ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СЛОЖНОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01L11/02 

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

Наиболее близким устройством (датчиком) 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), расположенных внутри каркаса сонаправленно его оси шести измерительных элементов, каждый из которых включает волоконно-оптический световод (выполненный с возможностью подключения к измерительному устройству), механооптический чувствительный элемент (расположенный вне световода, вблизи его внешней цилиндрической поверхности) в виде комбинации пьезоэлемента и электролюминесцентного элемента (с возможностью проникновения генерируемого им света внутрь световода через его боковую цилиндрическую поверхность), два непрерывных управляющих электрода (токопроводящей линии). Датчик может встраиваться внутрь диагностируемой области (материала), например, полимерной композитной конструкции или устанавливаться на внешней поверхности конструкции. Датчик может измерять все шесть независимых компонентов и/или три главные значения тензора напряжений сложного напряженного состояния материала полимерной конструкции, в окрестности встроенного или установленного на поверхности конструкции датчика. Данное устройство принято в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, – протяженный каркас (буферный слой); расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси шесть измерительных элементов; каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод и механооптический чувствительный элемент.

Недостатками известной конструкции, принятой за прототип, являются:

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

- 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 компонентов и/или трех главных значений тензора напряжений для сложного напряженного состояния. При этом наличие управляющего электрического напряжения на электродах (токопроводящей линии) датчика существенно ограничивает область использования датчика, в частности, невозможно его использование на взрывоопасных объектах.

Задачей изобретения является создание волоконно-оптического датчика с повышенной точностью определения всех шести независимых компонентов и/или трех главных значений тензора напряжений для сложного напряженного состояния.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом датчике, содержащем протяженный каркас (буферный слой), расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси шесть измерительных элементов, каждый из которых включает волоконно-оптический световод и механооптический чувствительный элемент, согласно изобретению механооптический чувствительный элемент расположен внутри световода и выполнен в виде оптоволоконной брэгговской решетки, в протяженном каркасе размещено армирующее упругое волокно.

Шесть измерительных элементов могут иметь гексагональную укладку вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна.

Протяженный каркас может иметь цилиндрическую или призматическую форму с эллипсоидальным или прямоугольным поперечным сечением соответственно.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: механооптический чувствительный элемент расположен внутри световода и выполнен в виде оптоволоконной брэгговской решетки; в протяженном каркасе размещено армирующее упругое волокно; шесть измерительных элементов имеют гексагональную укладку вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого 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, уменьшить погрешности и, как результат, повысить точность определения всех шести независимых компонентов и/или трех главных значений тензора напряжений для сложного напряженного состояния.

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

Волоконно-оптический датчик иллюстрируется чертежом, на котором изображен фрагмент волоконно-оптического датчика сложного напряженно-деформированного состояния (встроенного в объем полимерной композитной конструкции), в котором все шесть измерительных элементов - световодов с оптоволоконными брэгговскими решетками - размещены c гексагональной укладкой вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна в протяженном цилиндрическом каркасе.

Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния (см. фиг.) содержит протяженный каркас 1 (буферный слой).

Внутри протяженного каркаса 1 расположены сонаправленно его оси шесть измерительных элементов. Каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод 2 и механооптический чувствительный элемент, расположенный внутри световода 2 и выполненный в виде оптоволоконной брэгговской решетки (см. патент RU № 2427795 от 27.08.2011г.; патент RU № 2723921 от 11.11.2019 г.).

В протяженном каркасе 1 дополнительно может быть размещено армирующее упругое волокно 3.

Шесть измерительных элементов могут иметь гексагональную укладку вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна (см. фиг.).

Протяженный каркас 1 может иметь цилиндрическую или призматическую форму с эллипсоидальным или прямоугольным поперечным сечением соответственно.

Датчик давления может включать в себя лишь один световод 2 с оптоволоконной брэгговской решеткой, при этом протяженный каркас – защитное покрытие световода.

Волоконно-оптический датчик встроен в объем полимерной композитной конструкции 4 с искомыми шестью независимыми компонентами: σ*₁₁, σ*₂₂, σ*₃₃, σ*₂₃, σ*₁₃, σ*₁₂ тензора напряжений σ*.

Датчик работает следующим образом.

Волоконная брэгговская решетка представляет собой оптический интерферометр, встроенный в оптическое волокно, - это периодическое изменение показателя преломления в сердцевине (световоде), например, одномодового оптического волокна.

В результате нагружения полимерной композитной конструкции 4 с искомыми шестью независимыми компонентами: σ*₁₁, σ*₂₂, σ*₃₃, σ*₂₃, σ*₁₃, σ*₁₂ диагностируемого тензора напряжений σ* соответствующим образом деформируется встроенный датчик, при этом имеем некоторые различные продольные (вдоль оси r₃ световода) осевые деформации e_k = ε_(k)33 всех шести оптоволоконных брэгговских решеток в его световодах. 2. Осевые деформации e_k определяем (с использованием известных алгоритмов, см. патент RU № 2427795 от 27.08.2011г.) по результатам измерения информативных спектров отражения каждой волоконной брэгговской решетки (k=1,…,6), с учетом известного вида начального спектра отражения с центральной длиной волны для недеформированного состояния, т.е. при σ*=0. Далее, искомые шесть компонент: σ*₁₁, σ*₂₂, σ*₃₃, σ*₂₃, σ*₁₃, σ*₁₂ находим из решения системы шести линейных алгебраических уравнений в тензорном виде или

в правых частях которых известные значения осевых деформаций e₁, …, e₆ с учетом известных значений «передаточных» коэффициентов , которые находим известными методами механики композитов или экспериментально.

Полимерный цилиндрический каркас 1 обеспечивает несколько функций, в частности: фиксацию взаимного расположения (например, гексагональной укладки) световодов 2 с оптоволоконными брэгговскими решетками, защиту от механических повреждений и трансляционные «буферные» функции, в результате чего имеем линейный вид зависимостей продольных деформаций в световодах от диагностируемых величин «макронапряжений» и стабильность характеристик - передаточных информативных коэффициентов рассматриваемого встраиваемого датчика. Размер каркаса 1 в поперечной плоскости датчика превосходит более чем в 2 раза размер микронеоднородностей, в частности, диаметр армирующих волокон или сферических частиц диагностируемой композитной конструкции. При этом размер каркаса 1 должен быть меньше характерного размера области существенного изменения диагностируемого поля макронапряжений (т.е. градиенты должны быть несущественными на характерном размере – диаметре поперечного сечения каркаса 1 датчика), так как передаточные коэффициенты датчика определяются, как правило, для однородного сложного напряженного состояния и не учитывают вклад в диагностируемую величину значения градиента в рассматриваемой локальной области системы «датчик/конструкция».

Наличие упругого волокна 3 повышает прочность датчика, при этом варьированием значениями его механических характеристик и/или формой его поперечного сечения можно регулировать перераспределение внешней механической нагрузки на световоды 2 и, как результат, выбирать оптимальные значения передаточных коэффициентов датчика.

Техническим результатом является повышение точности нахождения всех шести независимых компонентов и/или трех главных значений тензора напряжений для сложного напряженного состояния. Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования локальной области системы «встроенный датчик/конструкция», построением информативных спектров отражения каждой волоконной брэгговской решетки (k=1,…,6), нахождением значений «передаточных» коэффициентов в рамках теории упругости через установление вида линейной зависимости продольных деформаций в световодах от величин напряжений , с учетом равенства значений , при простых случаях нагружений лишь с одной отличной от нуля и равной единице компоненте

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения неоднородного сложного напряженно-деформированного состояния нагруженных конструкций. Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния содержит протяженный каркас - буферный слой, расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси шесть измерительных элементов. Каждый измерительный элемент включает волоконно-оптический световод и механо-оптический чувствительный элемент, расположенный внутри световода и выполненный в виде оптоволоконной брэгговской решетки, при этом внутри каркаса расположен упругий армирующий элемент. Технический результат – определение шести независимых компонентов и/или три главных значения тензора напряжений для сложного напряженного состояния. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Волоконно-оптический датчик сложного напряженно-деформированного состояния, содержащий протяженный каркас - буферный слой, расположенные внутри каркаса сонаправленно его оси шесть измерительных элементов, каждый из которых включает волоконно-оптический световод и механооптический чувствительный элемент, отличающийся тем, что механооптический чувствительный элемент расположен внутри световода и выполнен в виде оптоволоконной брэгговской решетки, в протяженном каркасе размещено армирующее упругое волокно.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что шесть измерительных элементов имеют гексагональную укладку вблизи и вдоль поверхности центрального армирующего упругого волокна.

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