SU1758420A1 - Способ контрол деформаций материала - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, к неразрушающим методам контрол  напр женно-деформированного состо ни  конструкций. Оно может быть использовано в авиационной, судостроительной , космической и станкостроительной промышленности дл  неразрушающего контрол  многослойных конструкций Целью изобретени   вл етс  расширение класса контролируемых материалов за счет многослойных материалов и расширение диапазона измерений в область больших деформаций. Материал соедин ют со световодами , направл ют на их торцы свет и регистрируют интенсивность его на выходе из световодов, по величине которой суд т о деформаци х. Световоды укладывают в демпфирующую оболочку по синусоидальным эквидистантным траектори м с одинаковым перепадом синусоид в пор дке их возрастани . Демпфирующую оболочку помещают между сло ми многослойного материала. 1 з.п. ф-лы. 1 ил. ел С

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, к неразрушающим методам контрол  напр женно-деформированного состо ни  конструкций, Оно может быть использовано в авиационной, судостроительной , космической и станкостроительной промышленности дл  неразрушающего контрол  многослойных конструкций.

Известен волоконно-оптический датчик температуры, который содержит последовательно соединенные источник когерентного излучени , разветвитель излучени , два световода , подключенных входами к выходам разветвител , а выходами - к входам сумматора излучени , и регистратор изменени 

разности фаз, При этом световоды выполнены равной оптической длины и из материала с различной температурной фазовой чувствительностью разного знака.

Этому известному устройству присущ недостаток - ограниченность диапазона измер емых величин, котора  определ етс  максимальной величиной разности коэффициента температурной фазовой чувствительности .

Другой недостаток устройства - высока  инерционность его действи . Малое изменение измер емой физической величины (в данном случае температуры) сказываетс  на изменении фазы сигнала на выходе из световодов с определенной, достаточно

VI О 00

N го

о

большой задержкой, что снижает производительность измерительных операций.

Кроме того, неравномерность температурных полей в реальных конструкци х неизбежно приводит к большим погрешност м измерении физических величин. Этот фактор особенно сильно оказывает вли ние при измерени х, проводимых с помощью световодов большей длины на реальных издели х больших размеров. Поэтому известное устройство мало применимо дл  измерений деформационных характеристик многослойных конструкций,

Известен другой способ и устройство дл  измерений деформаций (перемещений) с помощью волоконного световода, заключающийс  о том, что на поверхности издели  размещаетс  волоконный световод, воспринимающий напр жени , возникающие от внешних воздействий на изделие. Через световод пропускаетс  световой поток , содержащий ограниченную группу сер- дцевидных мод колебаний, которые перераспредел ютс  при внешнем воздействии на изделие. Эти изменени  регистрируютс  и используютс  дл  интерпретации величины механического напр жени , действующего на световод.

Недостаток способа-ограниченный диапазон измер емых деформаций, обусловленный малым предельным значением упругой деформации светопровод щей жилы световода. При кварцевых световодах эта величина обычно меньше 1%.

Другой существенный недостаток способа - большие погрешности измерений, возникающие из-за температурных деформаций , сравниваемых по величине с упругими деформаци ми световода.

Наиболее близким техническим решением  вл етс  устройство дл  измерени  деформаций материалов, содержащее источник света, фоторегистратор, два световода , торцы которых завулканизированы в резиновую втулку, имеющую штуцер. Резинова  втулка неподвижно закреплена на поверхности образца, деформаци  которого измен етс . В результате деформировани  испытуемого образца зазор между торцами световодов увеличиваетс , что приводит к уменьшению светового на выходе из световода, по которому суд т о величине деформации.

Недостаток устройства - ограниченный диапазон измер емых деформаций, обусловленный тем, что увеличение зазора между торцами световодов ведет к резкому уменьшению светового потока на выходе из световодов, например, потери в зазоре, равном 100 мкм, составл ют 2 дБ. Дальнейшее увеличение зазора неизбежно приводит к такому увеличению оптических потерь, чтс на выходе из световодов получают очень слабый световой поток - погрешности измерений резко увеличиваютс . При зазоре, превышающем удвоенный диаметр светоотражающей жилы световода, световой поток на выходе затухает до нул , и устройство становитс  неработоспособным.

0 Другой существенный недостаток устройства заключаетс  в неодинаковой чувствительности в диапазоне измер емых деформаций. Это обусловлено значительной нелинейностью зависимости оптиче

5 ских потерь от зазора между световодами. Кроме того, известное устройство предназначено дл  измерений деформаций о небольших локальных зонах образца, размер которых определ етс  величиной зазора

0 между световодами. Применение устройстг ва дл  измерений больших (интегральных) деформаций конструкций практически невозможно .

Цель изобретени  - расширение класса

5 контролируемых материалов за счет многослойных материалов и расширение диапазона измерений в область больших деформаций.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что

0 исследуемый многослойный материал соедин ют со световодами разной длины, предварительно уложенными в демпфирующую оболочку по синусоидальным эквидистантным траектори м с одинаковым периодом

5 синусоид в пор дке возрастани  амплитуд синусоид, направл ют на входные торцы световодов излучение, деформируют материал , регистрируют интенсивность излучени , прошедшего через световоды, и по ее

Q величине суд т о величине деформации. При этом демпфирующую оболочку помещают между сло ми многослойного материала и сцепл ют поверхности оболочки с примыкающими к ней сло ми материала. Дл  дее мпфпрующей оболочки выбирают материал, модуль упругости которого в три раза меньше , чем модули упругости примыкающих слоев многослойного материала, дл  световодов выбирают материал с коэффициентом

п теплового расширени , близким к коэффициентам теплового расширени  оболочки и примыкающих к ней слоев многослойного материала, а толщину оболочек выполн ют по меньшей мере в три раза меньше толщины примыкающих слоев.

Изобретение содержит в себе следующие признаки: световоды разной длины предварительно укладывают в демпфирующую оболочку по синусоидальным эквидистантным траектори м с одинаковым

5

периодом синусоид в пор дке возрастание амплитуд синусоид.

Перечисленные выше признаки способа позвол ют существенно расширить диапазон измерений деформаций за счет увеличени  числа световодов. Пусть напри- мер, необходимо подн ть верхнюю границу измер емых деформаций выше значени  , которое соответствует стреле прогиба световода , равной yimax. Тогда добавление только одного световода, изогнутого со стрелой прогиба умтах yimax, обеспечит измерение деформации, большей, чем предыдуща , на величину пропорциональную (ун1 - yi).

В прототипе верхн   граница диапазона измер емой физической величины ограничена предельно допустимой величиной зазора между торцами световодов, дальнейшее увеличение которого приводит к уменьшению светового потока на выходе из световода практически до нул , а значит, к потере работоспособности устройства, реализующего способ

Наличие в предложенном решении группы световодов разной длины с разной стрелой прогиба позвол ет разделить диапазон измер емых деформаций на поддиа- пазоны с равной максимальной чувствительностью, что обеспечиваетс  подбором необходимой величины стрелы прогиба световодов. В известном решении чувствительность, а значит погрешность измерени  мен ютс  в пределах, диапазона измерени  из-за нелинейности характеристики преобразовани  при больших зазорах между торцами световодов, приближающихс  к предельному значению.

Таким образом, указанные выше признаки предложенного решени  позвол ют получить положительный эффект - расширение диапазона измерений в область больших деформаций.

Кроме того, дл  расширени  класса контролируемых материалов демпфирующую оболочку помещают между (или над) сло ми многослойного материала и сцепл ют поверхности оболочки с примыкающими к ней сло ми материала, дл  демпфирующей оболочки выбирают материал , модуль упругости которого более, чем в три раза меньше, чем модуль упругости примыкающих слоев многослойного материала, дл  световодов выбирают материал с коэффициентом теплового расширени  (КТР), близким к КТР оболочки и примыкающих к ней слоев многослойного материала, а толщину оболочек выполн ют по меньшей мере в три раза меньше толщины примыкающих слоев.

Совокупность перечисленных выше признаков существенно отличлетсч от признаков известных решений.

На чертеже изображено устройство дл 

контрол  деформаций, материала дл  многослойных конструкций.

Устройство состоит из источника 1 оптического излучени , разветвител  2 излучени , группы световодов 3 (каждый из

0 которых, кроме одного, изогнуты по синусоидальным эквидистантным траектори м с одинаковым периодом синусоид с пор дке возрастани  амплитуд синусоид), заключенных в демпфирующую оболочку 4.соединен5 ную неподвижно с примыкающими сло ми многослойной конструкции 5, фотоприем- ников 6, регистрирующих блокое 7. Поток света от источника 1 излучени  раздел етс  в разветвителе 2 излучени  па несколько

0 равноамплитудных и равнофазных потоков, которые через световоды 3 поступают на фотоприемники б, каждый из которых преобразует оптический сигнал в электрический , регистрируемый соответствующим

5 регистрирующим блоком 7,

Устройство работает следующим образом .

При возведении на многослойную конструкцию , например, расг гивающих

0 усилий, последн   деформируетс , что про вл етс  в удпинении примыкающих слоев и, следовательно, через демпфирующую оболочку 4 к удлинению световодос 3. В результате этого световоды 3, изогнутые

с по синусоиде, распр мл ютс , что ведет к изменению светового потока па выходе из них. Благодар  тому, что исходна  стрела прогиба световодов 3 различие, при удлинении многослойной оболочки репы прогиба

А световодов 3 уменьшаютс . Аналогичное распр мление наблюдаетс  у следующих световодов 3. Так как потери в световодах 3 уменьшаютс  с уменьшением стрелы и прогиба, то на выходе каждого из световоc дов 3 наблюдаетс  увеличение мощности светового потока, которое регистрируетс  соответствующим блоком 7. Крайний гвето- вод 7, у которого стрела прогиба равна нулю , удлин етс  за счет имеющихс  в нем микроизгибов (4). Дальнейшее увеличение

0

5

нагрузки приводит к пропорциональному увеличению удлинени , которое может оказатьс  предельно допустимым дл  крайнего световода 3, в результате чего в его escort росод щей жиле происходит микрорастрескивание , и световой поток через него не проходит - на выходе наблюдают падение светового потока почти до нул . Регистраци  величины нагрузки в момент падени  светового потока свидетельствует о предразрушающем состо нии светоотражающей оболочки световода(прочность светопровод щей жилы составл ет детерминированную часть прочности элемента конструкции). Зна  заранее величину меха- нического усили , при котором деформаци  световода 3 достигает предельно допустимого значени , можно контролировать момент возникновени  опасных дл  многослойной конструкции усилий. После выхода из стро  крайнего световода 3 устройство продолжает функционировать аналогично: функцию крайнего световода 3, сигнализирующего о наступлении предраз- рушающего состо ни  конструкции, выпол- н ет следующий световод 3.

Контроль прочности и прогнозирование предельного состо ни  конструкции осуществл етс  по значени м, фиксируемым в регистрирующих блоках 7 с помощью известных коррел ционных зависимостей оптических потерь в световодах 3 от раст гивающих усипий.

Claims (2)

1. Способ контрол  деформаций материала , заключающийс  в том, что исследуемый материал соедин ют со световодами, направл ют на входные торцы световодов излучение, деформируют материал, регист-

рируют интенсивность излучени , прошедшего через световоды, и по ее величине суд т о величине деформаций, отличающийс  тем, что, с целью расширени  класса контролируемых материалов за счет многослойных материалов и расширени  диапазона измерении в область больших деформаций, выбирают световоды разной длины, предварительно укладывают их в демпфирующую оболочку по синусоидальным эквидистантным траектори м с одинаковым периодом синусоид в пор дке возрастани  амплитуд синусоид, демпфирующую оболочку помещают между сло ми многослойного материала и сцепл ют поверхности оболочки с примыкающими к ней сло ми материала,

2. Способ по п1.отличающийс  тем, что дл  демпфирующей оболочки собирают материал, модуль упругости которого более чем в 3 раза меньше, чем модуль упругости примыкающих слоев многослойного материала, дл  световодов выбирают материал с коэффициентом теплового расширени , близким к коэффициентам теплового расширени  оболочки и примыкающих к ней слоев многослойного материала, а толщину оболочек выполн ютпо меньшей мере в 3 раза меньше толщины примыкающих слоев.

±1/

Ј.