RU2811416C1 - Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния - Google Patents
Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811416C1 RU2811416C1 RU2023107189A RU2023107189A RU2811416C1 RU 2811416 C1 RU2811416 C1 RU 2811416C1 RU 2023107189 A RU2023107189 A RU 2023107189A RU 2023107189 A RU2023107189 A RU 2023107189A RU 2811416 C1 RU2811416 C1 RU 2811416C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- optic
- sensor
- fibre
- frame
- Prior art date
Links
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 210000004177 elastic tissue Anatomy 0.000 claims description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения неоднородного сложного напряженно-деформированного состояния нагруженных конструкций. Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния содержит протяженный каркас - буферный слой, расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси шесть измерительных элементов. Каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод и механо-оптический чувствительный элемент, расположенный внутри световода и выполненный в виде оптоволоконной брэгговской решетки, при этом внутри каркаса расположен упругий армирующий элемент. Технический результат – определение шести независимых компонентов и/или три главных значения тензора напряжений для сложного напряженного состояния. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения неоднородного сложного напряженно-деформированного состояния нагруженных конструкций, и может быть использовано для диагностики напряженного состояния и дефектоскопии композитов, в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.
Наиболее близким устройством (датчиком) того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является волоконно-оптический датчик механических напряжений (патент RU № 2643692, опубл. 05.02.2018). Датчик состоит из протяженного цилиндрического каркаса (буферного слоя), расположенных внутри каркаса сонаправленно его оси шести измерительных элементов, каждый из которых включает волоконно-оптический световод (выполненный с возможностью подключения к измерительному устройству), механооптический чувствительный элемент (расположенный вне световода, вблизи его внешней цилиндрической поверхности) в виде комбинации пьезоэлемента и электролюминесцентного элемента (с возможностью проникновения генерируемого им света внутрь световода через его боковую цилиндрическую поверхность), два непрерывных управляющих электрода (токопроводящей линии). Датчик может встраиваться внутрь диагностируемой области (материала), например, полимерной композитной конструкции или устанавливаться на внешней поверхности конструкции. Датчик может измерять все шесть независимых компонентов и/или три главные значения тензора напряжений сложного напряженного состояния материала полимерной конструкции, в окрестности встроенного или установленного на поверхности конструкции датчика. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, – протяженный каркас (буферный слой); расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси шесть измерительных элементов; каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод и механооптический чувствительный элемент.
Недостатками известной конструкции, принятой за прототип, являются:
- низкая эффективность проникновения генерируемого электролюминесцентным элементом света внутрь световода через его боковую поверхность,
- наличие управляющих электродов (токопроводящей линии) и пьезоэлементов датчика существенно усложняет конструкцию и, как следствие, технологию создания датчика.
Указанные недостатки обуславливают наличие значительных погрешностей и, как следствие, снижение точности определения (измерения) датчиком внешнего давления или всех шести независимых компонентов и/или трех главных значений тензора напряжений для сложного напряженного состояния. При этом наличие управляющего электрического напряжения на электродах (токопроводящей линии) датчика существенно ограничивает область использования датчика, в частности, невозможно его использование на взрывоопасных объектах.
Задачей изобретения является создание волоконно-оптического датчика с повышенной точностью определения всех шести независимых компонентов и/или трех главных значений тензора напряжений для сложного напряженного состояния.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом датчике, содержащем протяженный каркас (буферный слой), расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси шесть измерительных элементов, каждый из которых включает волоконно-оптический световод и механооптический чувствительный элемент, согласно изобретению механооптический чувствительный элемент расположен внутри световода и выполнен в виде оптоволоконной брэгговской решетки, в протяженном каркасе размещено армирующее упругое волокно.
Шесть измерительных элементов могут иметь гексагональную укладку вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна.
Протяженный каркас может иметь цилиндрическую или призматическую форму с эллипсоидальным или прямоугольным поперечным сечением соответственно.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: механооптический чувствительный элемент расположен внутри световода и выполнен в виде оптоволоконной брэгговской решетки; в протяженном каркасе размещено армирующее упругое волокно; шесть измерительных элементов имеют гексагональную укладку вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна; протяженный каркас имеет цилиндрическую или призматическую форму с эллипсоидальным или прямоугольным поперечным сечением соответственно.
Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют упростить технологию изготовления волоконно-оптического датчика, уменьшить погрешности и, как результат, повысить точность определения всех шести независимых компонентов и/или трех главных значений тензора напряжений для сложного напряженного состояния.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков датчика с получением указанного технического результата.
Волоконно-оптический датчик иллюстрируется чертежом, на котором изображен фрагмент волоконно-оптического датчика сложного напряженно-деформированного состояния (встроенного в объем полимерной композитной конструкции), в котором все шесть измерительных элементов - световодов с оптоволоконными брэгговскими решетками - размещены c гексагональной укладкой вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна в протяженном цилиндрическом каркасе.
Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния (см. фиг.) содержит протяженный каркас 1 (буферный слой).
Внутри протяженного каркаса 1 расположены сонаправленно его оси шесть измерительных элементов. Каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод 2 и механооптический чувствительный элемент, расположенный внутри световода 2 и выполненный в виде оптоволоконной брэгговской решетки (см. патент RU № 2427795 от 27.08.2011г.; патент RU № 2723921 от 11.11.2019 г.).
В протяженном каркасе 1 дополнительно может быть размещено армирующее упругое волокно 3.
Шесть измерительных элементов могут иметь гексагональную укладку вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна (см. фиг.).
Протяженный каркас 1 может иметь цилиндрическую или призматическую форму с эллипсоидальным или прямоугольным поперечным сечением соответственно.
Датчик давления может включать в себя лишь один световод 2 с оптоволоконной брэгговской решеткой, при этом протяженный каркас – защитное покрытие световода.
Волоконно-оптический датчик встроен в объем полимерной композитной конструкции 4 с искомыми шестью независимыми компонентами: σ*11, σ*22, σ*33, σ*23, σ*13, σ*12 тензора напряжений σ*.
Датчик работает следующим образом.
Волоконная брэгговская решетка представляет собой оптический интерферометр, встроенный в оптическое волокно, - это периодическое изменение показателя преломления в сердцевине (световоде), например, одномодового оптического волокна.
В результате нагружения полимерной композитной конструкции 4 с искомыми шестью независимыми компонентами: σ*11, σ*22, σ*33, σ*23, σ*13, σ*12 диагностируемого тензора напряжений σ* соответствующим образом деформируется встроенный датчик, при этом имеем некоторые различные продольные (вдоль оси r 3 световода) осевые деформации e k = ε( k )33 всех шести оптоволоконных брэгговских решеток в его световодах. 2. Осевые деформации e k определяем (с использованием известных алгоритмов, см. патент RU № 2427795 от 27.08.2011г.) по результатам измерения информативных спектров отражения каждой волоконной брэгговской решетки (k=1,…,6), с учетом известного вида начального спектра отражения с центральной длиной волны для недеформированного состояния, т.е. при σ*=0. Далее, искомые шесть компонент: σ*11, σ*22, σ*33, σ*23, σ*13, σ*12 находим из решения системы шести линейных алгебраических уравнений в тензорном виде или
в правых частях которых известные значения осевых деформаций e 1, …, e 6 с учетом известных значений «передаточных» коэффициентов , которые находим известными методами механики композитов или экспериментально.
Полимерный цилиндрический каркас 1 обеспечивает несколько функций, в частности: фиксацию взаимного расположения (например, гексагональной укладки) световодов 2 с оптоволоконными брэгговскими решетками, защиту от механических повреждений и трансляционные «буферные» функции, в результате чего имеем линейный вид зависимостей продольных деформаций в световодах от диагностируемых величин «макронапряжений» и стабильность характеристик - передаточных информативных коэффициентов рассматриваемого встраиваемого датчика. Размер каркаса 1 в поперечной плоскости датчика превосходит более чем в 2 раза размер микронеоднородностей, в частности, диаметр армирующих волокон или сферических частиц диагностируемой композитной конструкции. При этом размер каркаса 1 должен быть меньше характерного размера области существенного изменения диагностируемого поля макронапряжений (т.е. градиенты должны быть несущественными на характерном размере – диаметре поперечного сечения каркаса 1 датчика), так как передаточные коэффициенты датчика определяются, как правило, для однородного сложного напряженного состояния и не учитывают вклад в диагностируемую величину значения градиента в рассматриваемой локальной области системы «датчик/конструкция».
Наличие упругого волокна 3 повышает прочность датчика, при этом варьированием значениями его механических характеристик и/или формой его поперечного сечения можно регулировать перераспределение внешней механической нагрузки на световоды 2 и, как результат, выбирать оптимальные значения передаточных коэффициентов датчика.
Техническим результатом является повышение точности нахождения всех шести независимых компонентов и/или трех главных значений тензора напряжений для сложного напряженного состояния. Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования локальной области системы «встроенный датчик/конструкция», построением информативных спектров отражения каждой волоконной брэгговской решетки (k=1,…,6), нахождением значений «передаточных» коэффициентов в рамках теории упругости через установление вида линейной зависимости продольных деформаций в световодах от величин напряжений , с учетом равенства значений , при простых случаях нагружений лишь с одной отличной от нуля и равной единице компоненте
Claims (3)
1. Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния, содержащий протяженный каркас - буферный слой, расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси шесть измерительных элементов, каждый из которых включает волоконно-оптический световод и механооптический чувствительный элемент, отличающийся тем, что механооптический чувствительный элемент расположен внутри световода и выполнен в виде оптоволоконной брэгговской решетки, в протяженном каркасе размещено армирующее упругое волокно.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что шесть измерительных элементов имеют гексагональную укладку вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что протяженный каркас имеет цилиндрическую или призматическую форму с эллипсоидальным или прямоугольным поперечным сечением соответственно.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811416C1 true RU2811416C1 (ru) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008011663A1 (en) * | 2006-07-26 | 2008-01-31 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | An apparatus for pressure sensing |
| RU2643692C1 (ru) * | 2017-04-04 | 2018-02-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния |
| RU185213U1 (ru) * | 2017-11-10 | 2018-11-26 | Закрытое Акционерное Общество "Лазер Солюшенс" | Волоконно-оптический комбинированный распределенный сенсор температуры и деформации высокого пространственного разрешения |
| RU2690732C1 (ru) * | 2018-08-07 | 2019-06-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Пьезоактюатор (варианты) |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008011663A1 (en) * | 2006-07-26 | 2008-01-31 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | An apparatus for pressure sensing |
| RU2643692C1 (ru) * | 2017-04-04 | 2018-02-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния |
| RU185213U1 (ru) * | 2017-11-10 | 2018-11-26 | Закрытое Акционерное Общество "Лазер Солюшенс" | Волоконно-оптический комбинированный распределенный сенсор температуры и деформации высокого пространственного разрешения |
| RU2690732C1 (ru) * | 2018-08-07 | 2019-06-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Пьезоактюатор (варианты) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kahandawa et al. | Use of FBG sensors for SHM in aerospace structures | |
| Lan et al. | Monitoring of structural prestress loss in RC beams by inner distributed Brillouin and fiber Bragg grating sensors on a single optical fiber | |
| Kisała et al. | Method of simultaneous measurement of two direction force and temperature using FBG sensor head | |
| CN109196394A (zh) | 利用光纤光栅传感器的位移检测装置及其灵敏度、耐久性的调节方法 | |
| Surre et al. | Study of reliability of fibre Bragg grating fibre optic strain sensors for field-test applications | |
| RU2427795C1 (ru) | Способ измерения деформации конструкции из композиционного материала | |
| Luyckx et al. | Residual strain-induced birefringent FBGs for multi-axial strain monitoring of CFRP composite laminates | |
| RU2811416C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния | |
| US9395242B2 (en) | Broadband fiber sensor array | |
| Nguyen et al. | Whispering gallery mode-based micro-optical sensors for structural health monitoring of composite materials | |
| Fedorov et al. | Structural monitoring system with fiber Bragg grating sensors: implementation and software solution | |
| Zelený et al. | Strain measuring 3D printed structure with embedded fibre Bragg grating | |
| Serovaev et al. | Numerical modeling of the capillary in the Bragg grating area, ensuring uniaxial stress state of embedded fiber-optic strain sensor | |
| Budadin et al. | Theoretical and experimental studies of structural health monitoring of carbon composites with integrated optical fiber sensors based on fiber Bragg gratings | |
| François et al. | An embedded 3d strain tensor sensor based on the eshelby’s inclusion | |
| Pieterse | An experimental four-component optical fibre balance | |
| Pashaie et al. | Discrimination between the strain and temperature effects of a cantilever beam using one uniform FBG sensor | |
| Luyckx et al. | Three-dimensional strain and temperature monitoring of composite laminates | |
| Saito et al. | Flight demonstration testing with distributed optical fiber sensor | |
| RU2799986C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик механических напряжений | |
| Takeda et al. | Application of chirped fiber Bragg grating sensors for damage identification in composites | |
| Kesavan et al. | Studies on apparent strain using FBG strain sensors for different structural materials | |
| Varghese et al. | A novel fiber Bragg grating sensor for measuring weight | |
| CN105136041B (zh) | 一种基于fbg传感器的局部位移测量装置 | |
| Osei | Monitoring of structural integrity of composite structures by embedded optical fiber sensors |