ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2023 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения неоднородного сложного объемного динамического напряженного состояния, и может быть использовано для диагностики напряженного состояния и дефектоскопии композитов, в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.

Наиболее близкой конструкцией 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), расположенного внутри каркаса соноправленно его оси по меньшей мере одного из измерительных элементов, каждый из которых включает волоконно-оптический световод (выполненный с возможностью подключения к измерительному устройству), электролюминесцентный элемент (с возможностью проникновения генерируемого света внутрь световода), два непрерывных управляющих электрода и пьезоэлемент, при этом пьезоэлементы всех измерительных элементов объединены в один пьезоэлектрический слой (корпус), управляющие электроды всех измерительных элементов могут быть объединены в общую токопроводящую линию из двух непрерывных электродов. Датчик может встраиваться внутрь диагностируемой области (материала), например, полимерной композитной конструкции или устанавливаться на внешней поверхности конструкции. Датчик может измерять внешнее давление (действующее непосредственно на внешнюю цилиндрическую поверхность корпуса датчика) или измерять все шесть независимых компонент и/или три главных значения тензора напряжений (объемного сложного напряженного состояния материала полимерной конструкции в окрестности встроенного или установленного на поверхности конструкции датчика), измерять локации неоднородностей напряженного состояния по длине датчика. Данное устройство принято в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, – протяженный каркас (буферный слой); расположенный внутри каркаса соноправленно его оси по меньшей мере один из измерительных элементов; каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод (выполненный с возможностью подключения к измерительному устройству), люминесцентный элемент (с возможностью проникновения генерируемого света внутрь световода).

Недостатками известной конструкции, принятой за прототип, являются:

- низкая эффективность проникновения генерируемого электролюминесцентным элементом света внутрь световода через его боковую поверхность,

- сложность технологии создания некомпланарных поляризаций пьезоэлементов датчика,

- 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 компонент и/или трех главных значений тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния и определения локаций неоднородностей напряженного состояния по длине датчика. При этом наличие управляющего электрического напряжения на электродах (токопроводящей линии) датчика существенно ограничивает область использования датчика, в частности, невозможностью его использования на взрывоопасных объектах.

Задачей изобретения является создание волоконно-оптического датчика механических напряжений с повышенной точностью определения внешнего давления или всех шести независимых компонент и/или трех главных значений тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния и локации неоднородностей напряженного состояния по длине датчика.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом датчике механических напряжений, содержащем протяженный каркас (буферный слой), расположенные внутри каркаса соноправленно его оси, по меньшей мере один, измерительные элементы, каждый из которых включает волоконно-оптический световод (выполненный с возможностью подключения к измерительному устройству), люминесцентный элемент (с возможностью проникновения генерируемого света внутрь световода), согласно изобретению люминесцентный элемент выполнен в виде совокупности люминесцентных частиц двух типов - механолюминесцентных частиц и флюороформных частиц, которые статистически однородно распределены по длине волоконно-оптического световода с образованием механолюминесцентного оптического волокна; флюороформные и механолюминесцентные частицы имеют существенно различные (не пересекающиеся) спектры излучений; светоотдача (фотолюминесценция) флюороформных частиц вызывается воздействием «инициирующего излучения» - суммарного светового потока, включающего в себя информативный механолюминесцентный световой поток светоотдач механолюминесцентных частиц и заданный управляющий световой поток; светоотдача (фотолюминесценция) флюороформных частиц происходит при значениях интенсивности «инициирующего излучения» выше известного «порогового» значения для начала фотолюминесценции; «вход/выход» механолюминесцентного оптического волокна выполнен с возможностью входа в оптическое волокно с заданной интенсивностью управляющего светового потока, спектр которого совпадает или как можно точнее приближен к спектру излучения механолюминесцентных частиц, и с возможностью приема/цифровой обработки характеристик информативной части выходящего светового потока со спектром излучения флюороформных частиц.

Кроме того, интенсивность излучения механолюминесцентных частиц (для рассматриваемых «рабочих» диапазонов диагностируемых напряжений) может не превышать порогового значения интенсивности излучения для начала фотолюминесценции флюороформных частиц, фотолюминесценция флюороформных частиц происходит лишь при дополнительном воздействии на флюороформные частицы управляющего светового потока с соответствующей интенсивностью.

Кроме того, механолюминесцентные частицы могут располагаться в оболочке, а флюороформные частицы – в сердцевине механолюминесцентного оптического волокна со структурой «сердцевина/оболочка/защитное покрытие» или механолюминесцентные частицы могут быть частично или полностью капсулированы покрытием из флюороформных частиц с целью усиления «эффекта локальности», т.е. для уменьшения длины участка воздействия излучения механолюминесцентных частиц на флюороформные частицы.

Кроме того, датчик давления может включать в себя лишь одно механолюминесцентное оптическое волокно, при этом протяженный цилиндрический каркас – защитное покрытие оптического волокна (для случая измерения величины давления, действующего на боковую цилиндрическую поверхность датчика).

Кроме того, все шесть механолюминесцентных оптических волокон (для случая измерения всех шести независимых компонент и/или трех главных значений тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния) могут быть размещены в протяженном цилиндрическом каркасе c гексагональной укладкой вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна, при этом возможен механический контакт внешних цилиндрических поверхностей соседних волокон и/или армирующего волокна.

Кроме того, протяженный каркас может иметь цилиндрическую или призматическую форму с эллипсоидальным или прямоугольным поперечным сечением соответственно.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: люминисцентный элемент выполнен в виде совокупности люминесцентных частиц двух типов - механолюминесцентных частиц и флюороформных частиц, которые статистически однородно распределены по длине волоконно-оптического световода с образованием механолюминесцентного оптического волокна; флюороформные и механолюминесцентные частицы имеют существенно различные (не пересекающиеся) спектры излучений; светоотдача (фотолюминесценция) флюороформных частиц вызывается воздействием «инициирующего излучения» - суммарного светового потока, включающего в себя информативный механолюминесцентный световой поток светоотдач механолюминесцентных частиц и заданный управляющий световой поток; светоотдача (фотолюминесценция) флюороформных частиц происходит при значениях интенсивности «инициирующего излучения» выше некоторого порогового значения; «вход/выход» механолюминесцентного оптического волокна выполнен с возможностью входа в оптическое волокно с заданной интенсивностью управляющего светового потока, спектр которого совпадает или как можно точнее приближен к спектру излучения механолюминесцентных частиц, и с возможностью приема/цифровой обработки характеристик информативной части выходящего светового потока со спектром излучения флюороформных частиц; интенсивность излучения механолюминесцентных частиц (для рассматриваемых «рабочих» диапазонов диагностируемых напряжений) не превышает порогового значения интенсивности излучения для начала фотолюминесценции флюороформных частиц, фотолюминесценция флюороформных частиц происходит лишь при дополнительном воздействии на флюороформные частицы управляющего светового потока с соответствующей интенсивностью; механолюминесцентные частицы располагаются в оболочке, а флюороформные частицы – в сердцевине механолюминесцентного оптического волокна со структурой «сердцевина/оболочка/защитное покрытие» или механолюминесцентные частицы частично или полностью капсулированы покрытием из флюороформных частиц с целью усиления «эффекта локальности», т.е. для уменьшения длины участка воздействия излучения механолюминесцентных частиц на флюороформные частицы; датчик давления включает в себя лишь одно механолюминесцентное оптическое волокно, при этом протяженный цилиндрический каркас – защитное покрытие оптического волокна (для случая измерения величины давления, действующего на боковую цилиндрическую поверхность датчика); все шесть механолюминесцентных оптических волокон (для случая измерения всех шести независимых компонент и/или трех главных значений тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния) размещены в протяженном цилиндрическом каркасе c гексагональной укладкой вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна, при этом возможен механический контакт внешних цилиндрических поверхностей соседних волокон и/или армирующего 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 механических напряжений, уменьшить погрешности и, как результат, повысить точность определения внешнего давления или всех шести независимых компонент и/или трех главных значений тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния и локации неоднородностей напряженного состояния по длине датчика.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков датчика с получением указанного технического результата.

Волоконно-оптический датчик механических напряжений иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 изображен фрагмент механолюминесцентного оптического волокна (волоконно-оптического датчика давления), в котором механолюминесцентные и флюороформные частицы статистически однородно распределены по длине волоконно-оптического световода.

На фиг. 2 изображен фрагмент волоконно-оптического датчика объемного (сложного) напряженного состояния, в котором все шесть механолюминесцентных оптических волокон размещены в протяженном цилиндрическом каркасе c гексагональной укладкой вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна, при этом возможен механический контакт внешних цилиндрических поверхностей соседних волокон и/или армирующего волокна.

На фиг. 3 изображен фрагмент волоконно-оптического датчика объемного (сложного) напряженного состояния, в котором все шесть механолюминесцентных оптических волокон размещены линейно в протяженном каркасе призматической формы с прямоугольным поперечным сечением.

Волоконно-оптический датчик механических напряжений (фиг. 1-3) содержит протяженный каркас 1 (буферный слой). Внутри каркаса 1 расположен по меньшей мере один из измерительных элементов - механолюминесцентное оптическое волокно 2. Каждое механолюминесцентное оптическое волокно 2 состоит из волоконно-оптического световода 3, в котором статистически однородно по его длине распределены механолюминесцентные частицы 4 и флюороформные частицы 5 (см. фиг. 1).

Фотолюминесценция флюороформных частиц 5 вызывается воздействием излучения с интенсивностью I_ml, превышающей некоторое пороговое значение I_min, со спектром излучения механолюминесцентных частиц 4, флюороформные частицы 5 и механолюминесцентные частицы 4 имеют существенно различные частотные спектры излучений.

«Вход/выход» механолюминесцентного оптического волокна 2 выполнен с возможностью входа в оптическое волокно 2 с заданной интенсивностью I_con управляющего светового потока, спектр которого совпадает или как можно точнее приближен к спектру излучения механолюминесцентных частиц 4, и с возможностью приема/цифровой обработки характеристик информативной части интенсивности I_fl выходящего светового потока со спектром излучения флюороформных частиц (см. фиг. 1).

Интенсивность излучения I_ml механолюминесцентных частиц 4 для рассматриваемых «рабочих» диапазонов диагностируемых напряжений (давления p, см. фиг. 1) не превышает порогового значения интенсивности излучения I_min для начала фотолюминесценции флюороформных частиц 5, фотолюминесценция флюороформных частиц 5 происходит лишь при дополнительном воздействии на флюороформные частицы 5 управляющего светового потока с соответствующей интенсивностью I_con, при этом результирующее значение интенсивности I*_ml = I_ml + I’_ml, где I’_ml ≡ I_con для единого частотного спектра механолюминесцентных частиц 4 и управляющего светового потока. Излучение каждой механолюминесцентной частицы 4 распространяется лишь на небольшую локальную область (длину) механолюминесцентного оптического волокна 2, длина этой локальной области соизмерима с характерной длиной неоднородности диагностируемых механических напряжений (давления) вдоль датчика. Механолюминесцентные частицы 4 могут располагаться в оболочке, а флюороформные частицы 5 – в сердцевине механолюминесцентного оптического волокна 2 со структурой «сердцевина/оболочка/защитная оболочка» или механолюминесцентные частицы частично или полностью капсулированы покрытием из флюороформных частиц с целью усиления «эффекта локальности», т.е. для уменьшения длины участка воздействия излучения механолюминесцентных частиц 4 на флюороформные частицы 5.

Датчик давления (см. фиг. 1) включает в себя лишь одно механолюминесцентное оптическое волокно 2, при этом протяженный цилиндрический каркас 1 – защитное покрытие оптического волокна 2 (для случая измерения величины давления, действующего на боковую цилиндрическую поверхность датчика).

Все шесть механолюминесцентных оптических волокон 2 могут быть размещены в протяженном цилиндрическом каркасе 1 c гексагональной укладкой вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна 6, при этом возможен механический контакт внешних цилиндрических поверхностей соседних волокон 2 и/или армирующего волокна 6 (см. фиг. 2).

Все шесть механолюминесцентных оптических волокон 2 могут быть размещены линейно в протяженном каркасе 1 призматической формы с прямоугольным поперечным сечением (см. фиг. 3).

Датчик работает следующим образом.

Диагностируемая механическая нагрузка (напряженное состояние), в частности, давление p (действующее непосредственно на внешнюю цилиндрическую поверхность корпуса 1 датчика, см. фиг.1) или объемное сложное напряженное состояние σ (материала внутри полимерной конструкции в окрестности встроенного или установленного на поверхности конструкции датчика, см. фиг. 2, фиг. 3) обуславливает появление люминесценции (светоотдачи) механолюминесцентных частиц 4 с интенсивностью I_ml с некоторым своим частотным спектром излучения.

Так как для рассматриваемых «рабочих» диапазонов диагностируемых характеристик напряженного состояния (в частности, давления p или тензора напряжений σ) интенсивность излучения I_ml механолюминесцентных частиц 4 не превышает порогового значения интенсивности излучения I_min для начала фотолюминесценции флюороформных частиц 5, поэтому фотолюминесценции флюороформных частиц 5 происходит лишь при дополнительном воздействии на флюороформные частицы 5 управляющего светового потока с интенсивностью I_con (со спектром излучения механолюминесцентных частиц 4) при условии выполнения неравенства I*_ml > I_min для результирующего значения интенсивности I*_ml = I_ml + I_con с учетом, что флюороформные и механолюминесцентные частицы имеют существенно различные спектры излучений.

Осуществляется прием/цифровая обработка информативных интенсивностей: I_fl (см. фиг. 1), I_{fl 1,…,6} (см. фиг. 2) излучений флюороформных частиц 5, на основе выделения этих информативных составляющих (по их известным «флюороформным» частотным спектрам) из результирующих световых потоков на выходах («входах/выходах») из механолюминесцентных оптических волокон 2.

Цифровая обработка информативных интенсивностей: I_fl (см. фиг. 1), I_{fl 1,…,6} (см. фиг. 2) излучений флюороформных частиц 5 (как функции варьируемых значений интенсивности I_con управляющего светового потока) на «входе/выходе» механолюминесцентного оптического волокна 2 осуществляется с использованием известных значений передаточных коэффициентов (значения которых зависят, в частности, от взаимного расположения механолюминесцентных оптических волокон 2, см. фиг. 2, фиг. 3) датчика.

В частности, с использованием датчика давления (см. фиг. 1) искомый «спектр давления» - функция плотности распределений значений давления p по длине датчика находим как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода

по результатам измерения на выходе из оптоволокна результирующей интенсивности излучений флюороформных частиц 5, где ядро Фредгольма - интенсивность фотолюминесценции флюороформных частиц 5 на единицу длины датчика (определяем экспериментально) как функция интенсивности инициирующего ее излучения с частотным спектром механолюминесцентных частиц 4. При работе датчика давления (см. фиг. 1) результирующее значение интенсивности - сумма интенсивностей управляющего светового потока () и светового потока механолюминесцентных частиц 4 () единого частотного спектра, где - диагностируемое давление, - известный коэффициент механолюминесценции.

Техническим результатом является повышение точности внешнего давления или всех шести независимых компонент и/или трех главных значений тензора напряжений для объемного сложного напряженного состояния и локации неоднородностей этого напряженного состояния по длине датчика. Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования фрагмента датчика давления (см. фиг. 1) и локальной области системы «встроенный датчик/конструкция» (см. фиг. 2, фрагмент конструкции в виде прямоугольного параллелепипеда не изображен) и анализом закономерностей влияния диагностируемых характеристик напряженного состояния (в частности, давления p или тензора напряжений σ) на информативные величины интенсивности световых потоков I_fl (см. фиг.1), I_{fl 1,…,6} (см. фиг. 2) на выходе из механолюминесцентных оптических волокон 2.

Изобретение относится к области измерительной техники. Волоконно-оптический датчик механических напряжений содержит протяженный каркас, расположенный внутри каркаса соноправленно его оси по меньшей мере один из измерительных элементов, каждый из которых включает волоконно-оптический световод, люминесцентный элемент, при этом люминесцентный элемент выполнен в виде совокупности люминесцентных частиц двух типов - механолюминесцентных частиц и флюороформных частиц, которые статистически однородно распределены по длине волоконно-оптического световода с образованием механолюминесцентного оптического волокна; флюороформные и механолюминесцентные частицы имеют существенно различные спектры излучений. Технический результат – повышение точности определения внешнего давления. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волоконно-оптический датчик механических напряжений, содержащий протяженный каркас, расположенные внутри каркаса соноправленно его оси, по меньшей мере один, измерительные элементы, каждый из которых включает волоконно-оптический световод, люминесцентный элемент, отличающийся тем, что люминесцентный элемент выполнен в виде совокупности люминесцентных частиц двух типов - механолюминесцентных частиц и флюороформных частиц, которые статистически однородно распределены по длине волоконно-оптического световода с образованием механолюминесцентного оптического волокна; флюороформные и механолюминесцентные частицы имеют существенно различные спектры излучений; фотолюминесценция флюороформных частиц вызывается воздействием «инициирующего излучения» - суммарного светового потока, включающего в себя информативный механолюминесцентный световой поток светоотдач механолюминесцентных частиц и заданный управляющий световой поток; фотолюминесценция флюороформных частиц происходит при значениях интенсивности «инициирующего излучения» выше известного «порогового» значения для начала фотолюминесценции; «вход/выход» механолюминесцентного оптического волокна выполнен с возможностью входа в оптическое волокно с заданной интенсивностью управляющего светового потока, спектр которого совпадает или как можно точнее приближен к спектру излучения механолюминесцентных частиц, и с возможностью приема/цифровой обработки характеристик информативной части выходящего светового потока со спектром излучения флюороформных частиц.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что интенсивность излучения механолюминесцентных частиц для рассматриваемых «рабочих» диапазонов диагностируемых напряжений не превышает порогового значения интенсивности излучения для начала фотолюминесценции флюороформных частиц, фотолюминесценция флюороформных частиц происходит лишь при дополнительном воздействии на флюороформные частицы управляющего светового потока с соответствующей интенсивностью.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что механолюминесцентные частицы расположены в оболочке, а флюороформные частицы – в сердцевине механолюминесцентного оптического волокна или механолюминесцентные частицы частично или полностью капсулированы покрытием из флюороформных частиц.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что включает в себя лишь одно механолюминесцентное оптическое волокно, при этом протяженный цилиндрический каркас – защитное покрытие оптического волокна.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что все шесть механолюминесцентных оптических волокон размещены в протяженном цилиндрическом каркасе c гексагональной укладкой вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна, при этом возможен механический контакт внешних цилиндрических поверхностей соседних волокон и/или армирующего волокна.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что протяженный каркас имеет цилиндрическую или призматическую форму с эллипсоидальным или прямоугольным поперечным сечением соответственно.