрод 4 двухпроводной линии может быть выполнен в виде цилиндрический перфорированной оболочки, или линейного проводника со спиральной намоткой на оптическое волокно 1 или в виде цилиндрический оболочки из фотопрозрачного электропроводного материала. Пьезоэлектрический слой 3 имеет радиальную поляризацию и, в частности, выполнен из полимерной пьезоэлектрической поляризованной по толщине ленты, например, PVDF спирально намотанной в один или несколько слоев на электролюминесцентный цилиндрический слой 2. Внешний электрод 5 выполнен, в частности, в виде цилиндрической неперфорированной оболочки.
Для улучшения сцепления и электропроводности межфазных границ цилиндрических слоев 2, 3 могут быть использованы специальные адгезионные материалы (клеи).
К электродам 4, 5 прикладывается управляющее электрическое напряжение Uупр, имеющее как постоянную составляющую, так и гармоническую составляющую с частотой ν (которая равна частоте вынужденных осесимметричных электромеханических колебаний пьезоэлектрического слоя 3).
Характеристики светового потока, например, амплитуда интенсивности свечения 
на выходе из оптического волокна 1 анализируются приемником-анализатором интенсивности оптических сигналов (на фиг. 1 не показан), в котором в качестве приемника излучения может быть использован фотодиод.
Способ измерения распределенных параметров с использованием датчика осуществляется следующим образом.
Механолюминесцентный эффект возникает в результате взаимодействия между собой электролюминесцентного 2 и пьезоэлектрического 3 слоев при осесимметричных вынужденных колебаниях (вибрациях) датчика (фиг. 1). Информативные световые сигналы возникают в электролюминесцентном слое 2 и, далее, проникают через внутренний электрод 5 в оптическое волокно 1 и распространяются по нему к приемнику-анализатору интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна 1.
Алгоритм заявленного способа измерения распределенных параметров физико-механических величин вдоль продольной оси пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика (фиг. 1) основаны на известной амплитудно-частотной характеристике датчика и зависимости его резонансной частоты от измеряемых значений распределенных параметров диагностируемых физико-механических величин, в частности, температуры, концентраций адсорбирующихся химических веществ в диагностируемой среде и/или коэффициентов трения или зазоров между тактильной поверхностью датчика и диагностируемой поверхностью.
Например, для случая диагностирования пьезоэлектролюминесцентным оптоволоконным датчиком (фиг. 1) распределения вдоль датчика значений температуры считается известной амплитудно-частотная характеристика датчика и зависимость его резонансной частоты от температуры. При изменении температуры ΔT (фиг. 2) график амплитудно-частотной характеристики датчика смещается по оси частоты на величину изменения резонансной частоты 
пропорционально изменению температуры; постоянная составляющая электрического напряжения на управляющих электродах датчика необходима для настройки датчика на рабочий режим в рассматриваемом диапазоне диагностируемых температур, гармоническая составляющая - для возбуждения вынужденных стационарных электроупругих осесимметричных колебаний датчика. Неоднородность по продольной координате z датчика искомых отклонений температур ΔT(z) (фиг. 2) обуславливает соответствующую информативную неоднородность амплитуд 
гармонических (с частотой ν) составляющих электрических напряжений на электролюминесцентном слое датчика в результате связи ΔT(z)=kνΔT(z) температурных отклонений ΔT(z) со смещениями резонансных частот ΔT(z) и, как следствие, смещениями по оси частот амплитудно-частотных характеристик 
для различных локальных участков датчика.
В датчике реализуются вынужденные осесимметричные электроупругие стационарные колебания, обусловленные действием гармонической составляющей 
управляющего электрического напряжения
на электродах 4, 5 датчика (фиг. 1), где постоянная составляющая U0 необходима для настройки датчика на рабочий режим в рассматриваемом диапазоне диагностируемых температур, частота колебаний ν, время t.
«Резонансный параметр» датчика U0min находим как минимальное значение постоянной составляющей U0 управляющего электрического напряжения Uупр(ν,t), при котором появляются импульсы свечения с частотой ν0 на выходе из оптоволокна при заданной частоте ν0 гармонической составляющей 
управляющего электрического напряжения Uупр(ν,t) и однородной по объему датчика базовой температуре T0 и, как следствие, однородной светоотдаче по всей длине электролюминесцентного слоя датчика на «фазе свечения». При значении U0=U0min для случая неоднородного поля ΔT(z) (фиг. 2) начинает происходить светоотдача в «резонансных областях» - локальных или протяженных (в зависимости от вида диагностируемого поля ΔT(z)) участках электролюминесцентного слоя, в которых (при их наличии) имеем равенство νT=ν для собственной νT и вынуждающей ν частот и, как следствие, реализуется значение максимальной резонансной амплитуды 
для электрического напряжения Uлюм.
Алгоритм сканирования неоднородного по длине датчика температурного поля может быть представлен следующей последовательностью действий. В начале, фиксируем величину однородной составляющей U0 управляющего электрического напряжения Uупр(ν,t) на значении U0min+ΔU, полученному некоторым малым приращением ΔU к известному пороговому значению U0min. Далее, последовательным перебором (с мелким шагом) задаем различные значения частоты 
для гармонической составляющей управляющего электрического напряжения Uупр(ν,t) и находим совокупность из n различных частот 
, для которых реализуются ненулевые функции «импульсов свечения» 
на выходе из оптоволокна датчика в зависимости от величины относительного времени 
(фиг. 3), где t0i - известный момент времени реализации амплитудных значений 
вынужденных с частотой νi осесимметричных колебаний датчика, период вынужденных колебаний 
, для частоты νi. Импульсы в функции свечения 
расположены, в общем, лишь на интервале 
с периодом Tνi и для момента выхода центра k-го светового импульса из оптоволокна 
выполняются неравенства 
, где максимальное значение 
, параметр 
, ki - - число импульсов на интервале 
, скорость распространения светового импульса с. Величина длительности непрерывного свечения резонансных точек 2Δt, где временной интервал
зависит, в частности, от значения выбранного приращения ΔU управляющего электрического напряжения.
Для вынужденных колебаний датчика с частотой νi имеем в функции импульсов свечения 
наблюдаемую интенсивность света
на выходе из оптоволокна, обусловленную имеющимся (для этой частоты νi) распределением электрического напряжения по длине электролюминесцентного слоя датчика
величиной заданного малого приращения ΔU, функцией свечения электролюминесцентного слоя 
с учетом сдвига фаз по времени 
, параметр (координата) интегрирования z''.
Далее, для каждой частоты νi находим координаты 
локаций всех ki центров локальных участков датчика, в которых реализовалось максимальное резонансное значение амплитуды 
, по найденным ранее значениям 
в центральных точках световых импульсов функции 
(фиг. 3). В результате, находим численное распределение резонансных частот νT вдоль оси датчика z (фиг. 4), по которому рассчитываем соответствующие приращения температур ΔTi (фиг. 2) и искомые температуры Ti=Т0+ΔTi во всех ki точках с координатами zi(k) для центров локальных участков датчика 
по найденным ранее значениям приращений резонансных частот ΔTi=νi-ν0 с учетом ΔT=kνΔТ.
При этом, геометрическая форма и величина импульсов в функциях 
(фиг. 3) обуславливается, во-первых, диагностируемым температурным полем T(z) опосредованно через вид функций 
в малых окрестностях соответствующих резонансных точек электролюминесцентного слоя со значением амплитуды 
, инициирующих эти световые импульсы, и, во-вторых, величиной приращения ΔU постоянной составляющей U0 управляющего электрического напряжения. В рассматриваемом алгоритме диагностирования температурного поля T(z) информативными характеристиками, в первом приближении являются лишь абсциссы центров импульсов 
(фиг. 3), а в последующих - дополнительно возможно учесть такие информативные параметры, как геометрические формы и величины импульсов в измеряемых функциях свечения 
(фиг. 3) на выходе из оптоволокна датчика. Длительность (ширина) τi(k) и величина Ii(k) исходящих из оптоволокна световых импульсов (с периодом 
) увеличивается с ростом однородности по длине датчика диагностируемого температурного поля. В предельном случае, при постоянной температуре Т = const при заданной частоте, например, ν1 = νT имеем в функции свечения 
одиночный (k1 = 1) с периодом 
и длительностью свечения 
на интервале 
импульс (8); величина импульса уменьшится при других частотах νi из малой окрестности 
центральной резонансной частоты νT, для которых имеем значения амплитуды 
, а для всех других частот (вне этой окрестности) наблюдаем полное отсутствие свечения на выходе из оптоволокна датчика.
Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования и анализом закономерностей влияния на амплитуды интенсивности свечения светового потока и на формирование дискретных световых импульсов (фиг. 3) на выходе из оптического волокна при различных заданных рабочих частотах гармонической составляющей управляющего электрического напряжения для различных модельных и реальных законов распределения диагностируемых температур (фиг. 2) по длине датчика (фиг. 1).
Claims (3)
1. Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин с использованием датчика, содержащего оптическое волокно и расположенный вокруг него электролюминесцентный слой, пьезоэлектрические элементы, соединенные двухпроводной электрической линией и выполненные в виде пьезоэлектрического цилиндрического слоя, включающий подачу на вход двухпроводной линии управляющего переменного электрического напряжения для реализации вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлектрических элементов; в качестве выходного сигнала используют интегральный оптический сигнал на выходе из оптического волокна, при этом в качестве регистратора используют приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна; осуществляют регистрацию на выходе из оптоволокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала с учетом известных зависимостей резонансной частоты пьезоэлектрических элементов от значений диагностируемых физико-механических величин; осуществляют измерение интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна в зависимости от времени при задаваемых различных значениях частоты гармонической составляющей и постоянной составляющей управляющего электрического напряжения при известной зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического слоя от значений диагностируемых физико-механических величин и известной зависимости интенсивности свечения электролюминесцентного слоя от действующего на него электрического напряжения, отличающийся тем, что осуществляют подбор значения постоянной составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии из требования формирования дискретных световых импульсов интенсивности свечения на выходе из оптического волокна при заданной частоте гармонической составляющей управляющего электрического напряжения и осуществляют нахождение моментов времени и периодичности выхода этих световых импульсов из оптического волокна для определения реального неоднородного распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника управляющего переменного электрического напряжения используют генератор многочастотного электрического сигнала с частотной модуляцией.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что датчик дополнительно имеет внешнюю оболочку для защиты от механических повреждений и/или для селектирования и усиливания эффекта влияния диагностируемых параметров на резонансную частоту датчика.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020101571A RU2733093C1 (ru) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020101571A RU2733093C1 (ru) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2733093C1 true RU2733093C1 (ru) | 2020-09-29 |
Family
ID=72926856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020101571A RU2733093C1 (ru) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2733093C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808931C1 (ru) * | 2022-10-07 | 2023-12-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6379623B1 (en) * | 1999-07-12 | 2002-04-30 | Robert Mays, Jr. | System for using luminescent piezoelectric to detect biological and/or chemical agents |
| RU2206878C1 (ru) * | 2001-10-01 | 2003-06-20 | ОАО Казанский вертолетный завод | Способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления |
| RU2630537C1 (ru) * | 2016-09-06 | 2017-09-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик давления |
-
2020
- 2020-01-14 RU RU2020101571A patent/RU2733093C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6379623B1 (en) * | 1999-07-12 | 2002-04-30 | Robert Mays, Jr. | System for using luminescent piezoelectric to detect biological and/or chemical agents |
| RU2206878C1 (ru) * | 2001-10-01 | 2003-06-20 | ОАО Казанский вертолетный завод | Способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления |
| RU2630537C1 (ru) * | 2016-09-06 | 2017-09-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик давления |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A. A. Pankov "Piezoelectroluminescent optical fiber sensors for diagnostics of deformation and temperature fields in composite constructions", * |
| A. A. Pankov "Piezoelectroluminescent optical fiber sensors for diagnostics of deformation and temperature fields in composite constructions", AIP CONFERENCE PROCEEDINGS 2053, 2018 г., стр. 040068-1-040068-5. * |
| стр. 040068-1-040068-5. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808931C1 (ru) * | 2022-10-07 | 2023-12-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4977766B2 (ja) | 磁気誘導流量測定装置の、予知保全のための方法および／または電気伝導率測定のための方法 | |
| US9201048B2 (en) | Systems for characterizing resonance behavior of magnetostrictive resonators | |
| Baptista et al. | Influence of excitation signal on impedance-based structural health monitoring | |
| Hatano | Quantitative measurements of acoustic emission related to its microscopic mechanisms | |
| CN113811634B (zh) | 测定异常检测装置及测定异常检测方法 | |
| RU2733093C1 (ru) | Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин | |
| CN105738470B (zh) | 一种声表面波气体传感器 | |
| Xu et al. | Loss current studies of partial discharge activity | |
| Lee et al. | Design of resonant acoustic sensors using fiber Bragg gratings | |
| Zhang et al. | Bulk acoustic wave sensors for sensing measurand-induced electrical property changes in solutions | |
| CN110514287A (zh) | 基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器 | |
| US6317696B1 (en) | Apparatus and method for detecting fluids | |
| Budoya et al. | Sensitivity enhancement of piezoelectric transducers for impedance-based damage detection via a negative capacitance interface | |
| US20220229088A1 (en) | Heterodyne scanning probe microscopy method and scanning probe microscopy system | |
| Odon | Voltage response of pyroelectric PVDF detector to pulse source of optical radiation | |
| Evans et al. | Design of a self-calibrating simulated acoustic emission source | |
| Keprt et al. | A comparison of AE sensor calibration methods | |
| US9960341B1 (en) | High frequency magnetostrictive transducers for waveguide applications | |
| RU2584719C1 (ru) | Цифровой способ измерения параметров пьезоэлектрических элементов | |
| JP2016070905A (ja) | 粘弾性特性測定装置およびその方法 | |
| RU2688883C2 (ru) | Акустический детектор текучей среды и способ его применения | |
| Saar et al. | Chirp-based piezo-impedance measurement | |
| Pankov | Piezoelectroluminescent optical fiber sensors for diagnostics of deformation and temperature fields in composite constructions | |
| RU2648292C1 (ru) | Резонансный способ ультразвуковой толщинометрии | |
| Jajoria et al. | Detection of ultrasound up to 10 MHz frequency using an FBG sensor |