Способ неразрушающего контроля прочности оптического волокна Российский патент 2021 года по МПК G01N29/14 G01H9/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла.

Известен способ [1, 2] определения прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла заключающийся в том, что к оптическому волокну прикладывают нагрузку, увеличивают ее до разрушения оптического волокна, на торце оптического волокна в месте разрушения измеряют радиус зеркальной зоны и определяют прочность испытуемого образца оптического волокна по формуле:

, (1)

где R – радиус зеркальной зоны; A – константа; σ – искомая оценка прочности испытуемого образца оптического волокна. Данный метод требует разрушения испытуемого образца оптического волокна.

Известны способы [3-8] определения прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла заключающийся в том, что к образцу оптического волокна прикладывают нагрузку, увеличивают ее до величины, необходимой для разрушения оптического волокна, измеряют нагрузку на оптическое волокно в момент разрушения и по этой величине оценивают прочность испытуемого образца оптического волокна. Данные методы также требуют разрушения оптического волокна.

Известен способ [9] определения энергии разрушения листового стекла, заключающийся в том, что при разрушении стекла измеряют и записывают сигнал акустической эмиссии, а затем обрабатывают записанный сигнал акустической эмиссии для определения энергии разрушения стекла (или другого параметра). Данный способ относится к разрушающим способам контроля и не предназначен для контроля прочности оптического волокна из плавленого кварцевого стекла.

Известен способ [10] определения прочности пряди оптических волокон, заключающийся в том, что к пряди оптических волокон прикладывают растягивающую нагрузку и контролируют ее, вблизи пряди оптических волокон размещают акустический сенсор, с помощью которого измеряют сигналы акустической эмиссии, увеличивают нагрузку до разрыва оптических волокон в пряди и по результатам измерений нагрузки и сигналов акустической эмиссии при обрывах волокон определяют прочность на разрыв, местоположение и время разрушения для каждого отдельного волокна. Данный способ относится к разрушающим способам контроля прочности оптических волокон.

Известны способы [11-14] определения прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла, заключающиеся в том, что оптическое волокно перематывается под нагрузкой и по заданным значениям приложенной к волокну нагрузки и интервала времени, в течение которого она приложена, рассчитывают оценки прочности оптического волокна. Данные способы неприменимы для оптических волокон внутри модульных трубок, включенных в конструкцию кабеля и т.п.

Известны способы [15-19] акустического контроля роста трещин в изделиях, заключающиеся в том, что к изделию прикладывают нагрузку, измеряют параметры акустической эмиссии, по которым оценивают глубину трещины. При этом учитывается, что параметр энергии акустической эмиссии прямо пропорционален глубине трещины [18, 19]:

, (2)

Здесь l_s – глубина трещины; p_s – параметр энергии акустической эмиссии; C – постоянная.

Известно [20-22], что для реализации указанных способов в качестве распределенного акустического сенсора может быть использовано оптическое волокно с подключенной к нему измерительной системой (Distributed Acoustic Sensor – DAS). Однако все вышеперечисленные способы [14-22] не предназначены для контроля прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла.

Известен способ контроля прочности пряди оптических волокон [23], заключающийся в том, что к пряди оптических волокон прикладывается растягивающая нагрузка, около пряди оптических волокон размещают акустический сенсор, с помощью которого измеряют сигналы акустической эмиссии, по результатам обработки которых оценивают прочность пряди оптических волокон. Данный метод не позволяет определять прочность отдельных оптических волокон.

Известен способ [24] измерения роста дефектов в композитной структуре, заключающийся в том, что к нагруженной композитной структуре подключают датчики нагрузки и датчики акустической эмиссии, измеряют нагрузку и данные акустической эмиссии, по результатам обработки которых оценивают характеристики композитной структуры. Данный способ неразрушающего контроля состояния объекта не предназначен для контроля прочности оптического волокна из плавленого кварцевого стекла. Способ требует непосредственного подключения источника механической нагрузки для создания напряжения от вибрации и/или скручивания к этой композитной структуре. Это сложно реализовать на длине оптического волокна в конструкции кабеля. Данный способ требует подключения к испытуемой композитной структуре датчиков нагрузки и акустических датчиков, что делает устройство для реализации способа достаточно сложным и увеличивает его стоимость. Все это ограничивает область применения данного способа.

От указанных недостатков свободен наиболее близкий к заявляемому способ неразрушающего контроля прочности оптического волокна [25], заключающийся в том, что в тестируемом оптическом волокне создают напряжение с помощью источника акустического воздействия, расположенного вблизи оптического волокна, это же оптическое волокно с подключенной к нему измерительной системой используют как распределенный акустический датчик, с помощью которого регистрируют акустической сигнал в зоне акустического воздействия, по результатам обработки данного сигнала выделяют сигнал акустической эмиссии и сигнал акустического воздействия, причем при одних и тех же условиях измерения предварительно выполняют для образцового оптического волокна, прочность которого известна, а затем для контролируемого оптического волокна, после чего рассчитывают прочность контролируемого оптического волокна по формуле

, (3)

где σ₀, σ_T – оценки прочности образцового и контролируемого оптического волокна, соответственно.

W_a0 , W_aT – оценки энергии акустической эмиссии, полученные в результате измерений на образцовом и контролируемом оптических волокнах для зоны акустического воздействия, соответственно;

W_s0 , W_sT – оценки энергии сигнала акустического воздействия, полученные в результате измерений на образцовом и контролируемом оптических волокнах для зоны акустического воздействия, соответственно;

n – коэффициент коррозии плавленого кварцевого стекла оптического волокна.

Основной недостаток данного способа заключается в том, он не предусматривает при обработке принятого сигнала выделения из сигнала акустической эмиссии полезного сигнала. На тестируемое оптическое волокно, функционирующее как распределенный акустический сенсор помимо предусмотренного способом источника акустического воздействия действуют сторонние источники, которые создают помехи, что приводит к погрешностям искомых оценок прочности оптического волокна. Известно, что наиболее информативной и существенной составляющей результата взаимодействия акустического сигнала с трещинами является нелинейная акустическая эмиссия [26]. Однако данный способ не предусматривает выделения из принимаемого сигнала компонент, соответствующих нелинейной акустической эмиссии. В итоге, это приводит к дополнительным погрешностям оценок прочности оптического волокна, что ограничивает область применения способа.

Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения.

Эта сущность достигается тем, что согласно способа неразрушающего контроля прочности оптического волокна в оптическом волокне создают напряжение с помощью источника акустического воздействия, расположенного вблизи оптического волокна, это же оптическое волокно с подключенной к нему измерительной системой используют как распределенный акустический датчик, с помощью которого регистрируют акустической сигнал в зоне акустического воздействия, по результатам обработки данного сигнала выделяют сигнал акустической эмиссии и сигнал акустического воздействия, причем при одних и тех же условиях измерения предварительно выполняют для образцового оптического волокна, прочность которого известна, а затем для контролируемого оптического волокна, после чего рассчитывают прочность контролируемого оптического волокна, при этом напряжение в оптическом волокне создают источником акустического воздействия, работающем на одной частоте, при обработке регистрируемого сигнала выделяют из него сигнал нелинейной акустической эмиссии на гармониках частоты источника акустического воздействия и рассчитывают прочность контролируемого оптического волокна по формуле

, (4)

где , – оценки прочности образцового и контролируемого оптического волокна, соответственно;

, – амплитуды регистрируемого сигнала на частоте источника акустического воздействия для образцового и контролируемого оптического волокна, соответственно;

где , – амплитуды регистрируемого сигнала на i-той гармонике частоты источника акустического воздействия для образцового и контролируемого оптического волокна, соответственно;

N – число гармоник частоты источника акустического воздействия, которые можно выделить на спектральной характеристике регистрируемого сигнала на фоне помех.

На фиг. 1 приведена схема варианта реализации заявляемого способа. Устройство включает образцовое оптическое волокно 1, прочность которого σ₀ известна, контролируемое оптическое волокно 2, источник акустического воздействия 3, измерительную систему 4 и оптический коммутатор 5. Вход измерительной системы 4 соединен со входом оптического коммутатора 5, первый выход которого подключен к образцовому оптическому волокну 1, а его второй выход к контролируемому оптическому волокну 2, при этом источник акустического воздействия расположен вблизи контролируемого волокна 2 и образцового волокна на расстоянии 0,01 м-10,0 м.

Устройство работает следующим образом. Предварительно измерительная система 4 через оптический коммутатор 5 подключается к образцовому оптическому волокну 1. Источник акустического воздействия 3 формирует акустический сигнал на одной частоте, который воздействует на образцовое оптическое волокно 1. Под акустическим воздействием образцовое оптическое волокно 1 в зоне воздействия изгибается с частотой сигнала акустического воздействия, что создает механические напряжения на изгибах образцового оптического волокна 1. При изгибах образцового оптического волокна 1 микротрещины на его поверхности открываются и закрываются с частотой сигнала акустического воздействия. В результате в напряженном на изгибах образцовом оптическом волокне 1 из-за микротрещин на его поверхности формируется сигнал нелинейной акустической эмиссии, который принимает распределенный акустический датчик из образцового оптического волокна 1, подключенного через оптический коммутатор 5 к измерительной системе 4. В измерительной системе 4 по результатам обработки принимаемых распределенным акустическим датчиком акустических сигналов определяются оценки амплитуд гармоник частоты воздействующего акустического сигнала для образцового оптического волокна 1 в зоне акустического воздействия. Затем измерительная система 4 через оптический коммутатор 5 подключается к контролируемому оптическому волокну 2. Источник акустического воздействия формирует акустический сигнал на той же частоте, который воздействует на контролируемое оптическое волокно 2. Под акустическим воздействием контролируемое оптическое волокно 2 в зоне воздействия изгибается с частотой сигнала акустического воздействия, что создает механические напряжения на изгибах контролируемого оптического волокна 2. При изгибах контролируемого оптического волокна 2 микротрещины на его поверхности открываются и закрываются с частотой сигнала акустического воздействия. В результате в напряженном на изгибах контролируемом оптическом волокне 2 из-за микротрещин на его поверхности формируется сигнал нелинейной акустической эмиссии, который принимает распределенный акустический датчик из контролируемого оптического волокна 2, подключенного через оптический коммутатор 5 к измерительной системе 4. В измерительной системе 4 по результатам обработки принимаемых распределенным акустическим датчиком акустических сигналов определяются оценки амплитуд гармоник частоты воздействующего акустического сигнала для контролируемого оптического волокна 2 в зоне акустического воздействия. После чего, по формуле (4) рассчитывается прочность контролируемого оптического волокна 2.

В отличие от известного способа, которым является прототип, в предлагаемом способе при обработке сигнала, принимаемого с помощью оптического волокна как распределенного акустического датчика, выделяют сигнал нелинейной акустической эмиссии на гармониках частоты источника акустического воздействия, работающего на одной частоте. Это позволяет существенно снизить помехи, обусловленные сторонними источниками акустического воздействия, и тем самым повысить точность оценок прочности оптического волокна. А это, в свою очередь, расширяет область применения предлагаемого способа по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. Mecholsky J.J., Rice R.W., Freiman S.W. Prediction of Fracture Energy and Flaw Size in Glasses from Measurements of Mirror Size// J. of Amer. Ceram. Soc., v.57(10), pp. 440-443 (1973).

2. Castilone R.J., Glaesemann G.S., Hanson T. A. Relationship Between Mirror Dimensions and Failure Stress for Optical Fibers// Proceedings of SPIE, v.4639, pp.11-20 (2002)

3. Nelson G.J., Matthewson M.J., Lin B. A novel four-point bend test for strength measurement of optical fibers and thin beams. I. Bending analysis // J. of Lightwave Technology, v.14(4), pp. 555-563 (1996).

4. Matthewson M.J., Nelson G.J. A novel four-point bend test for strength measurement of optical fibers and thin beams. II. Statistical analysis // J. of Lightwave Technology, v.14(4), pp. 564-571 (1996).

5. ГОСТ Р МЭК 60793-1-31-2010.

6. ГОСТ Р МЭК 60793-1-33-2014.

7. IEC TR 62048:2014 Optical fibres – Reliability – Power law theory. 2014. 66 p.

8. ITU-T G-series Recommendations – Supplement 59, SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS, Guidance on optical fibre and cable reliability, (02/2018). 21 p.

9. Патент US 2006232403 A1.

10. Jihan S., Siddiqui A. M., Sweet M. A. S. Fracture strength of E-glass fibre strands using acoustic emission // NDT & E International, v.30(6), pp.383–388 1997).

11. Evans A.G., Wiederhorn S.M. Proof testing of ceramic materials an analytical basis for failure prediction // International Journal of Fracture, v. 10(3), pp. 379–392 (1974).

12. Hanson T.A., Glaesemann G.S. Incorporation multi-region crack growth into mechanical reliability predictions for optical fiber // Materials Science, v. 32, pp. 5305–5311 (1997).

13. Semjonov S., Glaesemann G.S. High-Speed Tensile Testing of Optical Fibers – New Understanding for Reliability Prediction. In: Suhir E., Lee Y.C., Wong C.P. (eds) Micro- and Opto-Electronic Materials and Structures: Physics, Mechanics, De-sign, Reliability, Packaging. – Springer, Boston, MA, pp. A595-A625 (2007).

14. ГОСТ Р МЭК 60793-1-30-2010.

15. Seo D.-C., Kwon I.-B., Kim C.-Y., Yoon D.-J. Fiber optic acoustic sensors for crack growth diagnostics // Proc. of SPIE, v.7004, pp. 70044T-1-4 (2008).

16. Sial T.R., Jin Y., Juan Z. Crack identification in Beams by Vibration based analysis techniques – A Review // International Journal of Science, Engineering and Technology Research (IJSETR), v.07(10), pp. 2278 -7798 (2018).

17. Патент RU 2659575 C1.

18. Shao Y., Yu Y., Zhang Y., Wei S., Li X. Analysis of acoustic emission signal characteristics based on the crack pattern of stress corrosion cracking// Tenth International Conference on Sensing Technology (ICST), pp. 1-5 (2016).

19. Wang R., Wu Q., Yu F., Okabe Y., Xiong K. Modeling of contact acoustic nonlinearity for evaluating fatigue crack in metal plate// NDT.net Issue: 2018-02, The 9th International Symposium on NDT in Aerospace, pp.1-5 (2017).

20. Muanenda Y. Recent Advances in Distributed Acoustic Sensing Based on Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometry // Hindawi Journal of Sensors, v. 2018, ID 3897873, 16 p. (2018).

21. He Z., Liu Q., Fan X., Chen D., Wang S., Yang G. A Review on Advances in Fiber-optic Distributed Acoustic Sensors (DAS) // CLEO Pacific Rim 2018, Th2L.1.pdf, 2 p. (2018).

22. Патент RU 2516346 C1.

23. Cowking A., Attou A., Siddiqui A.M., Sweet M.A .S., Hill R. Testing E-glass fibre bundles using acoustic emission // J. Mater. Sci. v. 26, pp.1301–1310 (1991).

24. Патент US 10605783 B2.

25. Патент RU 2743737 С1.

26. Zaitsev V.Yu., Gusev V.É., Castagnéde B. “Interaction of acoustic waves with cracks: Elastic and inelastic nonlinearity mechanisms on different time scales”, Acoustical Physics 51(1), 567–577(2005).

Использование: для неразрушающего контроля прочности оптического волокна. Сущность изобретения заключается в том, что в оптическом волокне создают напряжение с помощью источника акустического воздействия, расположенного вблизи оптического волокна, это же оптическое волокно с подключенной к нему измерительной системой используют как распределенный акустический датчик, с помощью которого регистрируют акустической сигнал в зоне акустического воздействия, по результатам обработки данного сигнала выделяют сигнал акустической эмиссии и сигнал акустического воздействия, причем при одних и тех же условиях измерения предварительно выполняют для образцового оптического волокна, прочность которого известна, а затем для контролируемого оптического волокна, после чего рассчитывают прочность контролируемого оптического волокна, при этом напряжение в оптическом волокне создают источником акустического воздействия, работающим на одной частоте, при обработке регистрируемого сигнала выделяют из него сигнал нелинейной акустической эмиссии на гармониках частоты источника акустического воздействия и рассчитывают прочность контролируемого оптического волокна по определенной формуле. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения погрешности при оценке прочности оптического волокна. 1 ил.

Способ неразрушающего контроля прочности оптического волокна, заключающийся в том, что в оптическом волокне создают напряжение с помощью источника акустического воздействия, расположенного вблизи оптического волокна, это же оптическое волокно с подключенной к нему измерительной системой используют как распределенный акустический датчик, с помощью которого регистрируют акустической сигнал в зоне акустического воздействия, по результатам обработки данного сигнала выделяют сигнал акустической эмиссии и сигнал акустического воздействия, причем при одних и тех же условиях измерения предварительно выполняют для образцового оптического волокна, прочность которого известна, а затем для контролируемого оптического волокна, после чего рассчитывают прочность контролируемого оптического волокна, отличающийся тем, что напряжение в оптическом волокне создают источником акустического воздействия, работающим на одной частоте, при обработке регистрируемого сигнала выделяют из него сигнал нелинейной акустической эмиссии на гармониках частоты источника акустического воздействия и рассчитывают прочность контролируемого оптического волокна по формуле

, (4)

где , – оценки прочности образцового и контролируемого оптического волокна, соответственно;

, – амплитуды регистрируемого сигнала на частоте источника акустического воздействия для образцового и контролируемого оптического волокна, соответственно;

где , – амплитуды регистрируемого сигнала на i-й гармонике частоты источника акустического воздействия для образцового и контролируемого оптического волокна, соответственно;

N – число гармоник частоты источника акустического воздействия, которые можно выделить на спектральной характеристике регистрируемого сигнала на фоне помех.