CC BY
12УДК 620:191.33:681.7.624.012
Определение местонахождения механических объектов повреждений на основе волоконно-оптических систем связи
Н.Р. Рахимов, Т.Д. Раджабов, Б.Н. Рахимов, Х.К. Суннатов Ташкентский университет информационных технологий, Ташкент, Республика Узбекистан, Уфимский нефтянйо технический университет, Уфа, Башкартыстан, Российская Федерация
Аннотация: Настоящая работа посвящена разработке метода мониторинга
устойчивости гидросооружений (плотин), с помощью которого оператор создаваемой системы мониторинга может делать вывод о надежности контролируемой конструкции, и, соответственно, об уровне безопасности.
Ключевые слова: волоконный световод, фотоприемник, блок обработки
фотоэлектрического сигнала
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время широко используется оптическое волокно в волоконно-оптических линиях связи, однако, от качества волокна существенно зависит пропускная способность передачи сигналов. Существующие методы и устройства обнаружения механических повреждений, нарушений, дефектов не позволяют с достаточной точностью выявить такие недостатки как изменение характеристик сигналов на выходе усилителя преобразователя фототоков приемных диодов из-за различных характеристик излучателей и приемников, различие в оптическом согласовании приемников и излучателей с волокном и др. [1].
В отличие от других методов (акустического, тензометрического и т. п.) оптоэлектронные системы с применением волоконно световода (ВС) позволяют проводить контроль сложной конструкции, ВС могут быть внедрены внутрь железобетонных изделий. Преимуществами разрабатываемого метода мониторинга с использованием ВС является высокая точность обнаружения механических расширений, поэтому одновременный контроль осуществляя-ется в режиме онлайн.
Целью исследования является отработка оптимальных режимов по обнаружению механических повреждений различных конструкций (плотин, мосты, гражданские сооружения) с использованием оптического волокна. Используя методику применения интерферометрических измерений, отрабатывается мониторинг механических конструкций на надежность и их безопасность.
ПРЕДЛАГАЕМОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
Оптические волокна могут выдерживать относительно высокие эксплуатационные значения температуры и давления - двух важных параметров, которые являются определяющими для ряда технологий изготовления конструкций из композиционных материалов. Более того, волокна относительно нечувствительны (либо могут быть сделаны относительно нечувствительными, если использовать определенные методы укладки) к влиянию коррозии и усталостных нагрузок. Сигнал, проходящий по оптическому волокну, в высшей степени нечувствителен к вредным электромагнитным воздействиям. Соответственно, отпадает необходимость применения дорогостоящего и громоздкого электромагнитного экранирования даже в тех местах, где имеются источники сильного электромагнитного излучения (например, в силовых установках). Оптические волокна имеют достаточно широкую полосу пропускания сигнала, что позволяет использовать их в большом количестве приложений. Они также могут одновременно выполнять функции датчика и проводника сигнала измерений (оптоволоконные каналы передачи данных). Применяя метод мультиплексирования, можно размещать несколько датчиков в одном оптическом волокне [2-5].
Существующие методы контроля и диагностики устойчивости гидросооружений не позволяют достаточно точно определить эти изменения.
Разрабатываемый стенд позволит отработать достаточно точный метод диагностики надежности и устойчивости гидросооружений при воздействии таких внешних факторов как деформация (растяжение, сжатие),
перемещение, трещинообразование, предразру-шения.
Одним из перспективных применений ВС в мониторинге строительных конструкций можно считать получение критериев, по которым оператор создаваемой системы мониторинга может делать вывод о надежности контроли-
руемой конструкции, и, соответственно, об уровне безопасности.
Поставленная задача решается устройством, которое содержит датчик из световодов, светоизлучающие диоды, фотоприемники, блок обработки фотоэлектрического сигнала, задающий генератор, триггер, второй усилитель мощности, несимметричные соединители. При этом отдельные элементы устройства соединены так, как описано в патенте [5]. Повышение точности измерения деформации достигается соответствующей структурой устройства.
Упрощение конструкции достигается за счет снабжения устройства задающего генератора, триггера, второго усилителя мощности и несимметричных соединителей, что позволило сократить количество элементов по сравнению с наиболее близким аналогом, упростить обработку фотоэлектрических сигналов с фотоприемников и, кроме того, сокращается потребление электроэнергии, датчик из световодов проще закреплять на твердотельной конструкции. На Рис. 1 представлена блок-схема устройства для диагностики предразрушений и деформации твердотельных конструкций.
Устройство представляет собой два канала -измерительный и опорный.
Измерительный канал включает в себя первый усилитель мощности 3, первый терморегулирующий резистор 5,
светоизлучающий диод 7, первый и второй несимметричные соединители 9, 11, световоды 14, 15 датчика, фотоприемник 19.
Опорный канал включает в себя второй усилитель мощности 4, второй токорегулирующий резистор 6,
светоизлучающий диод 8, третий и четвертый несимметричные соединители 10, 12, световоды 16, 17, 18 датчика, фотоприемник 20.
Устройство работает следующим образом.
Задающий генератор 1 генерирует прямоугольные импульсы с частотой / следования 10 кГц, которые поступают на вход триггера 2 и запускают его в работу. С двух противофазных выходов триггера 2 импульсы раздельно поступают на выходы усилителей мощности 3, 4. Под действием этих импульсов светоизлучающие диоды 7, 8 в измерительном и опорных каналах испускают импульсы света. Посредством токорегулирующих регистров 5,6 регулируется ток, протекающий через светоизлучающие диоды 7, 8, тем самым меняется интенсивность и яркость световых сигналов с выхода светоизлучающих диодов 7, 8.
Рис. 1. Устройство для диагностики предразрушений и деформации твердотельных конструкций: задающий генератор - 1; триггер - 2; усилители мощности - 3, 4; токорегулирующие регисторы - 5, 6; светоизлучающие диоды -7,8, несиммитричные соединители - 9,10,11,12; твердотельная конструкция-13; световоды датчика - 14, 15, 16, 17, 18; фотоприемники - 19, 20; блок обработки фотоэлектрического сигнала - 21; компьютер - 22; источник питания - 23
Г
Рис. 2. Условное изображение смещения световодов при воздействии нагрузки Р на твердотельную конструкцию: световод 14, 15; аь -потери в измерительном канале, дБ
Оптическое излучение через первый несимметричный соединитель 9 по первому
световоду 14 датчика поступает на вход второго световода 15 датчика. При отсутствии деформации твердотельной конструкции 13 интенсивность световых излучений,
поступающих через второй и четвертый несимметричные соединители 11,12 на фотоприемники 19, 20 будет одинаковой.
Работа устройства основана на изменении интенсивности светового потока в световодах датчика под воздействием нагрузки Р. При воздействии на твердотельную конструкцию происходит смещение торцов световодов 14 и 15 лежащих в одной плоскости относительно друг друга, что приводит к снижению интенсивности светового потока.
Рис. 3. Условно показано смещение световодов при вертикальном сдвиге части твердотельной конструкции
При деформации (или вертикальном смещении) твердотельной конструкции 13 под действием нагрузки Р происходит смещение световодов 14, 15 датчика относительно друг, друга. Количество светового потока, поступающего из первого световода 14 датчика во второй световод 15 уменьшается, снижается интенсивность светового излучения, поступающего на второй несимметричный соединитель 11. На его входе будет световой сигнал, соответствующий разнице световых сигналов в измерительном и опорных каналах. Следовательно, и электрический сигнал, снимаемый с фотоприемника 19 будет изменяться. Электрический сигнал с фотоприемника 20 будет оставаться постоянным. Сигнал рассогласования с фотоприемников 19, 20 поступает на блок 21 обработки фотоэлектрического сигнала, а затем на компьютер 22. Если сигнал рассогласования в измерительном и опорном каналах мал, то твердотельная конструкция признается годной, что отображается на мониторе компьютера 22, а также отображается место твердотельной конструкции 13, где произошла деформация.
При изгибе твердотельной конструкции 13 (рис.2) под действием нагрузки Р потери в измерительном канале определяются по формуле
~ 4L1
1--cosa (1)
_ pD _
где -потери в измерительном канале дБ, L-смещение между центрами световодов 14,15 датчика, мм, D-диаметр световода, мм, a-угол смещения между световодами 14,15 датчика при воздействии нагрузки Р, p-постоянная.
Потери в измерительном канале светового излучения при вертикальном смещении твердотельной конструкции 13 под действием нагрузки Р определяется по формуле :
a,
= -10lg
a,
:-10lg
1 - 4L
pD
(2)
По относительному соотношению диаметра Б световодов и смещению Ь по характеристике (Рис. 4), полученной экспериментальным путем можно определить потери светового излучения в измерительном канале, возникающие из-за того, что не весь световой поток с первого
световода 14 датчика поступает во второй световод 15 датчика.
При изменении величины зазора между световодами 14,15 на »0,01 мм, измеряемая деформация составляет от 1-10-4 до 2-10 -2мм,
пороговая
чувствительность
первичного
преобразователя составляет 110" мм.
L/D
0,2 0,3 0,4 0,5
Рис. 4. Статическая характеристика датчика устройства
При необходимости вместо компьютера можно использовать измерительный прибор для отображения величины смещения Ь между центрами световодов в измерительном канале.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагаемая система может использоваться определении предразрушений и деформаций твердотельных конструкций, в частности, строительных конструкций и гидросооружений (плотин). Так как при помощи волоконных световодов можно контролировать измерение деформации состояние в нескольких точках конструкций. Малогабаритные, дешевые и чувствительные элементы для датчиков, обладающих малым энергопотреблением, высокой чувствительностью и соответствующие современным техническим требованиям, могут эффективно применяться для контроля различного рода механических нарушений и повреждений. В настоящее время благодаря новым разработкам в физике твердого тела и волоконной оптике, существенного снижения стоимости оптического волокна и полупроводниковых приборов стало доступным применение датчиков на основе оптического волокна, причем не только на предприятиях, но и для неразрушающего контроля состояния зданий и других инженерных сооружений, а также их отдельных частей.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Рахимов Б.Н., Раджабов Т.Д. Оптоэлектронная система для обнаружения предразрушения объектов и конструкций с помощью волоконных световодов. Научно-технический журнал Вестник ТУИТ, 2011 №2 С 35-39. г.Ташкент.
[2] Овчаренко А.Б., Кузнецов А.С., Трушин В.Д. Применение рефлектометра в волоконно-оптических системах контроля целостности авиаконструкций из композиционных материалов / Труды VIII симпозиума по проблемам автоматизации в прочностном эксперименте, Новосибирск, 1990. - C. 109-112.
[3] Рахимов Б.Н., Раджабов Т.Д. Оптоэлектронная система мониторинга композиционных строительных конструкции на основе волоконных световодов «Ахборот технологиялари ва телекоммуникация муаммолари» Республика илмий-техник конфренция. 21-22 апрель 2011 й. Ташкент.
[4] Рахимов Б.Н., Раджабов Т.Д. Разработка интегрированных оптоволоконных датчиков для контроля состояния композитных конструкций «Ахборот технологиялари ва телекоммуникация муаммолари» Республика илмий-техник конфренция. 21-22 апрель 2011 й. Ташкент.
[5] Патент IAP 05166. Рахимов Б.Н., Раджабов Т.Д., Давронбеков Д.А., Хакимов З.Т., Курбанов А. Устройство для диагностики предразрушений и деформации твердотельных конструкций. 19.01.16.
Determination of the Location of Mechanical Damage of Objects Based on Fiber-Optic Communication Systems
N.R. RAKHIMOV, T.D. RADZHABOV, B.N. RAKHIMOV, H.K. SUNNATOV
Tashkent University of Information Technologies, Tashkent, Republic of Uzbekistan,
Ufa Oil Technical University, Ufa, Bashkartistan, Russian Federation
Abstract: This paper gives technique and results of an experimental research of mechanical characteristics of ВС, for the purpose of use as the
gauge for detection of efforts of ferroconcrete products are resulted.
Key words: Pulse code modulation, fiber-optic communication lines, synchrnous sransport module, dispersion compensating fiber
Неъматжон Рахимович Рахимов - Профессор кафедры Разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений филиала Уфимского
государственного нефтяного технического университета в г. Октябрьском, д.т.н.
E-mail: nerah@rambler. ru Тельман Дадаевич Раджабов - Академик АНРУз, доктор технических наук, профессор, Ташкентский университет информационных технологий, г. Ташкент, Республика Узбекистан, 100202 г. Ташкент, ул. Амира Тимура 108, Тел.: +998(90) 174-94-62. E-mail: r.dadaevich@mail.ru Бахтиержон Неъматович Рахимов - доктор технических наук, Ташкентский университет информационных технологий, г. Ташкент, Республика Узбекистан, 100202 г. Ташкент, ул. Амира Тимура 108, Тел.: +998(90) 174-94-62. E-mail: brah2008@rambler.ru Хамиджон Кучкарали угли Суннатов -студент Уфимского нефтяного технического университета. E-mail: nemrah@mail. ru
