СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Российский патент 2025 года по МПК G01B11/16 G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике нахождения локации, величины одиночного (сосредоточенного) термомеханического воздействия или спектра множественного (распределенного) термомеханического воздействия, в частности, ударного импульса (например, кусочками бетонной крошки из-под переднего колеса при взлете с взлетно-посадочной полосы, осколками снарядов и пуль в боевых ситуациях) или квазистатических вдавливаний жестких частиц на поверхность индикаторного полимерного покрытия.

Наиболее близким способом измерения термомеханического воздействия является способ измерения спектра распределенного термомеханического воздействия (см. Патент RU № 2766425, опубл. 15.03.2022 г.), при котором используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя со встроенным в виде плоской спирали пьезоэлектролюминесцентным (PEL) оптоволоконным датчиком, осуществляют регулирование интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна посредством изменения управляющего параметра –электрического напряжения на выходах (расположенных вблизи выхода оптоволокна) протяженных электродов оптоволоконного PEL-датчика. Измерение термомеханического воздействия осуществляют по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна как функции управляющего электрического напряжения и искомый спектр множественного (распределенного) термомеханического воздействия по поверхности индикаторного покрытия находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, – используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя со встроенным в виде спирали оптоволоконным датчиком; осуществляют регулирование интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна посредством изменения управляющего параметра на выходе оптоволокна; измерение термомеханического воздействия осуществляют по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна как функции управляющего параметра, в частности, спектр множественного (распределенного) термомеханического воздействия по поверхности индикаторного покрытия находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода. Данный способ принят за прототип.

Недостатками известного способа измерения термомеханического воздействия, принятого за прототип, являются:

- низкая чувствительность и точность измерения, обусловленная малой величиной коэффициента прохождения светового потока (генерируемого электролюминисцентным слоем) внутрь оптоволокна (световода) через его боковую поверхность,

- ограниченность области использования, так как наличие управляющего электрического напряжения на электродах (токопроводящей линии) датчика делает невозможным его использование на взрывоопасных объектах.

Задачей изобретения является повышение чувствительности и точности измерения, расширение области использования способа измерения термомеханического воздействия.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерения термомеханического воздействия, при котором используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя со встроенным в виде спирали оптоволоконным датчиком, осуществляют регулирование интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна посредством изменения управляющего параметра на выходе оптоволокна, измерение термомеханического воздействия осуществляют по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна как функции управляющего параметра, спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по поверхности индикаторного покрытия находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, согласно изобретению используют механофотолюминесцентный (MFL) оптоволоконный датчик (см. Патент RU № 2799986, опубл.14.07.2023.) в виде оптоволокна, легированного капсулированными флюороформными оболочками механолюминесцентными частицами, и управляющий параметр в виде интенсивности входящего в оптоволокно управляющего светового потока с частотным спектром светоотдачи механолюминесцентных частиц, измерения термомеханического воздействия осуществляют по результатам измерения на выходе из оптоволокна интенсивности информативного светового потока с частотным спектром фотолюминесценции флюороформных оболочек капсулированных частиц, локацию и величину одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия на индикаторное покрытие находят по измеренному количеству, величинам интенсивностей и значениям временных промежутков между световыми импульсами информативного светового потока на выходе из оптоволокна, спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по индикаторному покрытию находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, в которых левая часть первого уравнения – это функция интенсивности информативного светового потока от управляющего параметра, а левая часть второго уравнения – это решение первого уравнения в виде спектра распределения давления по длине оптоволокна.

Может использоваться индикаторное покрытие со встроенным оптоволоконным датчиком в виде спирали Архимеда и локацию одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия осуществляют через вычисление ее радиальной ρ_• = cτ_•/(2π) и угловой полярных координат по измеренному значению интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины регистрируемой на выходе из световода последовательности световых импульсов, где – шаг спирали, c – скорость распространения светового импульса в световоде.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, – используют механофотолюминесцентный (MFL) оптоволоконный датчик в виде оптоволокна, легированного капсулированными флюороформными оболочками механолюминесцентными частицами, и управляющий параметр в виде интенсивности входящего в оптоволокно управляющего светового потока с частотным спектром светоотдачи механолюминесцентных частиц; измерения термомеханического воздействия осуществляют по результатам измерения на выходе из оптоволокна интенсивности информативного светового потока с частотным спектром фотолюминесценции флюороформных оболочек капсулированных частиц; локацию и величину одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия на индикаторное покрытие находят по измеренному количеству, величинам интенсивностей и значениям временных промежутков между световыми импульсами информативного светового потока на выходе из оптоволокна; спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по индикаторному покрытию находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, в которых левая часть первого уравнения – это функция интенсивности информативного светового потока от управляющего параметра, а левая часть второго уравнения – это решение первого уравнения в виде спектра распределения давления по длине оптоволокна; используют индикаторное покрытие со встроенным оптоволоконным датчиком в виде спирали Архимеда и локацию одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия осуществляют через вычисление ее радиальной ρ_• = cτ_•/(2π) и угловой полярных координат по измеренному значению интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины регистрируемой на выходе из световода последовательности световых импульсов, где – шаг спирали, c – скорость распространения светового импульса в световоде.

Отличительные признаки в совокупности с известными обуславливают достижение заявленного результата – повышение чувствительности и точности измерения, расширение области использования способа измерения термомеханического воздействия.

Способ измерения термомеханического воздействия иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 - 3.

На фиг.1 изображено индикаторное покрытие со встроенной спиралью оптоволоконного MFL-датчика.

На фиг.2 изображен фрагмент оптоволоконного MFL-датчика.

На фиг.3 изображена расчетная схема локации одиночного механического воздействия.

Индикаторное полимерное покрытие – это полимерный слой 1 со встроенным в виде плоской спирали, например, спирали Архимеда оптоволоконным механофотолюминесцентным (MFL) датчиком 2; в центре спирали установлен фотодетектор 3 (фиг.1). На фиг.1 изображен случай непересекающихся полидисперсных «зон возмущений» 4 с «пятнами контакта» 5 при множественном (многоточечном) механическом воздействии ударного типа жестких шаровых частиц.

На фиг.2 изображен фрагмент механофотолюминесцентного оптического волокна - оптоволоконного MFL-датчика 2 давления p, в котором механолюминесцентные частицы 6 (наночастицы) капсулированы флюороформными оболочками 7 со статистически однородным распределением таких MFL-капсул по объему световода 8 оптоволоконного MFL-датчика 2 с защитной оболочкой 9.

На фиг.3 изображена расчетная схема локации одиночного механического воздействия в точке А индикаторного полимерного покрытия для случая наличия лишь одной «зоны возмущения» 4, включающей в себя две «дуги возмущения» 10 на втором и третьем витках спирали Архимеда оптоволоконного MFL-датчика.

Множественное механическое (силовое) воздействие на индикаторное покрытие (фиг.1) осуществляется через упругое квазистатическое вдавливание в покрытие одинаковых по размерам жестких шаровых частиц с «пятнами контакта» 5 разными (нормальными к поверхности покрытия) силами , которые являются реализациями некоторой случайной величины , где - число реализаций. Взаимное расположение шаровых частиц по поверхности индикаторного покрытия такое, что полидисперсные «зоны возмущений» 4 – области внутри пунктирных окружностей 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 спирали оптоволоконного MFL-датчика; для предельного случая шаг спирали .

В оптоволоконном MFL-датчике 2 (фиг.2) фотолюминесценция каждой флюороформной оболочки 7 вызывается воздействием механолюминесцентного «внутреннего» излучения от капсулированного внутри нее ядра - механолюминесцентной частицы 6 с учетом дополнительного «внешнего» управляющего светового потока механолюминесцентного спектра. Механолюминесцентные частицы 6 и флюороформные оболочки 7 имеют различные частотные спектры излучений. Для рассматриваемых рабочих диапазонов действующих напряжений (давления p, см.фиг.2) интенсивность излучения I_ml каждой механолюминесцентной частицы 6 не превышает порогового значения I_min для начала фотолюминесценции своей флюороформной оболочки 7. Фотолюминесценция флюороформных оболочек 7 происходит лишь при дополнительном воздействии на них внешнего управляющего светового потока с интенсивностью I_con, при этом результирующее значение действующей на каждую флюороформную оболочку 7 интенсивности I*_ml = I_ml + I_con для единого частотного спектра механолюминесцентных частиц 4 и управляющего светового потока. «Вход/выход» световода 8 оптического волокна – оптоволоконного MFL-датчика 2 (фиг.2) выполнен с возможностью входа управляющего светового потока с заданной интенсивностью I_con , спектр которого совпадает (или как можно точнее приближен) со спектром излучения механолюминесцентных частиц 6, и с возможностью приема/цифровой обработки характеристик интенсивности выходящего информативного светового потока I_inf = I_fl со спектром излучения флюороформных частиц (фиг.2).

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

1) Измеряют интенсивность интегрального информативного светового потока на выходе из оптоволокна MFL-датчика 2 для различных значений интенсивности входящего в оптоволокно управляющего светового потока I_con,

2) Вычисляют «спектр давления» - спектр распределенного механического воздействия (давления) вдоль спирали MFL-датчика 2 (встроенного в индикаторное покрытие) из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода

где - измеренная информативная функция интенсивности фотолюминесцентного (FL) светового потока на выходе оптоволокна, ядро

- величина результирующего FL-светового потока на выходе из световода при его однородном по всей длине нагружении, световой поток светоотдачи одиночной FL-оболочки

,

как функция значений результирующего ML-светового потока. Величина - малая часть управляющего светового потока (видеоимпульса), которая поглощается FL-оболочкой, где - известный «коэффициент поглощения» одиночной частицы (значение которого зависит, в частности, от оптических свойств и отношения диаметров оболочки частицы и световода), - число капсулированных MFL-частиц на единицу длины световода, коэффициент - характеристика датчика.

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

Одиночное термо-механическое воздействие (фиг.3), например, в виде квазистатического вдавливания силой P жесткой шаровой частицы в точке А инициирует круговую «область возмущения» с радиусом r_о внутри индикаторного покрытия и, как следствие, появление у встроенного в него в виде спирали Архимеда (с уравнением в полярной системе координат, где – шаг спирали) оптоволоконного MFL-датчика некоторого числа n «дуг возмущений», генерирующих в оптоволокне световые импульсы, на различных витках спирали (фиг.3). Считаем, что величина силового воздействия P такая, что значение радиуса r_о зоны возмущения равно или превышает шаг a спирали. Выполнение этого условия обуславливает наличие как минимум двух дуг возмущений (и, как следствие, двух световых импульсов) при произвольном положении точки А относительно соседних витков спирали.

Локацию точки А - «эпицентра» зоны возмущения от одиночного силового воздействия P осуществляем через вычисление радиальной ρ_• и угловой ее полярных координат

по измеренному значению интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины регистрируемой на выходе из световода последовательности световых импульсов с учетом, что длина информативного локационного витка спирали Δ_•=2πρ_• между точками M и N (фиг.3) равна длине окружности с радиусом ρ_• - искомой радиальной координатой точки А. При этом величина длины Δ_•=сτ_• локационного витка MN спирали вычисляется по измеренному значению τ_•, а величина вычисляется через найденное значение по уравнению спирали . По количеству и величине наблюдаемых на выходе из световода световых импульсов делаем оценку размера (радиуса) круговой области возмущения и, как результат, определяем величину P одиночного силового воздействия жесткой шаровой частицы на поверхность индикаторного покрытия (фиг.3). Отметим, что решение , для локации точки А (эпицентра) получено для случая, когда точка А расположена на равном удалении от соседних витков, т.е. посередине прямолинейного отрезка MN на фиг.3 и, как следствие, выполняется равенство , что является приемлемым приближением для практического применения решения с использованием индикаторного MFL-покрытия с большим числом витков и малым (относительно радиуса зоны возмущения) значением шага a спирали.

В результате достигается технический результат – повышение чувствительности и точности измерения, расширение области использования способа измерения термомеханического воздействия.

Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования решения краевой задачи теории упругости о вдавливании одиночной или множества жестких шаровых частиц в поверхность представительного фрагмента индикаторного полимерного покрытия со встроенным оптоволоконным MFL-датчиком.

Изобретение относится к измерительной технике. Предложен способ измерения термомеханического воздействия, при котором используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя со встроенным в виде спирали оптоволоконным датчиком, осуществляют регулирование интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна посредством изменения управляющего параметра на выходе оптоволокна, измерение термомеханического воздействия осуществляют по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна как функции управляющего параметра, спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по поверхности индикаторного покрытия находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода. Причем согласно изобретению используют механофотолюминесцентный (MFL) оптоволоконный датчик в виде оптоволокна, легированного капсулированными флюороформными оболочками механолюминесцентными частицами, и управляющий параметр в виде интенсивности входящего в оптоволокно управляющего светового потока с частотным спектром светоотдачи механолюминесцентных частиц. Измерения термомеханического воздействия осуществляют по результатам измерения на выходе из оптоволокна интенсивности информативного светового потока с частотным спектром фотолюминесценции флюороформных оболочек капсулированных частиц. Локацию и величину одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия на индикаторное покрытие находят по измеренному количеству, величинам интенсивностей и значениям временных промежутков между световыми импульсами информативного светового потока на выходе из оптоволокна. Спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по индикаторному покрытию находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, в которых левая часть первого уравнения – это функция интенсивности информативного светового потока от управляющего параметра, а левая часть второго уравнения – это решение первого уравнения в виде спектра распределения давления по длине оптоволокна. Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения, расширение области использования способа измерения термомеханического воздействия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения термомеханического воздействия, при котором используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя со встроенным в виде спирали оптоволоконным датчиком, осуществляют регулирование интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна посредством изменения управляющего параметра на выходе оптоволокна, причем измерение термомеханического воздействия осуществляют по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна как функции управляющего параметра, спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по поверхности индикаторного покрытия находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, отличающийся тем, что используют механофотолюминесцентный (MFL) оптоволоконный датчик в виде оптоволокна, легированного капсулированными флюороформными оболочками механолюминесцентными частицами, и управляющий параметр в виде интенсивности входящего в оптоволокно управляющего светового потока с частотным спектром светоотдачи механолюминесцентных частиц, причем определение термомеханического воздействия осуществляют по результатам измерения на выходе из оптоволокна интенсивности информативного светового потока с частотным спектром фотолюминесценции флюороформных оболочек механолюминесцентных капсулированных частиц, величину одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия на индикаторное покрытие находят по измеренным величинам интенсивностей световых импульсов информативного светового потока на выходе из оптоволокна, а локацию одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия на индикаторное покрытие находят через вычисление ее радиальной ρ_•=сτ_•/(2π) и угловой полярных координат по измеренному значению интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины регистрируемой на выходе из световода последовательности световых импульсов, где – шаг спирали, c – скорость распространения светового импульса в световоде, при этом спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по индикаторному покрытию находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, в которых левая часть первого уравнения – это функция интенсивности информативного светового потока от управляющего параметра, а левая часть второго уравнения – это решение первого уравнения в виде спектра распределения давления по длине оптоволокна.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что встроенный оптоволоконный датчик в виде спирали выполнен в виде спирали Архимеда.