Способ контроля прочности оптического волокна Российский патент 2021 года по МПК G01N21/88 G01N29/14 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла и, в частности, контролю прочности оптического волокна в кабеле.

Известны способы [1-4] 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, включенных в конструкцию кабеля и т.п.

Известен способ [5-6] 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:

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 [7-11] акустического контроля роста трещин в изделиях, заключающиеся в том, что к изделию прикладывают нагрузку, измеряют параметры нелинейной акустической эмиссии, по которым оценивают глубину трещины. При этом, согласно [10, 11] глубина микротрещины пропорциональна суммарной энергии сигнала нелинейной акустической эмиссии, а в [12] отмечается, что на начальной стадии развития микротрещин глубина микротрещины пропорциональна амплитуде сигнала нелинейной акустической эмиссии

Здесь - глубина трещины; A_s - амплитуда сигнала нелинейной акустической эмиссии; C - константа.

При этом, для реализации указанных способов в качестве распределенного акустического сенсора может быть использовано оптическое волокно с подключенной к нему измерительной системой (Distributed Acoustic Sensor - DAS) [12-14]. Однако все вышеперечисленные способы [7-14] не предназначены для контроля прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла.

Известны способы определения прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла [15-22], 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.

Наиболее близким заявляемому является способ реализации гетеродинного эффекта в системах мониторинга состояния объектов [23], заключающийся в том, что на объект оказывают воздействие на первой частоте и на второй частоте, с помощью встроенных в объект или расположенных вблизи сенсоров измеряют сигнал нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте и по результатам обработки данных измерений определяют наличие дефектов и оценивают степень разрушения объекта. Данный способ не предназначен для контроля прочности оптических волокон. При размещении сенсоров вблизи оптического волокна на ранней стадии роста микротрещин на его поверхности практически невозможно обеспечить необходимое для измерений нелинейной акустической эмиссии отношение сигнал/помеха. По этой причине, измерения акустической эмиссии пока используются лишь для фиксации момента разрушения оптического волокна как, например, в [21-22]. Этот недостаток ограничивает возможности применения данного способа для контроля прочности оптических волокон.

Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения.

Эта сущность достигается тем, что согласно способа контроля прочности оптического волокна на контролируемый объект оказывают акустическое воздействие на первой частоте и на второй частоте, измеряют сигнал нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте и по результатам обработки данных измерений оценивают степень разрушения контролируемого объекта, при этом в качестве контролируемого объекта и распределенного акустического сенсора используют одно и тоже оптическое волокно, на которое оказывают акустическое воздействие и с помощью которого измеряют сигналы на первой, второй и разностной частотах, регулируют уровни сигналов акустического воздействия так, чтобы обеспечить равенство амплитуд сигналов, измеряемых на первой и второй частотах, после чего измеряют сигналы на первой, второй и разностной частотах, при этом предварительно выполняют измерения на образцовом оптическом волокне, прочность которого известна, а затем, при тех же условиях, на тестируемом оптическом волокне, после чего определяют прочность тестируемого оптического волокна по формуле

где σ₀, σ_T - оценки прочности образцового и тестируемого оптического волокна, соответственно.

P_a0, P_aT - оценки мощности сигналов нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте, полученные в результате измерений на образцовом и тестируемом оптических волокнах в области акустического воздействия, соответственно;

P_s0, P_sT - оценки мощности сигналов акустического воздействия на частотах воздействия, полученные в результате измерений на образцовом и тестируемом оптических волокнах в области акустического воздействия, соответственно.

На фиг. 1 приведена схема варианта реализации заявляемого способа. Устройство включает образцовое оптическое волокно 1, прочность которого σ₀ известна, тестируемое 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 тестируемому оптическому волокну 2, при этом источник акустического воздействия расположен вблизи тестируемого волокна 2 и образцового волокна 1 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 двухчастотный акустический сигнал с одинаковым уровнем на каждой из частот, который воздействует на образцовое оптическое волокно 1. Под акустическим воздействием образцовое оптическое волокно 1 в зоне воздействия изгибается, что создает механические напряжения на изгибах образцового оптического волокна 1. При изгибах образцового оптического волокна 1 микротрещины на его поверхности открываются и закрываются. В результате в напряженном на изгибах образцовом оптическом волокне 1 из-за периодически закрывающихся 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 мощности сигнала нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте и на частотах воздействующего акустического сигнала для образцового оптического волокна 1 в зоне акустического воздействия. Затем измерительная система 4 через оптический коммутатор 5 подключается к тестируемому оптическому волокну 2. Источник акустического воздействия формирует на тех же частотах двухчастотный акустический сигнал, который воздействует на тестируемое оптическое волокно 2. Под акустическим воздействием тестируемое оптическое волокно 2 в зоне воздействия изгибается, что создает механические напряжения на изгибах тестируемого оптического волокна 2. При изгибах тестируемого оптического волокна 2 микротрещины на его поверхности открываются и закрываются. В результате в напряженном на изгибах тестируемом оптическом волокне 2 из-за периодически закрывающихся микротрещин на его поверхности формируется сигнал нелинейной акустической эмиссии, который принимает распределенный акустический датчик из тестируемого 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 мощности сигнала нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте и на частотах воздействующего акустического сигнала для тестируемого оптического волокна 2 в зоне акустического воздействия. После чего, по формуле (3) определяется прочность σ_s тестируемого оптического волокна 2.

В отличие от известного способа, которым является прототип, в предлагаемом способе оптическое волокно одновременно является и контролируемым объектом, и акустическим сенсором, что позволяет обеспечивать необходимое отношение сигнал/помеха и в результате контролировать прочность оптического волокна и, тем самым, расширяет область применения предлагаемого способа по сравнению с прототипом.

ЛИТЕРАТУРА

1. 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).

2. 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).

3. 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).

4. ГОСТ Р МЭК 60793-1-30-2010.

5. 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).

6. 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).

7. 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).

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

9. Патент RU 2659575 C1.

10. 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).

11. 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).

12. Рудин А.В., Першенков П.П., Артемова Н.Е., Наумов А.С. Применение метода акустической эмиссии для оценки параметров микротрещин, развивающихся в металлах в области упругой деформации // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», (2008).

13. 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).

14. Патент RU 2516346 C1.

15. 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).

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

17. ГОСТ Р МЭК 60793-1-31-2010.

18. ГОСТ Р МЭК 60793-1-33-2014.

19. IEC TR 62048:2014 Optical fibres - Reliability - Power law theory. 2014. 66 p.

20. 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.

21. 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).

22. 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).

23. US 10191013 B2.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла. Сущность: на контролируемый объект оказывают акустическое воздействие на первой частоте и на второй частоте, измеряют сигнал нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте и по результатам обработки данных измерений оценивают степень разрушения контролируемого объекта. В качестве контролируемого объекта и распределенного акустического сенсора используют одно и то же оптическое волокно, на которое оказывают акустическое воздействие и с помощью которого измеряют сигналы на первой, второй и разностной частотах. Регулируют уровни сигналов акустического воздействия так, чтобы обеспечить равенство амплитуд сигналов, измеряемых на первой и второй частотах, после чего измеряют сигналы на первой, второй и разностной частотах, при этом предварительно выполняют измерения на образцовом оптическом волокне, прочность которого известна, а затем, при тех же условиях, на тестируемом оптическом волокне, после чего определяют прочность тестируемого оптического волокна по формуле. Технический результат: расширение области применения. 1 ил.

Способ контроля прочности оптического волокна, заключающийся в том, что на контролируемый объект оказывают акустическое воздействие на первой частоте и на второй частоте, измеряют сигнал нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте и по результатам обработки данных измерений оценивают степень разрушения контролируемого объекта, при этом в качестве контролируемого объекта и распределенного акустического сенсора используют одно и то же оптическое волокно, на которое оказывают акустическое воздействие и с помощью которого измеряют сигналы на первой, второй и разностной частотах, регулируют уровни сигналов акустического воздействия так, чтобы обеспечить равенство амплитуд сигналов, измеряемых на первой и второй частотах, после чего измеряют сигналы на первой, второй и разностной частотах, при этом предварительно выполняют измерения на образцовом оптическом волокне, прочность которого известна, а затем, при тех же условиях, на тестируемом оптическом волокне, после чего определяют прочность тестируемого оптического волокна по формуле

, (3)

где σ₀, σ_T – оценки прочности образцового и тестируемого оптического волокна соответственно;

P_a0 , P_aT – оценки мощности сигналов нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте, полученные в результате измерений на образцовом и тестируемом оптических волокнах в области акустического воздействия соответственно;

P_s0 , P_sT - оценки мощности сигналов акустического воздействия на частотах воздействия, полученные в результате измерений на образцовом и тестируемом оптических волокнах в области акустического воздействия соответственно.