СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА РАСПРЕДЕЛЕННОГО ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Российский патент 2022 года по МПК G01B11/16 G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике при измерении спектра распределенного термо-механического воздействия (в частности, ударного импульса или силы вдавливания жестких частиц, поля температуры или концентраций адсорбирующихся химических веществ, «тактильного» поля коэффициентов трения или микрозазоров при контакте индикаторного покрытия с диагностируемой поверхностью), действующего на поверхность индикаторного полимерного покрытия, предельные случаи которого - одиночное или множественное (многоточечное) термомеханическое воздействие, в частности, при высокоскоростном ударе (например, кусочками бетонной крошки из-под переднего колеса при взлете с взлетно-посадочной полосы, осколками снарядов и пуль в боевых ситуациях), низкоскоростном ударе (например, градом) и вдавливании жестких частиц с целью индикации, количественной оценки характеристик внешних термо-механических воздействий, мониторинга и контроля сохранения эксплуатационных характеристик (например, прочностных, аэродинамических, оптических) элементов конструкций, в частности, в аэрокосмической технике, нефте-газовой промышленности и медико-биологических исследованиях.

Наиболее близким способом измерения спектра распределенного термомеханического воздействия является способ (см., например, Pan'kov А.А. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields // Sensors and Actuators A: Physical. - 2019. - vol. 288. - pp. 171-176, далее [1]), который в качестве средства измерения спектра распределенного термомеханического воздействия использует оптоволоконный пьезоэлектролюминесцентный (PEL) датчик (см. Патент RU №2630537, далее [2]), включающий в себя оптическое волокно и расположенные вокруг него электролюминесцентный и пьезоэлектрический цилиндрические слои, при этом устройство подачи электроэнергии выполняют в виде двухпроводной электрической линии (двух цилиндрических концентрических электродов), протяженной вдоль цилиндрических поверхностей пьезоэлектрического слоя, интенсивность свечения электролюминесцентного слоя и параметр интенсивности J(α_упр), в частности: величину постоянной интенсивности I(U_упр) (см. [1, 2]) или амплитуду переменной интенсивности (см. [1]) интегрального светового потока на выходе из оптоволокна регулируют посредством задаваемых значений параметра α_упр управляющего электрического напряжения U_упр(t) на выходах двухпроводной электрической линии, в частности: α_упр - это величина постоянного управляющего электрического напряжения U_упр (см. [1, 2]) или α_упр - это частота ν_упр переменной составляющей управляющего электрического напряжения U_упр(t) (см. [1]) внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии оптоволоконного PEL-датчика. Способ включает в себя нахождение спектра ƒ_ζ, в частности: давления ƒ_σ (см. [1, 2]), температуры ƒ_Т (см. [1]) в виде плотности распределения термомеханического воздействия ζ(z) по продольной координате z оптоволоконного PEL-датчика из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с использованием измеренной функции J(α_упр) - зависимости параметра J функции интенсивности светового потока, в общем, вида I(t,α_упр) на выходе из оптоволокна от управляющего параметра α_упр. В частности, измеряемую интенсивность I(U_упр) интегрального светового потока на выходе из оптоволокна PEL-датчика регулируют посредством задания значений управляющего электрического напряжения U_упр внешнего источника электроэнергии на входе двухпроводной линии датчика, искомый спектр ƒ_σ для распределенного давления σ(z) по продольной координате z датчика длиной находится из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода

с ядром Фредгольма

где I'(U_упр)=dI/dU_упр по результатам измерения функции интенсивности I(U_упр) светового потока на выходе из оптоволокна датчика для различных задаваемых значений управляющего электрического напряжения U_упр на электродах датчика, где I₀=I₀(U_люм) - известная (заданная) функция зависимости величины интенсивности I₀ светового потока на выходе из оптоволокна PEL-датчика внутри индикаторного полимерного покрытия от значения (постоянного по всей длине датчика) электрического напряжения U_люм на электролюминесцентном слое в результате однородной (по длине) светоотдачи слоя, а_1,2 - известные управляющий а₁ и информативный а₂ передаточные коэффициенты датчика (см. [1, 2]). Данный способ измерения спектра распределенного термомеханического воздействия принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - измерения спектра распределенного термомеханического воздействия, при котором используют оптоволоконный PEL-датчик (см. [2]), осуществляют регулирование величины параметра J(α_упр) интенсивности I интегрального светового потока, в общем, вида I(t,α_упр) на выходе из оптоволокна (посредством регулирования интенсивности светоотдачи электролюминесцентного слоя) через задаваемые значения параметра α_упр управляющего электрического напряжения U_упр(t) на выходах двухпроводной электрической линии, подключенной к внешнему источнику электроэнергии, нахождение спектра ƒ_ζ плотности распределения термомеханического воздействия ζ(z) по продольной координате z оптоволоконного PEL-датчика из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с использованием измеренной функции J(α_упр) - зависимости параметра J интенсивности светового потока I(t,α_упр) на выходе из оптоволокна от управляющего параметра α_упр.

Недостатками известного способа измерения спектра распределенного термо-механического воздействия являются ограниченность его применения лишь для нахождения спектра ƒ_ζ распределенного термо-механического воздействия, действующего непосредственно на внешнюю цилиндрическую поверхность датчика, невысокая точность нахождения спектра ƒ_ζ плотности распределения термо-механического воздействия ζ(z) по продольной координате z оптоволоконного PEL-датчика из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, что обусловлено наличием неизбежных вычислительных погрешностей для производной J'(α_упр) параметра интенсивности J интегрального светового потока на выходе из оптоволокна по параметру α_упр управляющего электрического напряжения U_упр, используемой в левой части интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода (см. [1, 2]).

Задачей изобретения является нахождение спектра распределенного термомеханического воздействия, действующего на рабочую (сенсорную) внешнюю поверхность индикаторного покрытия (см. Патент RU №2698958, далее [3]) как сенсорную систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя с размещенным в нем в виде спирали оптоволоконным (PEL) датчиком [2], повышение точности нахождения вспомогательного спектра ƒ_ζ распределенного термомеханического воздействия, действующего непосредственно на сам датчик [1, 2] и, как следствие, повышение точности нахождения спектра распределенного термомеханического воздействия, действующего на поверхность индикаторного покрытия [3].

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерения спектра ƒ_ζ распределенного термо-механического воздействия [1] используют оптоволоконный пьезоэлектролюминесцентный (PEL) датчик [2], осуществляют регулирование величины параметра J(α_упр) интенсивности I интегрального светового потока, в общем, вида I(t,α_упр) на выходе из оптоволокна (посредством регулирования интенсивности светоотдачи электролюминесцентного слоя) через задаваемые значения параметра α_упр управляющего электрического напряжения U_упр(t) на выходах двухпроводной электрической линии, подключенной к внешнему источнику электроэнергии, нахождение спектра ƒ_ζ распределенного термомеханического воздействия ζ(z) по продольной координате z оптоволоконного PEL-датчика из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с использованием измеренной функции J(α_упр) - зависимости параметра J интенсивности I светового потока на выходе из оптоволокна от управляющего параметра α_упр, согласно изобретению используют индикаторное покрытие [3] как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя с размещенным в нем в виде спирали оптоволоконным пьезоэлектролюминесцентным (PEL) датчиком [2], осуществляют нахождение спектра распределенного термо-механического воздействия, действующего на рабочую (сенсорную) внешнюю поверхность индикаторного покрытия [3], из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, в котором левая часть - это найденный ранее [1] спектр ƒ_ζ распределенного термо-механического воздействия ζ, действующего непосредственно на сам датчик [2], ядро Фредгольма находят с использованием известной зависимости величины непосредственного воздействия на датчик ζ(ρ) от расстояния ρ до точки приложения (центра «пятна контакта») одиночного внешнего термо-механического воздействия на поверхности индикаторного покрытия [3].

В частности, находят спектр ƒ_ζ распределенного термо-механического воздействия ζ, действующего непосредственно на оптоволоконный PEL-датчик, из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, когда его левая часть - измеренная функция J(α_упр) параметра интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна датчика.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - используют индикаторное покрытие [3] как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя с размещенным в нем в виде спирали оптоволоконным PEL-датчиком [2]; осуществляют нахождение спектра внешнего распределенного термо-механического воздействия, действующего на рабочую (сенсорную) внешнюю поверхность индикаторного покрытия [3], из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, в котором левая часть - это найденный ранее [1] спектр ƒ_ζ распределенного термо-механического воздействия ζ, действующего непосредственно на сам датчик [2], ядро Фредгольма находят с использованием известной зависимости величины непосредственного воздействия на датчик ζ(ρ) от расстояния ρ до точки приложения (центра «пятна контакта») при одиночном термо-механическом воздействии на поверхность индикаторного покрытия [3]; нахождение спектра ƒ_ζ распределенного термо-механического воздействия ζ, действующего непосредственно на датчик, из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, когда его левая часть - измеренная функция J(α_упр) параметра интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна датчика.

Отличительные признаки в совокупности с известными обуславливают достижение заявленного результата - нахождение спектра распределенного термо-механического воздействия, действующего на рабочую (сенсорную) внешнюю поверхность индикаторного покрытия [3] как сенсорную систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя с размещенным в нем в виде спирали оптоволоконным (PEL) датчиком [2], повышение точности нахождения вспомогательного спектра ƒ_ζ распределенного термо-механического воздействия, действующего непосредственно на сам датчик [1, 2] и, как следствие, повышение точности нахождения спектра распределенного термо-механического воздействия, действующего на поверхность индикаторного покрытия [3]. Уточнение спектра ƒ_ζ осуществлено в результате уточнения алгоритма цифровой обработки измеряемого параметра J(α_упр) интенсивности интегрального светового потока на выходе из оптоволокна датчика, так как исключена необходимость вычисления производной dJ/dα_упр (см. [1, 2]) измеренной функции J(α_упр) и, как следствие, исключено негативное влияние вычислительной погрешности производной dJ/dα_упр на искомый вспомогательный спектр ƒ_ζ и, как следствие, на искомый спектр

Способ измерения спектра распределенного термо-механического воздействия иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-6.

На фиг. 1 изображено индикаторное полимерное покрытие со встроенным в виде спирали оптоволоконным PEL-датчиком 1 и установленным в центре спирали фотодетектором 2 для случая непересекающихся полидисперсных «зон возмущений» 3 с «пятнами контакта» 4 при множественном (многоточечном) «ударе» жестких шаровых частиц.

На фиг. 2 изображены графики зависимости нормированной интенсивности света I(U_упр) на выходе из оптоволокна от значений управляющего электрического напряжения U_упр оптоволоконного PEL-датчика, встроенного в индикаторное покрытие, при искомом «спектре сил» f_p(F) в виде равномерного распределения на интервале значений (0.5;1.5)Н (0.2;1.2)Н (0.2;0.6)Н .

На фиг. 3 изображены графики «спектра давления» f_σ(ζ) при искомом «спектре сил» ƒ_p(F) в виде равномерного распределения на интервале значений (0.5;1.5)Н (0.2;1.2)Н (0.2;0.6)Н .

На фиг. 4 изображены графики зависимости нормированной интенсивности света I/I_mах на выходе из оптического волокна PEL-датчика в от значений величины управляющего электрического напряжения U_упр при шаге спирали Δ_ρ=1 мм 2 мм 3 мм (Δ), 4 мм 5 мм для случая одиночного силового воздействия - вдавливания в покрытие [3] одиночной жесткой шаровой частицы.

На фиг. 5, фиг. 6 изображены графики зависимости «спектра давления» ƒ_σ(ƒ) при шаге спирали Δ_ρ=5 мм (см. фиг. 5), 3 мм (см. фиг. 6) для случая одиночного силового воздействия.

Внешнее силовое воздействие на индикаторное покрытие осуществляется через упругое квазистатическое вдавливание в покрытие n одинаковых по размерам жестких шаровых частиц с «пятнами контакта» 4 разными (нормальными к поверхности покрытия) силами F_l,…,F_n, которые являются реализациями некоторой случайной величины Р, где n - число реализаций. Взаимное расположение шаровых частиц по поверхности индикаторного покрытия такое, что полидисперсные «зоны возмущений» - области внутри пунктирных окружностей 3 индикаторного покрытия от действия на частицы этих сил не пересекаются между собой; радиус зоны возмущения пропорционален значению силы, действующей на частицу в этой зоне. В каждой «макроточке» - элементарном объеме индикаторного покрытия расположен фрагмент оптоволоконного PEL-датчика, в частности, для предельного случая с шагом спирали датчика Δ_ρ → 0 в индикаторном покрытии.

Способ измерения спектра распределенного термо-механического воздействия, в частности, спектра сил вдавливаний (ударных импульсов) множества однотипных жестких шаровых частиц, распределенных по поверхности индикаторного покрытия, осуществляется следующим образом:

1) Измеряют интенсивность I(U_упр) интегрального светового потока на выходе из оптоволокна PEL-датчика для различных значений управляющего электрического напряжения U_упр на выходах двухпроводной электрической линии, подключенной к внешнему источнику электроэнергии,

2) Вычисляют «спектр давления» ƒ_σ - спектр распределенного механического воздействия (давления) вдоль PEL-датчика (внутри индикаторного покрытия) из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода

с ядром Фредгольма

где I₀=I₀(U_люм) - известная (заданная) функция зависимости величины интенсивности I₀ светового потока на выходе из оптоволокна PEL-датчика от значения (постоянного по всей длине датчика) электрического напряжения U_люм на электролюминесцентном слое в результате однородной (по длине) светоотдачи электролюминесцентного слоя, а_1,2 - известные управляющий а₁ и информативный а₂ передаточные коэффициенты датчика (см. [3]),

3) Вычисляют искомый «спектр сил» - спектр распределенного механического воздействия в виде сил вдавливаний множества однотипных жестких шаровых частиц, распределенных по поверхности индикаторного покрытия, из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода

с ядром Фредгольма

где ζ=ζ (F,r), r=r(ζ,F), r_o=r_o(F) - известные функции. Вид функции r=r(ζ,F) следует из известной монотонной зависимости ζ=ζ (F,r) (см., например, Белоус П.А. Осесимметричные задачи теории упругости. - Одесса: ОГПУ, 2000. - 183 с. ) для величины напряжения ζ в «зоне возмущений» от значений силы F и радиальной координаты r, радиус границы (окружности) «зоны возмущения» r₀≡r₀(F)=r(ζ_o,F) при действии силы F, при этом на границе зоны возмущения (r=r₀) имеем ζ₀ ≈ 0.

В общем, спектр ƒ_ζ внутреннего воздействия ζ, находят из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода по измеренной функции параметра J(α_упр) интенсивности I интегрального светового потока, в общем, вида I(t,α_упр) на выходе из оптоволокна, в частности, когда интеграл в уравнении Фредгольма равен функции производной dJ/dα_упр (см. [1, 3]) или непосредственно измеренной функции J(α_упр). При этом второй вариант обуславливает достижение заявленного результата - значительное повышение точности вычисления спектра ƒ_ζ (и, как следствие, искомого спектра ), так как исключена необходимость вычисления производной dJ/dα_упр по результатам измерения функции J(α_упр) и, как следствие, исключено негативное влияние вычислительной погрешности производной dJ/dα_упр на искомый вспомогательный спектр ƒ_ζ и, как следствие, на искомый спектр ƒ^*.

Отметим, что в случае действия на поверхность индикаторного покрытия [3] одиночного внешнего воздействия величиной F₁ искомый спектр внешнего воздействия имеет вид , где δ(р) - дельта-функция Дирака.

Преимущества заявленного способа измерения спектра распределенного термо-механического воздействия состоят в том, что способ дополнен алгоритмом перехода от вспомогательного спектра ƒ_ζ (непосредственного воздействия на датчик) к искомому спектру термо-механического воздействия, действующего на систему «покрытие/датчик» - протяженную поверхность индикаторного покрытия [3]. Уточнен алгоритм цифровой обработки измеряемого параметра J(α_упр) интенсивности интегрального светового потока на выходе из оптоволокна датчика при нахождении вспомогательного спектра ƒ_ζ.

В результате достигается технический результат - нахождение спектра распределенного термо-механического воздействия, действующего на рабочую (сенсорную) внешнюю поверхность индикаторного покрытия [3] как сенсорную систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя с размещенным в нем в виде спирали оптоволоконным (PEL) датчиком [2], повышение точности нахождения вспомогательного спектра ƒ_ζ распределенного термо-механического воздействия, действующего непосредственно на сам датчик [1, 2] и, как следствие, повышение точности нахождения спектра распределенного термо-механического воздействия, действующего на поверхность индикаторного покрытия [3].

Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования решений связанных краевых задач электроупругости о вдавливании одиночной или множества жестких шаровых частиц в поверхность представительного фрагмента индикаторного полимерного покрытия со встроенным оптоволоконным PEL-датчиком, в частности:

осуществлена численная реализация разработанного алгоритма численной обработки измеряемой интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна PEL-датчика, согласно которому задача нахождения внешнего «спектра сил» множественного удара сводится к последовательному решению двух интегральных уравнений Фредгольма 1 -го рода, когда из первого уравнения по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна находится внутренний «спектр давления» f_σ(ζ), а из второго уравнения - искомый внешний «спектр сил» по найденному ранее внутреннему «спектру давления» ζ_σ(ζ);

получены графические результаты численного моделирования измеренной функции интенсивности I(U_упр) светового потока на выходе из оптоволокна датчика, по которой последовательно найдены вспомогательный информативный внутренний «спектр давления» ƒ_σ(ζ) по длине поверхности датчика и искомый внешний «спектр сил» по площади поверхности покрытия как решений соответствующих интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода для рассматриваемых случаев одиночного и множественного «удара» жестких шаровых частиц. В частности, для случая множественного «удара» (см. фиг. 1) построены графики (см. фиг. 2, фиг. 3) интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна в зависимости от величины управляющего электрического напряжения U_упр (см. фиг. 2), графики «спектра давления» f_σ(ζ) (см. фиг. 3) для различных равномерных законов распределения искомого «спектра сил» . Для случая одиночного «удара» построены графики интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна в зависимости от величины управляющего электрического напряжения U_упр (см. фиг. 4) и графики «спектра давления» ƒ_σ(ζ) при различных значениях шага спирали (см. фиг. 5, фиг. 6).

Изобретение относится к измерительной технике. Согласно способу измерения спектра распределенного термомеханического воздействия используют оптоволоконный пьезоэлектролюминесцентный (PEL) датчик, осуществляют регулирование величины параметра J(α_yпр) интенсивности I интегрального светового потока вида I(t,a_ynp) на выходе из оптоволокна через задаваемые значения параметра α_упр управляющего электрического напряжения U_yпр(t) на выходах двухпроводной электрической линии, подключенной к внешнему источнику электроэнергии, нахождение спектра ƒ_ζ распределенного термомеханического воздействия ζ(z) по продольной координате z оптоволоконного PEL-датчика из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с использованием измеренной функции J(α_yпр) - зависимости параметра интенсивности J светового потока на выходе из оптоволокна от управляющего параметра α_упр. Новым является то, что используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя с размещенным в нем в виде спирали оптоволоконным PEL-датчиком, осуществляют нахождение спектра распределенного термомеханического воздействия, действующего на внешнюю поверхность индикаторного покрытия, из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, в котором левая часть - это найденный ранее спектр ƒ_ζ распределенного термомеханического воздействия ζ, действующего непосредственно на сам датчик, ядро Фредгольма находят с использованием известной зависимости величины непосредственного воздействия на датчик ζ (ρ) от расстояния ρ до точки приложения одиночного термомеханического воздействия на поверхности индикаторного покрытия. Технический результат - повышение точности нахождения спектра распределенного термомеханического воздействия, действующего на поверхность индикаторного покрытия. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения спектра распределенного термомеханического воздействия, при котором используют оптоволоконный пьезоэлектролюминесцентный (PEL) датчик, осуществляют регулирование величины параметра J(α_упр) интенсивности I интегрального светового потока вида I(t,α_упр) на выходе из оптоволокна через задаваемые значения параметра α_упр управляющего электрического напряжения U_упр(t) на выходах двухпроводной электрической линии, подключенной к внешнему источнику электроэнергии, нахождение спектра распределенного термомеханического воздействия по продольной координате z оптоволоконного PEL-датчика из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с использованием измеренной функции J(α_упр) - зависимости параметра интенсивности J светового потока на выходе из оптоволокна от управляющего параметра α_упр, отличающийся тем, что используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя с размещенным в нем в виде спирали оптоволоконным PEL-датчиком, осуществляют нахождение спектра распределенного термомеханического воздействия, действующего внешнюю поверхность индикаторного покрытия, из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода вида

с ядром Фредгольма

где - найденный ранее спектр распределенного термомеханического воздействия , действующего непосредственно на сам датчик,

, r_o=r_o(F) - известные функции, причем вид функции следует из известной монотонной зависимости ,

- величина напряжения в зоне возмущений,

F - значение силы,

r - радиальная координата,

r₀ - радиус границы зоны возмущения, при этом радиус границы зоны возмущения при действии силы F , а на границе зоны возмущения (r=r_o) имеем .

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что находят спектр распределенного термомеханического воздействия , действующего непосредственно на датчик, из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, когда его левая часть - измеренная функция J(α_упр) параметра интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна датчика.