CC BY
21
. г
Денисова О. А. Denisova O. А.
доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры «Физика», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Г\
Абрамишвили Р. Л. AbramishvШ R. L.
аспирант кафедры «Управление и сервис в технических системах», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.38:669
МЕТОД ИНДИКАЦИИ ВИБРАЦИИ МЕХАНИЗМОВ, ОСНОВАННЫЙ НА АКУСТООПТИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ В НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
В статье предлагается новый метод контроля вибраций узлов механизмов и агрегатов. Уникальность метода заключается в применении акустооптического эффекта в жидких кристаллах (ЖК). ЖК-ячейка служит индикатором, светопропускание которого зависит от амплитуды колебаний. Суть его заключается в том, что монохроматический пучок света, пройдя поляризатор, падает на ячейку, заправленную жидким кристаллом. Ячейка сконструирована таким образом, что жидкий кристалл находится между двумя массивными прозрачными пластинами, разделенными прокладками. Использовался жидкий кристалл нематического типа п-метоксибензилиден-п-бутиланилин (МББА). Между пластинами помещена еще одна тонкая пластина, которая может совершать сдвиговые колебания в плоскости ячейки. Эта пластина соединена волноводом с механизмом, вибрацию на котором необходимо контролировать. Во время его работы колебания передаются по волноводу подвижной пластине. От нее сдвиговые возмущения распространяются в жидком кристалле. При достижении порогового значения амплитуды колебания изначально гомеотропно ориентированные молекулы жидкого кристалла отклоняются от нормали к ячейке. Вследствие этого световой пучок, падающий на ячейку, проходит и фиксируется фотоприемником. Далее обработанный сигнал выводится на монитор оператора в удобной для анализа форме.
Необходимо отметить, что возникновение данного акустооптического эффекта носит пороговый характер. Пороговое значение амплитуды воздействия не зависит от частоты, температуры, толщины ЖК-слоя. Зависимость угла отклонения директора от амплитуды вибрации имеет линейную зависимость, что упрощает калибровку датчика. Использование в качестве индикатора ячейки на жидких кристаллах позволит повысить точность и чувствительность метода мониторинга вибраций, так как жидкие кристаллы - системы более чувствительные по сравнению с твердыми кристаллами. Время релаксации ориентацион-ных эффектов в жидких кристаллах ~10-6 с.
С точки зрения практического значения данный метод интересен для использования в нефтегазовой отрасли и авиационной промышленности.
Ключевые слова: ЖК-ячейка, акустооптический эффект, ЖК-датчик, датчик вибрации, метод контроля вибрации, индикация механических колебаний.
Metrology and information-measuring devices
METHOD OF INDICATION OF VIBRATION OF MECHANISMS BASED ON ACOUSTO-OPTIC EFFECT IN NEMATIC LIQUID CRYSTALS
The article proposes a new method for controlling the vibrations of the nodes of mechanisms and aggregates. The uniqueness of the method lies in the application of the acousto-optic effect in liquid crystals (LC). The LCD cell serves as an indicator, the light transmission, which depends on the amplitude of the oscillations. Its essence lies in the fact that a monochromatic beam of light, passing through a polarizer, falls on a cell filled with a liquid crystal. The cell is designed in such a way that the liquid crystal is between two massive transparent plates separated by spacers. A liquid crystal of nematic type n-methoxybenzylidene-n-butylaniline (MBBA). In addition, there is one more thin plate between the plates that can make shear vibrations in the plane of the cell. This plate is connected by a waveguide to a mechanism, the vibration on which it is necessary to control. During its operation, oscillations are transmitted along the waveguide to a moving plate. From it, shear perturbations propagate in a liquid crystal. When the threshold value of the vibration amplitude is reached, initially homeotropically oriented liquid crystal molecules deviate from the normal to the cell. As a result, the light beam incident on the cell passes and is fixed by the photodetector. Further, the processed signal is output to the operator's monitor in a form convenient for analysis.
It should be noted that the occurrence of this acousto-optic effect is of a threshold nature. The threshold value of the amplitude of the action does not depend on the frequency, temperature, thickness of the LC layer. Dependence of the deviation angle of the director on the amplitude of vibration has a linear relationship, which simplifies the calibration of the sensor. The use of a cell on liquid crystals as an indicator will increase the accuracy and sensitivity of the vibration monitoring method. Since liquid crystals are systems more sensitive than solid crystals. The relaxation time of the orientational effects in liquid crystals is ~10-6 s.
From the practical point of view, this method is of interest for use in the oil and gas industry and the pulp and aircraft industry.
Key words: LCD cell, acousto-optic effect, LCD sensor, vibration sensor, vibration control method, indication of mechanical vibrations.
Введение
Очевидно, что наличие вибраций характерно для механизмов, содержащих движущиеся элементы. Если превышаются допустимые показания, может произойти авария или отказ оборудования [1-3]. В последнее время активно внедряются методы неразру-шающего контроля, которые обеспечивают своевременное выявление проблем в оборудовании. Вибрация — один из наиболее доступных и дающих необходимую информацию параметров как для комплексной оценки технического состояния оборудования, так и отдельных узлов и агрегатов [4-6]. Своевременное выявление технических проблем, в том числе параметров вибрации, позволяет снизить затраты на ремонт и обслуживание оборудования. Они дают возможность решать такие технико-экономические проблемы, как мониторинг за текущим состоянием узлов и агрегатов, предотвраще-
ние аварий и отказов, как следствие, превентивного ремонта при снижении показателей, вывод оборудования в ремонт согласно его техническому состоянию, что позволит увеличить межремонтный интервал.
Для решения подобных задач в некоторых отраслях науки и техники требуются повышенная чувствительность и быстродействие, а это требует новых научно-технических решений.
Сейчас существует большое количество приборов и систем определения параметров вибрации, которые основаны на различных физических эффектах и явлениях [7-11].
Авторами разработана высокоэффективная система определения параметров вибрации в узлах и механизмах, основанная на акустооптическом эффекте в жидких кристаллах нематического типа.
Разработка этой системы дала повышение чувствительности (до 0,1 мкм) и повышение
быстродействия благодаря сильно выраженному ориентационному эффекту в жидких кристаллах (время релаксации 10-6 с).
Описание метода
Мы предлагаем высокочувствительный метод измерения параметров вибрации, основанный на акустооптическом эффекте в нематиках. Акустооптический эффект наблюдается при воздействии оптических и звуковых волн в кристаллах.
Идея метода заключается в использовании ячейки, содержащей жидкий кристалл (ЖК). Ячейка является индикатором возникновения механических колебаний. ЖК-ячейка выполнена в виде многослойной конструкции (рисунок 1). Она состоит из двух массивных прозрачных пластин, изготовленных из предметных стекол. Между ними помещена тонкая стеклянная пластина, которая может совершать колебания в плоскости ячейки.
У////////'////
А - 1 /.'М'"^..^',!! .....1 1,1 ,1,1,1 ,...... 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 1 [ 1 1 -
///•///у//////
1 — проводящее покрытие из металлического
хрома; 2 — подложки из предметного стекла;
3 — подвижная пластина; 4 — прокладки, задающие толщину ЖК-слоя
Рисунок 1. Акустооптическая ячейка (вид сбоку)
В качестве конденсированной среды использовался нематический жидкий кристалл п-метоксибензилиден-п-бутиланилин (МББА), который находится в мезофазе при температуре от 18 °С до 42 °С, что дает возможность его применения в широком температурном диапазоне. На подложки напылялся металлический хром для создания гомеотропной ориентации молекул ЖК, т.е. молекулы жидкого кристалла ориентированы перпендикулярно пластинам.
В предложенной структурной схеме (рисунок 2) средняя подвижная пластина ЖК-ячейки соединена с механическим узлом 1 с помощью волновода 2. Ячейка освещается источником монохроматического поля-
ризованного света (лазером) 3. Луч лазера, проходя через поляризатор 4 и ячейку 5, попадает на анализатор с фотоприемником 6. Оптический сигнал, преобразованный в электрический аналоговый, обрабатывается микроконтроллером 7, в состав которого входят усилитель с аналого-цифровым преобразователем, а также микропроцессор. После этого данные с микроконтроллера выводятся на монитор оператора 8 в виде графика, таблицы или в другом удобном виде.
8
й
1 — механический узел; 2 — волновод;
3 — источник света (лазер); 4 — поляризатор;
5 — ячейка с ЖК; 6 — анализатор с фотоприемником; 7 — микроконтроллер, в составе которого имеются усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор; 8 — монитор
Рисунок 2. Структурная схема измерительной системы, основанной на акустооптическом эффекте в НЖК
Принцип работы акустооптической системы состоит в следующем. До начала воздействия на ячейку датчик механических колебаний — директор жидкого кристалла — ориентирован перпендикулярно пластинам ячейки. В такой ситуации при скрещенных анализаторе и поляризаторе световой пучок не проходит. Когда механический узел начинает работать, вибрации от него через волновод передаются на среднюю пластину ЖК-ячейки. Когда амплитуда вибрации достигает значения 0,8 мкм, директор отклоняется от нормали к ячейке на некоторый угол 9с, и ориентация директора жидкого кристалла начинает резко изменяться (дан-
Metrology and ínformatíon-measuríng devíces
ный акустооптический эффект имеет пороговый характер возникновения) [12]. Вследствие этого светопропускание ЖК-ячейки изменяется. Фотоприемник фиксирует поступивший на него сигнал, который отражается на мониторе. Необходимо отметить, что область применения описываемого метода мониторинга вибраций лежит в тех сферах, где вибрации при работе механизмов должны быть минимальными, то есть до 0,8 мкм.
Математическая модель. Экспериментальные результаты и их обсуждение
Экспериментальная ячейка — датчик (рисунок 1), рассматриваемая в статье, представляет собой систему, состоящую из двух слоев ЖК толщиной Ь Тогда воздействие звуковой волны вследствие акустооптиче-ского эффекта на такую систему приводит к появлению двойного лучепреломления. Причем анализатор и поляризатор составляют угол 45° с направлением механического сдвига. Согласно Фурье-анализу, в оптическом сигнале должны регистрироваться как постоянная составляющая интенсивности Р так и переменный во времени сигнал РО), содержащий спектр гармоник на частоте возбуждения ю [13-15].
Согласно закону Малюса для анизотропных сред, интенсивность оптического сигнала, прошедшего через жидкий кристалл: 2 тЛЪ
Р = Р„{[ sin
nhb
<sin 8 > +
+—[2<sinece, > +
. „ nhb . -, „ + <0, >]sin2--<sin 0C> +
%hb
[2<sin0c0, > +
71hb
+ <0, >] eos —-— < sin 0C >},
(1)
где X — длина падающей световой волны; постоянная Ь = 0,23; 0 — постоянная компо-
5 5 с
нента угла наклона молекул жидкого кристалла (директора); 0t — переменная компонента угла наклона молекул ЖК.
Проведя Фурье-анализ, получим выражения для постоянной компоненты оптического сигнала Рс и переменных компонент оптического сигнала Р. :
Pc=Po{sin2^<sin20c> +
itiib е
X 2
— sin 2
nhb
< sin20> +2
_ „ 2 2 Khb . 2 x< sin 00 > cos — " """
3 ГлАбТ2 ,п2ч2 2 nhb . 2
+8bH(0°)cos
< sin 0C> + <sin20c>}, (2)
P*=P.i 2^<sin0c0o>
. - nhb . 2« > sm2-< sm 0 > +
+3
nhb
< sin0„0„ >x
_ 2 2 khb . 2 л i •
X0O cos —— <sm 0c>}sincoi,
(3)
P2<a=P0{-
nhb 0
— sin 2
nhb
<sin20 >-2
2 X \nhbf
. Л, J
. _ _ 2 2 nhb sin0c0o > cos ——x
x< sin 0„> -
nhb 02
A, 2
cos
nhb
< sin 2 0C >} cos 2(ot. (4)
Согласно оптике анизотропных сред и полученному выражению (3), сигнал, который регистрируется на частоте возбуждения ю, будет наблюдаться в том случае, когда директор отклонится на угол 9с относительно нормали к ячейке. Возникновение акустооп-тического эффекта можно определить по появлению переменного сигнала Р на частоте воздействия. Это также позволяет измерить величину пороговой амплитуды ап звуковой волны в НЖК.
Нами были экспериментально получены зависимости постоянной компоненты оптического сигнала Рс(а) и его второй гармоники Р2ю(а) (рисунок 3). По этим значениям вычислялась зависимость среднего значения квадрата синуса постоянного угла наклона директора <sin20c> от амплитуды (рисунок 4). Из нее следует, что при значении амплитуды механического сдвига 0,8 мкм функция <8т29с>(а) имеет порог, далее она монотонно возрастает, и стремится к максимуму — 1.
Рисунок 3. Зависимости постоянной составляющей оптического сигнала Рс (а) и второй гармоники оптического сигнала Р2т от амплитуды колебаний (б)
Рисунок 4. Зависимость значения среднего квадрата синуса угла наклона директора > от амплитуды вибрации
Metrology and information-measuring devices
Кроме того, экспериментально обнаружено, что акустооптический эффект, предлагаемый для рассматриваемого метода определения вибраций, в области частот от 20 Гц до 20 кГц не зависит от частоты звуковой волны, в интервале от 18 °С до 45 °С — от температуры, а также в диапазоне от 20 до 125 мкм — от толщины ЖК-слоя [11, 12, 14]. Представленные результаты дают довольно широкие возможности использования нашего метода.
Вывод
Подводя итог, в заключение необходимо отметить следующее. В статье описан метод индикации вибрации, основанный на акусто-оптическом эффекте в нематиках. В данной
Список литературы
1. Вибрации в технике: справочник: В 6 Т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). М.: Машиностроение, 1981. Т. 5. Измерения и испытания / Под ред. М.Д. Генкина. 1981. 496 с.
2. Ящура А.И. Система технического обслуживания и ремонта общепромышленного оборудования: справочник. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. 320 с.
3. Диментберг Ф.М. Изгибные колебания вращающихся валов. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 247 с.
4. Сиваков В.П., Микушина В.Н., Степанова Е.Н. Вибрационное диагностирование технического состояния подшипников сушильных цилиндров бумагоделательных машин // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6.
5. Моренко А.И., Тараканов Д.В. Исследование режимов вибрации агрегатов нефтеперекачивающих станций // Датчики и системы. 2001. № 3. С. 44-45.
6. Денисова О.А., Абрамишвили Р.Л. Жидкокристаллическая ячейка для индикации контроля и измерения уровня жидких сред // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2017. Т. 13. № 1. С. 98-111.
7. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Релаксация директора при азимутальной нестабильности жидких кристаллов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2012. № 1. С. 52-58.
схеме в качестве датчика использовалась жидкокристаллическая ячейка. Так как жидкие кристаллы - вещества очень чувствительные к внешним полям (термические, магнитные, электрические), то данное предложение позволяет повысить чувствительность метода, эффективность измерений, а значит и его быстродействие, и функциональные возможности. Полученные результаты можно использовать при разработке акустооптических датчиков для диагностики механической устойчивости аппаратов и агрегатов в авиационной промышленности, а также в нефтегазовой отрасли.
8. Денисова О.А. Распространение ультразвуковых волн в твист — структурах жидких кристаллов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2011. № 2. С. 62-65.
9. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Резонансное изменение скорости поперечных акустических волн в твист-структурах жидких кристаллов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2011. № 3. С. 25-29.
10. Денисова О.А. Турбулентный режим течения жидких кристаллов при действии гармонического сдвига // Научное обозрение. 2013. № 1. С. 34-36.
11. Леонов В.В., Денисова О.А. Электродинамика сдвигового действия и реализация режима турбулентности в конденсированных средах // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2015. № 2. С. 90-97.
12. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Оптические датчики вибрации на основе жидких кристаллов с гомеотропной ориентацией молекул // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2011. № 5. С. 367-375. URL: http://ogbus.ru/authors/Denisova / Denisova_1.pdf.
13. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Структурные переходы в жидких кристаллах, влияние осциллирующих потоков и электрических полей. Германия, 2012.
14. Денисова О.А. Один из методов экспериментальных исследований жидких кри-
сталлов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т. 9. № 2. С. 107-113.
15. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Акустический аналог перехода Фредерикса в быстро осциллирующих потоках жидких кристаллов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2013. № 2 (44). С. 37-41.
References
1. Vibrations in Techniques: Reference-Book: In 6 T. / Ed. by V.N. Chelomei (chairman). Moscow: Mechanical Engineering, 1981. T. 5. Measurements and Tests / Ed. M.D. Genkin. 1981. 496 p.
2. Jaschura A.I. System of Maintenance and Repair of General Industrial Equipment: Reference-Book. Moscow: Izd-vo NTs ENAS, 2006. 320 p.
3. Dimentberg F.M. Bending Vibrations of Rotating Shafts. Moscow: Izd-vo AN SSSR, 1959. 247 p.
4. Sivakov V.P., Mikushina V.N., Ste-panova E.N. Vibration Diagnosis of Technical Condition of Bearings of Drying Cylinders of Paper Machines // Modern Problems of Science and Education. 2014. No. 6.
5. Morenko A.I., Tarakanov D.V. Research of Vibration Modes of Aggregates of Oil Pumping Stations // Sensors and Systems. 2001. No. 3. P. 44-45.
6. Denisova O.A., Abramishvili R.L. Liquid Crystal Cells to Indicate the Monitoring and Measuring the Level of Liquid Media // Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2017. T. 13. No. 1. P. 98-111.
7. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Relaxation of the Director under the Azimuthal
Instability of Liquid Crystals // Liquid Crystals and Their Practical Use. 2012. No. 1. P. 52-58.
8. Denisova O.A. Propagation of Ultrasonic Waves in Twist Structures of Liquid Crystals // Liquid Crystals and Their Practical Use. 2011. V. 2. P. 62-65.
9. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Resonant Change in the Velocity of Transverse Acoustic Waves in Twist Structures of Liquid Crystals // Liquid Crystals and Their Practical Use. 2011. No. 3. P. 25-29.
10. Denisova O.A. Turbulent Regime of the Flow of Liquid Crystals under the Action of a Harmonic Shift // Scientific Review. 2013. No. 1. P. 34-36.
11. Leonov V.V., Denisova O.A. Electrodynamics Shearing Action Mode of Turbulence and Sales in Condensed Matter // Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2015. No. 2. P. 90-97.
12. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Optical Vibration Sensors Based on Liquid Crystal with Homeotropic Orientation Of Molecules // Electronic Scientific Journal «Oil and Gas Business». 2011. No. 5. P.367-375. URL: http:// ogbus.ru/authors/Denisova/Denisova_1.pdf.
13. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Structural Transitions in Liquid Crystals, the Influence of Oscillating Flows and Electric Fields. Germany, 2012.
14. Denisova O.A. One of the Methods of Experimental Research Liquid Crystals // Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2013. T. 9. No. 2. P. 107-113.
15. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Acoustic Analogue of the Freedericksz Transition in Rapidly Oscillating Flows of Liquid Crystals // Liquid Crystals and Their Practical Use. 2013. No. 2 (44). P. 37-41.
