RU2805128C1 - Crack opening rate measuring device - Google Patents

Crack opening rate measuring device Download PDF

Info

Publication number
RU2805128C1
RU2805128C1 RU2023116497A RU2023116497A RU2805128C1 RU 2805128 C1 RU2805128 C1 RU 2805128C1 RU 2023116497 A RU2023116497 A RU 2023116497A RU 2023116497 A RU2023116497 A RU 2023116497A RU 2805128 C1 RU2805128 C1 RU 2805128C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
bragg grating
crack
optical fibers
fbg
Prior art date
Application number
RU2023116497A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Владимирович Кизеветтер
Сергей Иванович Кривошеев
Сергей Геннадьевич Магазинов
Виктор Иванович Малюгин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2805128C1 publication Critical patent/RU2805128C1/en

Links

Abstract

FIELD: measuring methods.
SUBSTANCE: studying processes of destruction of materials for measuring the magnitude and rate of crack opening. The device contains one or more optical fibers with Bragg gratings with a reflection coefficient at a resonant wavelength from 10 to 90%, optical fibers are fixed on the surface of the material, the attachment points of the optical fibers are located at a distance of 10 mm to 20 mm, the output end of the optical fiber with Bragg gratings is connected to its photodetector, one or more semiconductor lasers are connected to one or more optical fibers with Bragg gratings through fiber circulators, the port of each of the circulators is connected to its photodetector, spectrum half-width LD radiation of a semiconductor laser is chosen significantly less than the half-width of the spectrum FBG reflections of the fiber Bragg grating, photodetectors and the pulse synchronizer of the current generator are connected to the outputs of a multichannel analog-to-digital converter, the crack opening rate is determined from the delay time between the pulse synchronizer signal and the signal of the reflected radiation by the Bragg grating.
EFFECT: decrease in the sensitivity of the device to pulsed electromagnetic interference and an increase in thermal stability.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследовании процессов разрушения материалов с образованием трещин для измерения величины и скорости раскрытия трещины.The invention relates to the field of measurement technology and can be used in studying the processes of destruction of materials with the formation of cracks to measure the size and speed of crack opening.

Наличие трещин в материалах строительных конструкций, инженерных сооружений, устройств различного назначения может оказать существенное влияние на эксплуатационные характеристики таких объектов или устройств. Поэтому сведения о механических характеристиках материалов необходимы для проектирования и эксплуатации таких объектов. Одним из параметров материалов является скорость раскрытия трещины, а от величины раскрытия трещины зависят механических параметры всей конструкции или объекта. Самое подробное описание методик определения параметров трещин в материалах и конструкциях дано для строительной отрасли. Существуют государственные стандарты, в частности, ГОСТ 31937—2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния», ГОСТ 8829—2018 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости», ГОСТ Р 59115.6—2021 «Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Методы определения характеристик трещиностойкости конструкционных материалов», ГОСТ 24846—2019 «Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений», а также методические указания и рекомендации, как например, РД 153-34.1-21.326-2001 «Методические указания по обследованию строительных конструкций производственных зданий и сооружений тепловых электростанций. Часть 1. Железобетонные и бетонные конструкции» или «Методические рекомендации по определению ширины раскрытия трещин в железобетонных элементах. 1982, Киев: НИИСК Госстроя СССР, 29 С., регламентирующие измерения в строительной отрасли. В основном, для мониторинга и измерения ширины трещины строительных конструкций используют, так называемые, маяки или щелемеры, а также ультразвуковые или оптические измерительные устройства. Такие устройства предназначены для мониторинга медленных процессов и не могут быть использованы для определения скорости раскрытия трещины при скоростном импульсном механическом воздействии.The presence of cracks in the materials of building structures, engineering structures, and devices for various purposes can have a significant impact on the performance characteristics of such objects or devices. Therefore, information about the mechanical characteristics of materials is necessary for the design and operation of such objects. One of the material parameters is the speed of crack opening, and the mechanical parameters of the entire structure or object depend on the size of the crack opening. The most detailed description of methods for determining the parameters of cracks in materials and structures is given for the construction industry. There are state standards, in particular, GOST 31937-2011 “Buildings and structures. Rules for inspection and monitoring of technical condition", GOST 8829-2018 "Reinforced concrete and prefabricated concrete building products. Load test methods. Rules for assessing strength, stiffness and crack resistance", GOST R 59115.6—2021 "Justification of the strength of equipment and pipelines of nuclear power plants. Methods for determining the crack resistance characteristics of structural materials", GOST 24846-2019 "Soils. Methods for measuring deformations of the foundations of buildings and structures,” as well as guidelines and recommendations, such as RD 153-34.1-21.326-2001 “Guidelines for the inspection of building structures of industrial buildings and thermal power plant structures. Part 1. Reinforced concrete and concrete structures" or "Methodological recommendations for determining the width of cracks in reinforced concrete elements. 1982, Kyiv: NIISK Gosstroy USSR, 29 S., regulating measurements in the construction industry. Basically, so-called beacons or gap gauges, as well as ultrasonic or optical measuring devices are used to monitor and measure the width of cracks in building structures. Such devices are intended for monitoring slow processes and cannot be used to determine the rate of crack opening under high-speed pulsed mechanical action.

Существуют также другие способы и устройства определения скорости раскрытия трещины, как, например, способ и устройство, описанное в патенте РФ № 2603939 (Способ определения скорости роста трещины в образце и устройство для этого), в котором принцип действия основан на регистрации изменения теплового потока через образец. Такой способ также неприменим в случае высокоскоростного раскрытия трещины.There are also other methods and devices for determining the rate of crack opening, such as, for example, the method and device described in RF patent No. 2603939 (Method for determining the rate of crack growth in a sample and a device for this), in which the operating principle is based on recording changes in heat flow through sample. This method is also not applicable in the case of high-speed crack opening.

Одно из современных направлений в развитии систем мониторинга состояния строительных конструкций и инженерных сооружений является использование оптических волокон. Обзор устройств и способов их использования представлен в журнале «Сенсоры» (Mattia Francesco Bado and Joan R. Casas Review. A Review of Recent Distributed Optical Fiber Sensors Applications for Civil Engineering Structural Health Monitoring. Sensors 2021, 21, 1818. doi: 10.3390/s21051818). В основном, в обзоре описаны системы на основе использование обратного рассеяния – вынужденного комбинационного рассеяния, рассеяния Бриллюэна и Рэлеевского рассеяния, вследствие чего сложно достичь высокого пространственного разрешения, а применение в таких системах временного разделения не позволяет регистрировать быстрые изменения рассеивающей среды. Примеры, приводимые в обзоре, относятся к медленному растрескиванию материала с характерным временем 10 – 20 минут, а максимальная скорость дискретизации измерений – 1 кГц. То есть такие системы, непригодны для определения скорости раскрытия трещины при скоростном механическом воздействии на исследуемый материал. Датчики и системы на основе волоконных решеток Брэгга, описанные в обзоре, также предназначены для исследования сравнительно медленных процессов.One of the modern trends in the development of systems for monitoring the condition of building structures and engineering structures is the use of optical fibers. A review of devices and methods of their use is presented in the journal “Sensors” (Mattia Francesco Bado and Joan R. Casas Review. A Review of Recent Distributed Optical Fiber Sensors Applications for Civil Engineering Structural Health Monitoring. Sensors 2021, 21, 1818. doi: 10.3390/ s21051818). Basically, the review describes systems based on the use of backscattering - stimulated Raman scattering, Brillouin scattering and Rayleigh scattering, as a result of which it is difficult to achieve high spatial resolution, and the use of time separation in such systems does not allow recording rapid changes in the scattering medium. The examples given in the review relate to slow cracking of a material with a characteristic time of 10 – 20 minutes, and the maximum measurement sampling rate is 1 kHz. That is, such systems are unsuitable for determining the speed of crack opening under high-speed mechanical impact on the material under study. The sensors and systems based on fiber Bragg gratings described in the review are also designed to study relatively slow processes.

Способ определения мест предразрушения конструкций с использованием оптических волокон описан в патенте РФ № 2316757 (пат. РФ 2316757 «Способ определения мест предразрушения конструкций», опубл. МПК G01N 21/88, G01N 3/32, 10.02.2008 Бюл. № 4). Скорость распространения трещины в указанном изобретении определяют по времени разрыва отдельных оптических волокон. Недостатком способа является невозможность определения ширины трещины и скорости ее увеличения, а также невозможность его использования с одиночным оптическим волокном.A method for determining places of pre-fracture of structures using optical fibers is described in RF patent No. 2316757 (patent of the Russian Federation 2316757 “Method for determining places of pre-fracture of structures”, publ. IPC G01N 21/88, G01N 3/32, 02/10/2008 Bulletin No. 4). The speed of crack propagation in this invention is determined by the time of rupture of individual optical fibers. The disadvantage of this method is the impossibility of determining the width of the crack and the rate of its increase, as well as the impossibility of using it with a single optical fiber.

В способе диагностики надежности и предельного ресурса эксплуатации многослойных конструкций из композитных материалов (пат. РФ № 2633288) определение величины механического и температурного воздействия на нее производится путем измерения спектрального положения пиков брэгговских решеток, что является сравнительно медленным методом измерения неприменимого для быстрого раскрытия трещины, а также требует сложного и дорогостоящего измерительного оборудования. Близким по назначению и принципу действия к описанному выше способу (пат. РФ № 2633288) является устройство сбора информации о величинах динамических воздействиях на гибкие конструкции и состояние концевых оптических волоконных извещателей, описанное в патенте РФ № 2648008, которое обладает теми же недостатками при его использовании для измерения параметров быстрого раскрытия трещин.In the method for diagnosing the reliability and maximum service life of multilayer structures made of composite materials (RF patent No. 2633288), the magnitude of the mechanical and temperature effects on it is determined by measuring the spectral position of the peaks of Bragg gratings, which is a relatively slow method of measuring inapplicable for rapid crack opening, and also requires complex and expensive measuring equipment. Close in purpose and principle of operation to the method described above (RF patent No. 2633288) is a device for collecting information on the magnitude of dynamic effects on flexible structures and the state of end optical fiber detectors, described in RF patent No. 2648008, which has the same disadvantages when used for measuring parameters of rapid crack opening.

Регистрация возникновения трещин с применением оптических волокон используется при мониторинге гидравлического разрыва пласта, применяемого при добыче углеводородов и других полезных ископаемых. Так, например, в патентах РФ № 2672117 (Способ определения внутренней системы трещин массива горных пород) и № 2648743 (Мониторинг гидравлического разрыва пласта), в качестве датчика используются оптические волокна, обратное рассеяние в которых применено для определения дальности до точки рассеяния по задержке возвращаемого импульса. То есть, по принципу работы датчика, эти способы не отличаются от тех, которые описаны в литературном обзоре в журнале «Сенсоры» (см. выше), соответственно, имеют все те же недостатки.Fracture detection using optical fibers is used to monitor hydraulic fracturing used in the extraction of hydrocarbons and other minerals. For example, in RF patents No. 2672117 (Method for determining the internal system of cracks in a rock mass) and No. 2648743 (Monitoring of hydraulic fracturing), optical fibers are used as a sensor, backscattering in which is used to determine the distance to the scattering point by the delay of the returned impulse. That is, according to the principle of operation of the sensor, these methods do not differ from those described in the literature review in the journal “Sensors” (see above); accordingly, they have all the same disadvantages.

В некоторых случаях оптические волокна могут быть заменены на тензорезисторные датчики, изменяющие свое электрическое сопротивление при растяжении или сжатии. Тензорезисторные датчики в системах измерения параметров деформации используются, например, в пат. РФ №2548600 (Наклеиваемый полупроводниковый тензорезисторный датчик деформаций для прочностных испытаний), №125334 (Тензорезисторный датчик для измерений деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород), №2349874 (Датчик деформации тензорезисторный).In some cases, optical fibers can be replaced with strain gauge sensors that change their electrical resistance when stretched or compressed. Strain-resistor sensors in systems for measuring deformation parameters are used, for example, in US Pat. RF No. 2548600 (Adhesive semiconductor strain gauge strain sensor for strength tests), No. 125334 (Strain resistor sensor for measuring strains and stresses in the thickness of building materials and rocks), No. 2349874 (Strain resistor strain sensor).

За прототип заявляемого изобретения принято устройство, реализующее способ измерения длины трещины и скорости ее развития в изгибаемых и растягиваемых элементах конструкции (пат. РФ № 2596694, Способ измерения длины трещины и скорости ее развития в изгибаемых и растягиваемых элементах конструкции, G01B 7/00, опубл. 10.09.2016 Бюл. № 25), данное в описании к указанному патенту. Прототип имеет следующую формулу изобретения.The prototype of the claimed invention is a device that implements a method for measuring the length of a crack and the speed of its development in bending and tensile structural elements (RF patent No. 2596694, Method for measuring the length of a crack and the speed of its development in bending and tensile structural elements, G01B 7/00, publ. 09/10/2016 Bulletin No. 25), given in the description of the specified patent. The prototype has the following claims.

1. Способ измерения длины трещины и скорости ее развития в изгибаемых и растягиваемых элементах конструкций, отличающийся тем, что на расстоянии 10-20 мм от сечения элемента, в котором располагается трещина, наклеивают тензорезисторы с базой 5-20 мм для металлических элементов и растягиваемых элементов, и с базой 20-50 мм для бетонных и железобетонных элементов справа и слева от трещины на обеих боковых стенках элемента таким образом, чтобы 2-3 тензорезистора располагались по длине трещины перпендикулярно трещине, и 2-3 тензорезистора располагались выше видимой вершины трещины; расстояние между тензорезисторами берут равным 30-50 мм; затем измеряют электрические сопротивления тензорезисторов, после чего нагружают или разгружают элемент экспериментальной нагрузкой F, по значению не превышающей предельную нагрузку на элемент по критерию прочности материала или по допустимому прогибу элемента, вычисленную теоретически (с учетом трещины), и вновь измеряют электрические сопротивления тензорезисторов, а относительные деформации вычисляют по формуле:1. A method for measuring the length of a crack and the rate of its development in bending and tensile structural elements, characterized in that at a distance of 10-20 mm from the cross section of the element in which the crack is located, strain gauges with a base of 5-20 mm for metal elements and tensile elements are glued , and with a base of 20-50 mm for concrete and reinforced concrete elements to the right and left of the crack on both side walls of the element so that 2-3 strain gauges are located along the length of the crack perpendicular to the crack, and 2-3 strain gauges are located above the visible top of the crack; the distance between strain gauges is taken equal to 30-50 mm; then the electrical resistance of the strain gauges is measured, after which the element is loaded or unloaded with an experimental load F, a value not exceeding the maximum load on the element according to the material strength criterion or according to the permissible deflection of the element, calculated theoretically (taking into account the crack), and the electrical resistance of the strain gauges is again measured, and relative deformations are calculated using the formula:

, ,

где k - коэффициент тензочувствительности тензорезисторов; R 0i - начальное электрическое сопротивление i-го тензорезистора до нагрузки (разгрузки); R 1i - электрическое сопротивление i-го тензорезистора после нагрузки (разгрузки); для статистики пробную нагрузку прикладывают 3-5 раз и каждый раз измеряют R 0i, R 1i и εi; полученные средние значения относительных деформаций показывают на эпюре деформаций εi по высоте поперечного сечения элемента с обеих сторон от трещины для каждой боковой стенки элемента; через вершины ординат деформаций перпендикулярно к боковым стенкам элемента проводят прямые до их пересечения со стенками и измеряют расстояние от этих точек пересечения до стенки элемента, с которой начинается трещина; по измеренным на эпюрах εi расстояниям с учетом масштабов вычисляют значения длин трещины и на поверхностях боковых стенок элемента и среднюю длину трещины:where k is the strain sensitivity coefficient of strain gauges; R 0i - initial electrical resistance of the i-th strain gauge before loading (unloading); R 1i - electrical resistance of the i-th strain gauge after loading (unloading); for statistics, a test load is applied 3-5 times and R 0i , R 1i and ε i are measured each time; the obtained average values of relative deformations are shown on the diagram of deformations ε i along the height of the cross section of the element on both sides of the crack for each side wall of the element; straight lines are drawn through the vertices of the strain ordinates perpendicular to the side walls of the element until they intersect with the walls and the distance from these intersection points to the wall of the element from which the crack begins is measured; From the distances measured on the ε i diagrams, taking into account the scales, the values of the crack lengths are calculated And on the surfaces of the side walls of the element and the average length of the crack:

, ,

по результатам 3-5 измерений длины трещины lmp в начальный момент времени и через некоторое время t определяют скорость роста трещины под нагрузкой по формуле:Based on the results of 3-5 measurements of the crack length l mp at the initial time and after some time t, the crack growth rate under load is determined using the formula:

, ,

где l mp(t) - длина трещины через некоторое время t; l mp(0) - длина трещины в начальный момент времени.where l mp (t) is the length of the crack after some time t ; l mp (0) is the length of the crack at the initial time.

2. Способ определения длины трещины по п. 1, отличающийся тем, что в железобетонных элементах измеряют деформации только в растянутой зоне бетона, т.к. в сжатой зоне эпюра деформаций в зависимости от значения нагрузки может быть криволинейной, и тензорезисторы наклеивают на поверхность бетона растянутой зоны на расстоянии от рабочей арматуры 2-3 диаметра арматуры для исключения ее влияния на местную деформацию бетона.2. The method for determining the length of a crack according to claim 1, characterized in that in reinforced concrete elements, deformations are measured only in the tensile zone of concrete, because in a compressed zone, the deformation diagram, depending on the load value, can be curvilinear, and strain gauges are glued to the surface of the concrete in the tension zone at a distance from the working reinforcement of 2-3 reinforcement diameters to eliminate its influence on the local deformation of concrete.

Недостатком прототипа является сложность его использования в системах с магнито-импульсным нагружением, вследствие влияния сильного импульсного магнитного поля на тензорезисторные датчики и электрические проводники, соединяющие тензорезисторные датчики с электронной системой обработки сигналов. Имеющая место проблема электромагнитной совместимости не может быть решена простой заменой тензорезисторов на оптические волокна с решетками Брэгга, вследствие различия их принципа действия и технических характеристик. Недостатком тензорезисторных датчиков и прототипа в частности является необходимость использования температурной компенсации, если измерения производятся в широком диапазоне температур окружающей среды. Тензорезисторные датчики нельзя использовать в сильных электромагнитных полях, например, в СВЧ полях.The disadvantage of the prototype is the difficulty of its use in systems with magnetic-pulse loading, due to the influence of a strong pulsed magnetic field on strain gauge sensors and electrical conductors connecting the strain gauge sensors with an electronic signal processing system. The existing problem of electromagnetic compatibility cannot be solved by simply replacing strain gauges with optical fibers with Bragg gratings, due to the difference in their operating principle and technical characteristics. A disadvantage of strain gauge sensors and the prototype in particular is the need to use temperature compensation if measurements are made over a wide range of ambient temperatures. Strain gauge sensors cannot be used in strong electromagnetic fields, such as microwave fields.

Целью заявляемого изобретения являются снижение чувствительности к импульсных электромагнитным помехам и повышение термостабильности.The purpose of the claimed invention is to reduce sensitivity to pulsed electromagnetic interference and increase thermal stability.

Поставленная цель достигается за счет того, что, устройство содержит одно или несколько оптических волокон с решетками Брэгга с коэффициентом отражения на резонансной длине волны от 10% до 90%, оптические волокна закреплены на поверхности исследуемого материала перпендикулярно прорези на образце материала, точки крепления оптических волокон расположены на расстоянии от 10 мм до 20 мм, выходной торец каждого из оптических волокон с решетками Брэгга подсоединен к своему фотоприемнику, This goal is achieved due to the fact that the device contains one or more optical fibers with Bragg gratings with a reflectance at the resonant wavelength from 10% to 90%, the optical fibers are fixed on the surface of the material under study perpendicular to the slot on the material sample, the attachment points of the optical fibers located at a distance from 10 mm to 20 mm, the output end of each of the optical fibers with Bragg gratings is connected to its own photodetector,

один или несколько полупроводниковых лазеров подключены к одному или нескольким оптическим волокнам с решетками Брэгга через волоконные циркуляторы, еще один порт каждого из циркуляторов подключен к своему фотоприемнику,one or more semiconductor lasers are connected to one or more optical fibers with Bragg gratings through fiber circulators, another port of each of the circulators is connected to its own photodetector,

полуширину спектра σLD излучения полупроводникового лазера выбирают существенно меньше полуширины спектра σFBG отражения волоконной решетки БрэггаThe half-width of the spectrum σ LD of the semiconductor laser radiation is chosen significantly less than the half-width of the spectrum σ FBG of the reflection of the fiber Bragg grating

рабочая длина волны полупроводникового лазера задана в пределах от λFBG+0.4 σFBG до λFBG+1.3σFBG, где λFBG резонансная длина волны отражения волоконной решетки Брэгга,the operating wavelength of the semiconductor laser is set in the range from λ FBG +0.4 σ FBG to λ FBG +1.3σ FBG , where λ FBG is the resonant reflection wavelength of the fiber Bragg grating,

фотоприемники и синхронизатор импульсов генератора тока подключены к выходам многоканального аналого-цифрового преобразователя,photodetectors and a pulse synchronizer of the current generator are connected to the outputs of a multichannel analog-to-digital converter,

по времени задержки между сигналом синхронизатора импульсов и сигналом отраженного излучения решеткой Брэгга определяют скорость раскрытия трещины в направлении, параллельном прорези образца материала, по величине сигнала – ширину трещины в процессе раскрытия, по длительности импульса отраженного решеткой Брэгга – скорость расширения трещины, по задержке между импульсом синхронизатора и прерыванием прохождения света через оптическое волокно – время до разрушения волокна вследствие превышения допустимой величины растяжения волокна, по величине отношения мощности, прошедшей через световод с решеткой Брэгга, и отраженной мощности определяют взаимное положение рабочей длины волны полупроводникового лазера и спектра отражения решетки Брэгга.by the delay time between the signal of the pulse synchronizer and the signal of the reflected radiation by the Bragg grating, the speed of crack opening in the direction parallel to the slot of the material sample is determined; by the magnitude of the signal - the width of the crack in the process of opening; by the duration of the pulse reflected by the Bragg grating - the speed of crack expansion; by the delay between the pulse synchronizer and interruption of the passage of light through the optical fiber - the time until the fiber is destroyed due to exceeding the permissible value of fiber stretching, the relative position of the operating wavelength of the semiconductor laser and the reflection spectrum of the Bragg grating is determined by the ratio of the power passed through the fiber with the Bragg grating and the reflected power.

Сущность изобретения поясняется двумя фигурами: на фиг. 1 – структурная схема заявляемого устройства, на фиг. 2 – осциллограмма выходных сигналов. На фиг. 1: образец исследуемого материала, 2 – вырез, 3 – плоский изогнутый проводник, 4 – генератор импульсных токов, 5 – оптическое волокно, 6 – волоконная решетка Брэгга, 7 – трещина, 8 – полупроводниковый лазер с элементом Пельтье, 9 – циркулятор, 10 – фотоприемник прошедшего оптическое волокно излучения, 11 – фотоприемник отраженного решеткой Брэгга излучения, 12 – аналого-цифровой преобразователь, 13 – персональный компьютер, 14 – точки крепления оптического волокна к образцу, 15 – блок питания элемента Пельтье.The essence of the invention is illustrated by two figures: Fig. 1 – block diagram of the proposed device, Fig. 2 – oscillogram of output signals. In fig. 1: sample of the material under study, 2 – cutout, 3 – flat curved conductor, 4 – pulsed current generator, 5 – optical fiber, 6 – fiber Bragg grating, 7 – crack, 8 – semiconductor laser with a Peltier element, 9 – circulator, 10 – photodetector of radiation transmitted through the optical fiber, 11 – photodetector of radiation reflected by the Bragg grating, 12 – analog-to-digital converter, 13 – personal computer, 14 – points of attachment of the optical fiber to the sample, 15 – power supply unit of the Peltier element.

Форма исследуемого образца, расположение оптических волокон на исследуемом образце, схема соединения оптических и электронных деталей устройства приведено на фиг. 1. Образец исследуемого материала 1 плоской формы имеет прорезь 2, закругленную внутри образца, или шевронного типа внутри которой расположен плоский проводник 3 поверхности которого внутри прорези не соприкасаются, кроме изогнутого участка. Плоский проводник 3 соприкасается наружной стороной с внутренней стороной образца по всей длине зазора 2, исключая изогнутый участок. Плоский проводник электрически подключен к генератору импульсных токов 4. К образцу материала прикреплено оптическое волокно 5 с решеткой Брэгга 6, пересекающее существующую трещину 7 или наиболее вероятное место образования трещины. Полупроводниковый лазер с элементом Пельтье соединен оптическим волокном с одним входом циркулятора 9. Входной торец оптического волокна 5 подключен к первому выходу циркулятора 9. Выходной торец оптического волокна 5 подключен к фотоприемнику 10 проходящего оптическое волокно излучения. Фотоприемник 11 отраженного решеткой Брэгга излучения оптически соединен со вторым выходом циркулятора 9. Генератор импульсных токов электрически соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 13. Фотоприемники 10 и 12 электрически соединены с входами аналого-цифрового преобразователя 13. Волокно крепится к исследуемому образцу в точках крепления 14. Блок питания элемента Пельтье 15 соединен с элементом Пельтье полупроводникового лазера. Аналого-цифровой преобразователь 12 подключен к персональному компьютеру 13.The shape of the sample under study, the location of optical fibers on the test sample, and the connection diagram of the optical and electronic parts of the device are shown in Fig. 1. A flat-shaped sample of the material under study 1 has a slot 2, rounded inside the sample, or a chevron type inside which there is a flat conductor 3 whose surfaces inside the slot do not touch, except for the curved section. Flat conductor 3 is in contact with the outer side of the sample along the entire length of gap 2, excluding the curved section. A flat conductor is electrically connected to a pulse current generator 4. An optical fiber 5 with a Bragg grating 6 is attached to the material sample, crossing an existing crack 7 or the most likely location of crack formation. A semiconductor laser with a Peltier element is connected by an optical fiber to one input of the circulator 9. The input end of the optical fiber 5 is connected to the first output of the circulator 9. The output end of the optical fiber 5 is connected to the photodetector 10 of radiation passing through the optical fiber. The photodetector 11 of the radiation reflected by the Bragg grating is optically connected to the second output of the circulator 9. The pulse current generator is electrically connected to the input of the analog-to-digital converter 13. Photodetectors 10 and 12 are electrically connected to the inputs of the analog-to-digital converter 13. The fiber is attached to the test sample at attachment points 14 The Peltier element power supply 15 is connected to the Peltier element of the semiconductor laser. The analog-to-digital converter 12 is connected to a personal computer 13.

Принцип работы заявляемого устройства следующий. Оптическое излучение полупроводникового лазера 8 вводится в оптическое волокно, передается на вход циркулятора 9, проходит циркулятор и вводится в оптическое волокно 5 с волоконной решеткой Брэгга 6. Длина волны излучения полупроводникового лазера 8 выбрана в соответствии с формулой изобретения: от λFBG+0.4 σFBG до λFBG+1.3σFBG. Подстройка длины волны лазера 8 осуществляется его охлаждением или нагревом с помощью элемента Пельтье, механически состыкованного с корпусом полупроводникового лазера 8, посредством регулировки тока, протекающего через элемент Пельтье, выполняемой с помощью блока питания элемента Пельтье 15.The operating principle of the proposed device is as follows. The optical radiation of the semiconductor laser 8 is introduced into the optical fiber, transmitted to the input of the circulator 9, passes through the circulator and is introduced into the optical fiber 5 with a fiber Bragg grating 6. The wavelength of the radiation of the semiconductor laser 8 is selected in accordance with the claims: from λ FBG +0.4 σ FBG up to λ FBG +1.3σ FBG . The wavelength of the laser 8 is adjusted by cooling or heating it using a Peltier element, mechanically coupled to the body of the semiconductor laser 8, by adjusting the current flowing through the Peltier element, performed using the power supply of the Peltier element 15.

Излучение, отраженное волоконной решеткой Брэгга, проходит обратно по оптическому волокну 5 в циркулятор 9, выходит через второй выход циркулятора 9 и попадает на вход фотоприемного модуля отраженного излучения 11. Излучение, прошедшее волокно 5 с решеткой Брэгга 6, попадает на вход фотоприемного модуля 10. Выходные сигналы с фотоприемных модулей 10 и 11 поступают на соответствующие входы аналого-цифрового преобразователя 12. Синхроимпульс генератора импульсных токов 4 также передается в аналого-цифровой преобразователь 12.The radiation reflected by the fiber Bragg grating passes back through the optical fiber 5 into the circulator 9, exits through the second output of the circulator 9 and enters the input of the reflected radiation photodetector module 11. The radiation passed through the fiber 5 with the Bragg grating 6 enters the input of the photodetector module 10. The output signals from the photodetector modules 10 and 11 are supplied to the corresponding inputs of the analog-to-digital converter 12. The clock pulse of the pulse current generator 4 is also transmitted to the analog-to-digital converter 12.

При подаче импульса тока через плоский проводник 3, ток, протекающий через проводник 3, вследствие его взаимодействия с возникающим магнитным полем, производит механическое воздействие на края прорези 2. Механическое воздействие – нагружение, передаётся по материалу образца и, при достаточной силе воздействия, производит частичное разрушение материала в виде трещины 7, которая со временем распространяется вдоль оси прорези 2 и расширяется в перпендикулярном направлении, т.е. происходит раскрытие трещины.When a current pulse is applied through a flat conductor 3, the current flowing through the conductor 3, due to its interaction with the resulting magnetic field, produces a mechanical effect on the edges of the slot 2. The mechanical effect - loading, is transmitted through the sample material and, with sufficient force of influence, produces a partial destruction of the material in the form of a crack 7, which over time spreads along the axis of the slot 2 and expands in the perpendicular direction, i.e. the crack opens.

Появление трещины в материале исследуемого образца 1 и ее дальнейшее раскрытие приводит к удлинению волоконной решетки Брэгга, а удлинение решетки – к увеличению ее резонансной длины волны λFBG. При использовании полупроводникового лазера 8 с узкой спектральной шириной (в соответствии с формулой изобретения: «полуширину спектра σLD излучения полупроводникового лазера выбирают существенно меньше полуширину спектра σFBG отражения волоконной решетки Брэгга») изменение λFBG приводит к изменению величины выходного напряжения как отраженного, так и проходящего излучения. В аналого-цифровом преобразователе 12 производится преобразование аналоговых сигналов в цифровые и передача данных в персональный компьютер 13 для последующего вычисления параметров процесса раскрытия трещины.The appearance of a crack in the material of the test sample 1 and its further opening leads to an elongation of the fiber Bragg grating, and the elongation of the grating leads to an increase in its resonant wavelength λ FBG . When using a semiconductor laser 8 with a narrow spectral width (in accordance with the claims of the invention: “the half-width of the spectrum σ LD of the semiconductor laser radiation is chosen significantly less than the half-width of the spectrum σ FBG of the reflection of the fiber Bragg grating”), a change in λ FBG leads to a change in the value of the output voltage, both reflected and and transmitted radiation. The analog-to-digital converter 12 converts analog signals into digital ones and transmits data to a personal computer 13 for subsequent calculation of the parameters of the crack opening process.

Выбор с коэффициентом отражения решетки Брэгга на резонансной длине волны от 10% до 90% обусловлен следующими причинами. В заявляемом устройстве важно определение мощности как отраженного, так и прошедшего оптическое волокно излучения, что, как будет показано ниже, необходимо для определения отношения указанных мощностей. Если одна из указанных величин будет существенно меньше другой, то при определении последней, будет иметь место худшее отношение сигнал-шум. Соответственно, отношение мощностей будет определено с большей ошибкой, чем в случае соизмеримых величин мощностей. Указанный диапазон коэффициента отражения является условным: при большем или меньшем коэффициенте отражения устройство сохраняет работоспособность, но качество работы устройства будет ниже. При малой мощности излучения, прошедшего оптическое волокно с решеткой Брэгга, также снизится точность определения момента времени разрыва оптического волокна вследствие ухудшения отношения сигнал-шум.The choice of a Bragg grating reflectivity at the resonant wavelength from 10% to 90% is due to the following reasons. In the inventive device, it is important to determine the power of both reflected and transmitted optical fiber radiation, which, as will be shown below, is necessary to determine the ratio of these powers. If one of the indicated values is significantly smaller than the other, then when determining the latter, a worse signal-to-noise ratio will occur. Accordingly, the power ratio will be determined with a greater error than in the case of comparable power values. The specified range of reflection coefficient is conditional: with a higher or lower reflection coefficient, the device remains operational, but the quality of the device will be lower. At low radiation power passing through an optical fiber with a Bragg grating, the accuracy of determining the moment of optical fiber rupture will also decrease due to a deterioration in the signal-to-noise ratio.

Выбор рабочей длины лазера в пределах от λFBG+0.4σFBG до λFBG+1.3σFBG, где λFBG резонансная длина волны отражения волоконной решетки Брэгга, обусловлен следующей причиной. Так как при удлинении оптического волокна с решеткой Брэгга резонансная длина волны увеличивается, для достижения максимально большого регистрируемого диапазона величины удлинения рабочая длина волны лазера должна быть расположена на спадающем участке спектральной зависимости отражения решетки, то есть, длина волны лазера должна быть больше резонансной длины волны решетки. При малой величине удлинения решетки изменение ее длины волны также мало. Поэтому, для определения толщины трещины в материале в процессе ее раскрытия необходимо обеспечить хорошее отношение сигнал-шум. Соответственно, мощность отраженного излучения не должна быть слишком маленькой. Выбранная в заявляемом изобретении минимальная рабочая длина волны λFBG+1.3σFBG приблизительно соответствует уровню 0,18 от максимального значения, а λFBG+0.4σFBG – уроню 0,85. Указанный диапазон рабочей длины волны полупроводникового лазера также является условным. Важно, чтобы было обеспечено хорошее отношение сигнал-шум даже в случае влияния некоторой температурной нестабильности длины волны и мощности излучения полупроводникового лазера, а также резонансной длины волны решетки Брэгга. При длинах волн больше, чем λFBG+1.3σFBG, можно считать отношение сигнал-шум плохим, а при меньших, чем λFBG+0.4σFBG имеет место уменьшение чувствительности к малым удлинениям решетки Брэгга вследствие пологого участка спектральной зависимости отражения вблизи максимума – резонансной длины волны.The choice of the laser operating length ranging from λ FBG +0.4σ FBG to λ FBG +1.3σ FBG , where λ FBG is the resonant reflection wavelength of the fiber Bragg grating, is due to the following reason. Since when an optical fiber with a Bragg grating is elongated, the resonant wavelength increases, in order to achieve the largest recorded range of elongation, the operating wavelength of the laser must be located on the falling portion of the spectral dependence of the grating reflection, that is, the laser wavelength must be greater than the resonant wavelength of the grating . When the grating elongation is small, the change in its wavelength is also small. Therefore, to determine the thickness of a crack in a material during its opening, it is necessary to ensure a good signal-to-noise ratio. Accordingly, the power of reflected radiation should not be too small. The minimum operating wavelength λ FBG +1.3σ FBG selected in the claimed invention approximately corresponds to a level of 0.18 from the maximum value, and λ FBG +0.4σ FBG to a level of 0.85. The specified range of the operating wavelength of a semiconductor laser is also arbitrary. It is important that a good signal-to-noise ratio is ensured even when influenced by some temperature instability in the wavelength and power of the semiconductor laser, as well as the resonant wavelength of the Bragg grating. At wavelengths greater than λ FBG +1.3σ FBG , the signal-to-noise ratio can be considered poor, and at wavelengths shorter than λ FBG +0.4σ FBG , there is a decrease in sensitivity to small extensions of the Bragg grating due to the flat portion of the spectral dependence of reflection near the maximum - resonant wavelength.

Скорость раскрытия трещины в продольном направлении определяется по формуле:Crack opening speed in the longitudinal direction is determined by the formula:

(1), (1),

где L – расстояние между прорезью в образце исследуемого материала и волоконной решеткой Брэгга, τ p – длительность задержки начала изменения мощности отраженного от волоконной решетки Брэгга излучения относительно импульса синхронизации импульсного генератора.where L is the distance between the slot in the sample of the material under study and the fiber Bragg grating, τ p is the delay time for the beginning of a change in the power of the radiation reflected from the fiber Bragg grating relative to the synchronization pulse of the pulse generator.

В общем случае, скорость раскрытия трещины может зависеть от расстояния, соответственно, может быть различной при использовании различных оптических волокон, закрепленных на образце.In general, the speed of crack opening may depend on the distance and, accordingly, may be different when using different optical fibers attached to the sample.

Изменение ширины трещины Δl в процессе раскрытия (т.е. во времени t) определяют, по формуле:The change in crack width Δ l during the opening process (i.e. in time t ) is determined by the formula:

(2), (2),

где Δλ(t) – величина изменения резонансной длины волны волоконной решетки Брэгга, k – коэффициент пропорциональности, равный 1,2·103 нм для одномодового кварцевого волокна на длине волны излучения 1550 нм. В свою очередь, величину Δλ(t) определяют по изменению выходного сигнала U, в общем случае, используя калибровочную зависимость Δλ(U). Целесообразно использовать выходное напряжение (U R ) на выходе фотоприемного модуля отраженного волоконной решеткой Брэгга излучения, однако возможно использовать выходное напряжение на выходе фотоприемного модуля излучения, прошедшего волокно с решеткой Брэгга. Для гауссовской спектральной зависимости отражения волоконной решетки Брэгга с резонансной длиной волны λFBG в закрепленном на образце состоянии и полушириной σFBG величину Δλ можно рассчитать по формуле:where Δλ( t ) is the change in the resonant wavelength of the fiber Bragg grating, k is the proportionality coefficient equal to 1.2·10 3 nm for a single-mode quartz fiber at a radiation wavelength of 1550 nm. In turn, the value of Δλ( t ) is determined by the change in the output signal U , in the general case, using the calibration dependence Δλ( U ). It is advisable to use the output voltage ( UR ) at the output of the photodetector module of the radiation reflected by the fiber Bragg grating, but it is possible to use the output voltage at the output of the photodetector module of the radiation that has passed through the fiber with the Bragg grating. For the Gaussian spectral dependence of the reflection of a fiber Bragg grating with a resonant wavelength λ FBG in the state fixed to the sample and half-width σ FBG, the value Δλ can be calculated using the formula:

(3), (3),

где U R0 – напряжение на выходе фотоприемного модуля отраженного излучения при начальном положении волокна с решеткой Брэгга на образце. Зависимость сохраняет однозначное соответствие между Δλ и выходным напряжением до достижения равенства резонансной длины волны решетки Брэгга и длины волны полупроводникового лазера, полагая выбор резонансной длины волны решетки Брэгга в соответствии с формулой изобретения.where U R0 is the voltage at the output of the photodetector module of reflected radiation at the initial position of the fiber with the Bragg grating on the sample. The dependence maintains a one-to-one correspondence between Δλ and the output voltage until equality of the resonant wavelength of the Bragg grating and the wavelength of the semiconductor laser is achieved, assuming the choice of the resonant wavelength of the Bragg grating in accordance with the claims.

Ширину трещины l в процессе раскрытия определяют аналогично изменению ширины трещины во времени (по формулам (2) и (3)), но с учетом начального значения ширины трещины l 0 – до импульсного механического воздействия, если трещина уже существовала:The crack width l during the opening process is determined similarly to the change in crack width over time (using formulas (2) and (3)), but taking into account the initial value of the crack width l 0 - before pulsed mechanical action, if the crack already existed:

,(4) ,(4)

Скорость увеличения ширины трещины определяют по формуле:Speed the increase in crack width is determined by the formula:

,(5) ,(5)

где Δτ01 – временной интервал от начала изменения выходного сигнала t 0 до выбранного момента времени t 1, при котором достигается значение выходного сигнала U(t 1).where Δτ 01 is the time interval from the beginning of the change in the output signal t 0 to the selected moment in time t 1 , at which the value of the output signal U ( t 1 ) is reached.

Принцип термокомпенсации при выполнении измерений основан на одновременном использовании двух фотоприемных модулей – отраженного и прошедшего волоконную решетку Брэгга излучения. При изменении температуры изменяется как мощность и длина волны излучения полупроводникового лазера, так и резонансная длина волны решетки Брэгга. Пусть оба модуля имеют одинаковую чувствительность. Тогда выражение, описывающее напряжение на выходе модулей, можно представить в виде:The principle of thermal compensation when performing measurements is based on the simultaneous use of two photodetector modules - radiation reflected and transmitted through a fiber Bragg grating. As the temperature changes, both the power and wavelength of the semiconductor laser radiation and the resonant wavelength of the Bragg grating change. Let both modules have the same sensitivity. Then the expression describing the voltage at the output of the modules can be represented as:

, (6) , (6)

, (7) , (7)

где U R и U T – напряжение на выходе фотоприемных модулей отраженного и прошедшего волоконную решетку Брэгга излучения соответственно, p 0 – мощность излучения полупроводникового лазера, k R – коэффициент отражения волоконной решетки Брэгга на резонансной длине волны, k λ – коэффициент, зависящий, прежде всего, от спектра излучения полупроводникового лазера и спектра отражения волоконной решетки Брэгга. Из выражений (6) и (7) следует, что:where U R and U T are the voltage at the output of the photodetector modules of the radiation reflected and transmitted through the fiber Bragg grating, respectively, p 0 is the radiation power of the semiconductor laser, k R is the reflection coefficient of the fiber Bragg grating at the resonant wavelength, k λ is the coefficient depending, first everything from the emission spectrum of a semiconductor laser and the reflection spectrum of a fiber Bragg grating. From expressions (6) and (7) it follows that:

, (8) , (8)

Таким образом, отношение не зависит от мощности , что является следствием того, что волоконная решетка Брэгга делит падающее на нее излучение на отраженное и прошедшее независимо от мощности полупроводникового лазера. Тогда, экспериментально измерив отношение (8) в начальный момент времени, т.е. фактически уточнив взаимное расположение рабочей длины волны полупроводникового лазера и спектра отражения волоконной решетки Брэгга, далее, в процессе проведения измерений, достаточно поддерживать измеренное значение отношения (8) посредством изменения температуры полупроводникового лазера, осуществляемого с помощью регулировки тока, протекающего через элемент Пельтье либо в ручном режиме, либо автоматически с использованием существующих систем автоматического регулирования.So the attitude independent of power , which is a consequence of the fact that the fiber Bragg grating divides the radiation incident on it into reflected and transmitted radiation, regardless of the power of the semiconductor laser. Then, having experimentally measured the ratio (8) at the initial moment of time, i.e. having actually specified the relative position of the operating wavelength of the semiconductor laser and the reflection spectrum of the fiber Bragg grating, then, during the measurement process, it is sufficient to maintain the measured value of the ratio (8) by changing the temperature of the semiconductor laser, carried out by adjusting the current flowing through the Peltier element or manually mode, or automatically using existing automatic control systems.

Временной интервал между импульсом синхронизатора и моментом времени прерывания прохождения света через оптическое волокно в случае его разрыва вследствие превышения допустимой величины растяжения волокна, позволяет определить скорость распространения трещины, приводящей к разрыву волокна по формуле:Time interval between the synchronizer pulse and the moment of interruption of the passage of light through the optical fiber in the event of its break due to exceeding the permissible value of fiber stretching, allows you to determine the speed propagation of a crack leading to fiber rupture according to the formula:

, (9) , (9)

Заявляемое устройство было опробовано на экспериментальной модели. Исследование проводилось на образце из полиметилметакрилата толщиной 5 мм и размерами 200х200 мм. Прорезь была выполнена по середине стороны квадрата длиной 50 мм шириной 2 мм. Параметры импульсного генератора были следующие: максимальный импульсный ток – 100 кА, напряжение – до 30 кВ, длительность импульса – от 1 до 5 мкс. Импульсом тока, проходящим через плоский проводник, была создана трещина в исследуемом образце. Далее на поверхность образца было наклеено оптическое волокно с решеткой Брэгга, середина которой была установлена приблизительно над трещиной. Полуширина спектра излучения полупроводникового лазера – 0.015 нм, центральная длина волны излучения при комнатной температуре – 1551,3 нм. Волоконная решетка Брэгга была изготовлена на отрезке одномодового оптического волокна, длина решетки – 10 мм, полуширина спектра отражения – 0,07 нм, резонансная длина волны – 1150,6 нм, коэффициент отражения на резонансной длине волны – 0,8. То есть, параметры лазера и волоконной решетки Брэгга соответствовали формуле изобретения.The claimed device was tested on an experimental model. The study was carried out on a polymethyl methacrylate sample with a thickness of 5 mm and dimensions of 200x200 mm. A slot was made in the middle of the side of a square 50 mm long and 2 mm wide. The parameters of the pulse generator were as follows: maximum pulse current - 100 kA, voltage - up to 30 kV, pulse duration - from 1 to 5 μs. A current pulse passing through a flat conductor created a crack in the sample under study. Next, an optical fiber with a Bragg grating was glued onto the surface of the sample, the middle of which was installed approximately above the crack. The half-width of the semiconductor laser radiation spectrum is 0.015 nm, the central wavelength of the radiation at room temperature is 1551.3 nm. The fiber Bragg grating was manufactured on a piece of single-mode optical fiber, the grating length was 10 mm, the half-width of the reflection spectrum was 0.07 nm, the resonant wavelength was 1150.6 nm, and the reflectance at the resonant wavelength was 0.8. That is, the parameters of the laser and fiber Bragg grating corresponded to the claims.

Измерение скоростей раскрытия трещины производилось при обычном механическом нагружении материала образца. Осциллограмма выходного напряжения на выходе фотоприемного модуля отраженного излучения решеткой Брэгга приведена на фиг. 2. Из осциллограммы следует, что до начал нагружения сигнал был приблизительно 0,04 В, после 0,1 В, т.е. имело место расширение трещины. Имела место также упругая деформация материала – после максимального значения сигнала, имело место частичное уменьшение удлинения трещины. Наличие минимума зависимости U(t) обусловлено тем, что максимальное растяжение решетки Брэгга было таковым, что ее резонансная длина волны оказалась больше длины волны излучения полупроводникового лазера.Crack opening rates were measured under normal mechanical loading of the sample material. An oscillogram of the output voltage at the output of the photodetector module of reflected radiation by a Bragg grating is shown in Fig. 2. From the oscillogram it follows that before the start of loading the signal was approximately 0.04 V, after 0.1 V, i.e. there was expansion of the crack. There was also elastic deformation of the material - after the maximum value of the signal, there was a partial decrease in the elongation of the crack. The presence of a minimum in the U ( t ) dependence is due to the fact that the maximum stretching of the Bragg grating was such that its resonant wavelength turned out to be greater than the wavelength of the semiconductor laser radiation.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет определить все необходимые параметры раскрытия трещины, но является нечувствительным к сильным импульсным магнитным полям вследствие применения оптических световодов. Заявляемое устройство позволяет контролировать рабочую длину полупроводникового лазера относительно спектра отражения волоконной решетки Брэгга, что дает возможность выполнить регулировку устройства либо в ручном режиме, либо с использованием стандартных систем автоматического регулирования, используя измеряемое отношение прошедшего и отраженного сигналов волоконной решетки Брэгга. То есть, заявляемое устройство позволяет осуществить термокомпенсацию при проведении измерений.Thus, the inventive device makes it possible to determine all the necessary parameters of crack opening, but is insensitive to strong pulsed magnetic fields due to the use of optical fibers. The inventive device makes it possible to control the working length of a semiconductor laser relative to the reflection spectrum of a fiber Bragg grating, which makes it possible to adjust the device either manually or using standard automatic control systems, using the measured ratio of the transmitted and reflected signals of the fiber Bragg grating. That is, the inventive device allows for thermal compensation during measurements.

Claims (5)

Устройство для измерения скорости раскрытия трещины, состоящее из источника оптического излучения, волоконных решеток Брэгга, фотоприемных модулей, отличающееся тем, что устройство содержит одно или несколько оптических волокон с решетками Брэгга с коэффициентом отражения на резонансной длине волны от 10 до 90%, оптические волокна закреплены на поверхности исследуемого материала перпендикулярно прорези на образце материала, точки крепления оптических волокон расположены на расстоянии от 10 мм до 20 мм, выходной торец каждого из оптических волокон с решетками Брэгга подсоединен к своему фотоприемнику, один или несколько полупроводниковых лазеров подключены к одному или нескольким оптическим волокнам с решетками Брэгга через волоконные циркуляторы, еще один порт каждого из циркуляторов подключен к своему фотоприемнику, A device for measuring the speed of crack opening, consisting of a source of optical radiation, fiber Bragg gratings, photodetector modules, characterized in that the device contains one or more optical fibers with Bragg gratings with a reflectance at the resonant wavelength from 10 to 90%, the optical fibers are fixed on the surface of the material under study perpendicular to the slot on the material sample, the attachment points of the optical fibers are located at a distance from 10 mm to 20 mm, the output end of each of the optical fibers with Bragg gratings is connected to its photodetector, one or more semiconductor lasers are connected to one or more optical fibers with Bragg gratings through fiber circulators, one more port of each of the circulators is connected to its own photodetector, полуширину спектра σ LD излучения полупроводникового лазера выбирают существенно меньше полуширины спектра σ FBG отражения волоконной решетки Брэгга, half-width of the spectrum σ LD radiation of a semiconductor laser is chosen significantly less than the half-width of the spectrum σ FBG reflection fiber Bragg grating, рабочая длина волны полупроводникового лазера задана в пределах от λ FBG+0.4 σ FBG до λ FBG+1.3 σ FBG, где λ FBG резонансная длина волны отражения волоконной решетки Брэгга,The operating wavelength of the semiconductor laser is set in the range from λ FBG +0.4 σ FBG before λ FBG +1.3 σ FBG , where λ FBG resonant reflection wavelength of fiber Bragg grating, фотоприемники и синхронизатор импульсов генератора тока подключены к выходам многоканального аналого-цифрового преобразователя,photodetectors and a pulse synchronizer of the current generator are connected to the outputs of a multichannel analog-to-digital converter, по времени задержки между сигналом синхронизатора импульсов и сигналом отраженного излучения решеткой Брэгга определяют скорость раскрытия трещины в направлении, параллельном прорези образца материала, по величине сигнала – ширину трещины в процессе раскрытия, по длительности импульса отраженного решеткой Брэгга – скорость расширения трещины, по задержке между импульсом синхронизатора и прерыванием прохождения света через оптическое волокно – время до разрушения волокна вследствие превышения допустимой величины растяжения волокна, по величине отношения мощности, прошедшей через световод с решеткой Брэгга, и отраженной мощности определяют взаимное положение рабочей длины волны полупроводникового лазера и спектра отражения решетки Брэгга.by the delay time between the signal of the pulse synchronizer and the signal of the reflected radiation by the Bragg grating, the speed of crack opening in the direction parallel to the slot of the material sample is determined; by the magnitude of the signal - the width of the crack in the process of opening; by the duration of the pulse reflected by the Bragg grating - the speed of crack expansion; by the delay between the pulse synchronizer and interruption of the passage of light through the optical fiber - the time until the fiber is destroyed due to exceeding the permissible value of fiber stretching, the relative position of the operating wavelength of the semiconductor laser and the reflection spectrum of the Bragg grating is determined by the ratio of the power passed through the fiber with the Bragg grating and the reflected power.
RU2023116497A 2023-06-22 Crack opening rate measuring device RU2805128C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2805128C1 true RU2805128C1 (en) 2023-10-11

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1397728A1 (en) * 1987-03-31 1988-05-23 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Device for contactless determination of height of surface roughness
SU1619017A1 (en) * 1987-03-26 1991-01-07 Военная академия им.Ф.Э.Дзержинского Method of measuring rate of crack propagation
US5639968A (en) * 1995-10-23 1997-06-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Optical fiber strain-to-failure sensor
RU2596694C1 (en) * 2015-07-27 2016-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) Method of measuring length of cracks and speed of its development in bent and stretched elements of structures
RU2603939C1 (en) * 2015-07-20 2016-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation
RU210679U1 (en) * 2021-12-27 2022-04-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" Device for monitoring, storing and transmitting information on the state of a crack in the structure of buildings and artificial structures

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1619017A1 (en) * 1987-03-26 1991-01-07 Военная академия им.Ф.Э.Дзержинского Method of measuring rate of crack propagation
SU1397728A1 (en) * 1987-03-31 1988-05-23 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Device for contactless determination of height of surface roughness
US5639968A (en) * 1995-10-23 1997-06-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Optical fiber strain-to-failure sensor
RU2603939C1 (en) * 2015-07-20 2016-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation
RU2596694C1 (en) * 2015-07-27 2016-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) Method of measuring length of cracks and speed of its development in bent and stretched elements of structures
RU210679U1 (en) * 2021-12-27 2022-04-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" Device for monitoring, storing and transmitting information on the state of a crack in the structure of buildings and artificial structures

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7599047B2 (en) Method and system for simultaneous measurement of strain and temperature
Zhang et al. Performance evaluation of BOTDR-based distributed fiber optic sensors for crack monitoring
Igawa et al. Distributed measurements with a long gauge FBG sensor using optical frequency domain reflectometry (1st report, system investigation using optical simulation model)
Chamoin et al. An educational review on distributed optic fiber sensing based on Rayleigh backscattering for damage tracking and structural health monitoring
Bernini et al. Identification of defects and strain error estimation for bending steel beams using time domain Brillouin distributed optical fiber sensors
KR101498381B1 (en) System for monitoring three-dimension shape of pipe-structure using fiber bragg grating sensor
Rao et al. Structural health monitoring (SHM) using strain gauges, PVDF film and fiber bragg grating (FBG) sensors: A comparative study
RU2805128C1 (en) Crack opening rate measuring device
Nawrot et al. Mechanical strain-amplifying transducer for fiber Bragg grating sensors with applications in structural health monitoring
Pozzi et al. Development and laboratory validation of in-line multiplexed low-coherence interferometric sensors
Gu et al. Method and theory for a multi-gauge distributed fiber optic crack sensor
Latini et al. Fiber optic sensors system for high-temperature monitoring of aerospace structures
Zhao et al. Crack width measurement with OFDR distributed fiber optic sensors considering strain redistribution after structure cracking
JP3502329B2 (en) Optical fiber strain measurement method and apparatus
Inaudi et al. Fiber optic sensors for structural control
Zalt et al. Evaluating sensors for bridge health monitoring
Buchoud et al. Development of an automatic algorithm to analyze the cracks evolution in a reinforced concrete structure from strain measurements performed by an Optical Backscatter Reflectometer
Vanlanduit et al. Strain Monitoring
RU2248540C1 (en) Fiber-optic temperature and deformation pick-up
Schoenwald et al. Evaluation of an OTDR microbend distributed sensor
Zimmermann et al. Optical time domain reflectometry for local strain measurements
Tsybulnyk et al. Method of determining the strain value from the output signal of the fiber optical sensor
Culshaw Optical fibres in NDT: a brief review of applications
Jinachandran et al. Fibre Bragg grating based acoustic emission measurement system for structural health monitoring applications, Materials, 2021, vol. 14
Kiesewetter et al. Application of Fiber Bragg Gratings for Measuring the Crack Opening Rate