Оптоэлектронная информационная измерительная система для обнаружения и регистрации предразрушения элементов металлических конструкций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 620:191.33:681.7.624.012

Т.Д. Раджабов1, Б.Н. Рахимов1, Т.В. Ларина2

1ТУИТ, Ташкент, 2СГГА, Новосибирск

ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ - ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

В данной статье предлагается оптоэлектронная система для определения мест предразрушения металлических поверхностей.

T.D. Radgabow, B.N. Rakhimov, T. V Larina

SSGA, Novosibirsk, Tashkent University of Information Technologu, Tashkent

DEVELOPMENT OF OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR DETECTING PREFRACTURE AREAS ON METAL SURFACES

The optoelectronic system for detecting prefracture areas on metal surfaces is presented.

В настоящее время в России и за рубежом начались интенсивные разработки в области создания оптоэлектронных систем мониторинга механических конструкций с помощью волоконных световодов.

При этом очень важна замена электрических сигналов на оптические как в линиях связи, так и в местах преобразования информации. Причем в зарубежных разработках уже используются оптические волокна (ОВ) с диаметром сердцевины от 30 до 600 мкм в оптоэлектронных системах для измерения и контроля широкого спектра физических величин: давления, температуры, ускорения и напряженно-деформационного состояния элементов механических конструкций и т. д.

В течение последних двадцати лет бурно развивались волоконно-оптические датчики (ВОД) и быстрыми темпами разрабатывались оптоэлектронные системы на их основе, но прием их потребителями был медленным. Однако в последние годы в поисках путей расширения рынка современные различные фирмы мира убедились в выгодности применения систем на основе ВОД.

В настоящее время, благодаря новым разработкам в физике твердого тела и волоконной оптике, а также - существенного снижения стоимости оптического волокна и полупроводниковых приборов (в частности, полупроводниковых лазеров и фотоприемников), стало доступным применение датчиков на основе оптического волокна [1, 2]. Причем они применяются не только на машиностроительных предприятиях, но и в строительстве для неразрушающего контроля состояния зданий и других инженерных сооружений.

В настоящее время нами ведутся работы, направленные на разработку систем оптоэлектронного мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков.

Исследования развиваются в следующих направлениях:

- Исследование современного состояния и перспектив развития оптоэлектронных систем с использованием волоконно-оптических датчиков;

- Исследование волоконно-оптического тракта для разработки оптоэлектронной системы контроля усталостной повреждаемости элементов механических конструкций;

- Исследование механических характеристик оптического волокна для разработки оптоэлектронной контрольно-измерительной системы;

- Исследование характеристик полупроводниковых оптронов открытого канала для волоконно-оптических систем;

- Теоретическое исследование волоконно-оптических преобразователей на основе полупроводникового оптрона открытого канала с нарушенным полным внутренним отражением;

- Исследование систем мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков на строительных объектах.

Экспериментальные работы по разработке систем мониторинга макрообъектов с применением волоконно-оптических датчиков были разбиты на следующие циклы испытаний:

- Испытания оптоэлектронной системы с применением волоконнооптических датчиков для контроля усилия (давления);

- Испытания волоконно-оптического световода на поперечные нагрузки в плоскости;

- Испытания волоконно-оптического датчика деформаций на базе многомодового и одномодового волоконно-оптического световода;

- Испытания волоконно-оптического датчика предразрущения;

- Испытания оптоэлектронной системы для определения предразрущения конструкций летательных аппаратов с помощью волоконных световодов.

С точки зрения контролируемых параметров экспериментальные исследования были направлены на создание систем, позволяющих контролировать следующие параметры объекта:

- Деформации (растяжение, сжатие);

- Перемещения;

- Трещинообразование;

- Предразрущения.

На данный момент в арсенале ГОУВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» имеются волоконно-оптический датчик деформаций амплитудного типа, датчик предразрушений, а также волоконно-оптический датчик влажности [3, 4].

В данной работе рассмотрена разработка семиканальной оптоэлектронной системы для обнаружения и регистрации усталостных трещин элементов механических конструкций. Система состоит из блока лазерная диода (ЛД), блока сигнализации, индикации и управления (СИУ), а также комплекта датчиков.

Функциональная схема системы состоит из следующих узлов (рис. 1).

- ЛД - лазерный диод;

- ДТ8 - датчики трещин (1);

- ПОИ - приемник оптического излучения;

- КОМ - коммутатор (2);

- УФ - усилитель фототока (3);

- ИОН - источник опорного напряжения (4);

- К - компаратор (5);

- СиАО - устройство сигнализации и автоматического отключения (6);

- ГИ - генератор импульсов (7);

- РИ - устройство распределения импульсов (8);

- ТСО - триггеры состояния датчиков (9);

- С - устройство совпадения (10);

- ПУ - пульт управления (11);

- О(Ык) - светодиодный дисплей «номер канала» (12);

- В(Тр) - светодиодный дисплей индикации номера разрушившегося датчик (13).

Рис. 1. Блок схема системы «ОСП-1Б»

Принцип работы системы на основе туннелирования мощности поверхностной волны через изменяющийся из-за давления малый зазор между двумя средами с высоким коэффициентом преломления (КП).

Работа ВОД основана на следующих теоретических идеях. При прохождении оптического излучения из среды с высоким КП в среду с меньшим КП происходит полное внутреннее отражение при угле падения луча, превышающем критический угол, но при этом небольшое электромагнитное поле проникает в среду с малым КП. Если приблизить третью среду с более высоким КП близким к первоначальной среде с зазором между ними из среды с малым КП, то луч света пройдёт в третью среду, т.е. произойдёт процесс туннелирования оптической мощности, величина которой зависит от толщины промежуточного слоя, углов падения света и КП сред.

Концы ВОД собираются с одной стороны в пучок, торец которого освещается лазером накаливания (ЛД). Другие концы датчиков подключены к индивидуальным фотоприемникам (блок СИУ). Сами датчики с помощью клея жёстко закрепляются на любом участке конструкции. Если на контролируемой поверхности начинает развиваться трещина, то происходит разрушение датчика и, следовательно, резкое ослабление интенсивности светового потока, попадающего на фотодетектор. Электронное устройство обрабатывает сигналы, поступающие с фотодетекторов, и реализует звуковую сигнализацию о моменте разрушения, индикацию номера разрушившегося датчика, а также оперативное отключение внешнего устройства. Возможно также визуальное обнаружение места разрушения по светящемуся пятнышку на контролируемой поверхности.

Устройство распределения импульсов представляет собой устройство с одним входом и восемью выходами. Импульсы, поступающие на вход (РИ), поочереди распределяются на его входы. Временная диаграмма работы устройства показана на рис. 2.

и,

и«

и.

вых

О

О)

о

О;

<^1

п п п □ □ □ □_

п п

п п

п □

п

____'

_____□_____

Рис. 2. Временная диаграмма

Устройство ТСЭ состоит из восьми таксируемых Э- триггеров. Их Э-входы соединены друг с другом и образуют один Э- вход ТСЭ, на который поступает сигнал с выхода компаратора К. С- входы триггеров соединены с выходами РИ.

Принцип работы сигнализатора заключается в следующем. Торцы ОВ освещаются лазерными диодами ЛД1-ЛД7. Другие концы ОВ состыкованы с ПОИгПОИу.

С помощью ПУ в сигнализатор вводится информация о том, какие каналы используются для контроля. Номера используемых каналов высвечиваются на дисплее В(Нд). Импульсы, вырабатываемые ГИ, поступают на вход РИ. Импульсы с выходов РИ поступают на С- входы ТСЭ и адресные входы КСМ. Напряжение, формируемое на выходе выбранного ФП и усиленное УФТ ( ивых), сравнивается с напряжением, генерируемым ИОН (исп), с помощью компаратора К, сигнал с которого поступает на Э- вход ТСЭ. При этом соответствующий триггер устанавливается либо в состояние Р = 1, либо Р = 0, что соответствует целому и разрушившемуся датчику. Временная диаграмма работы ТСЭ по какому-либо из С-входов показана на рис. 3.

Рис. 3. Временная диаграмма

Сигналы с выходов ТСЭ и с ПУ поступают на устройство совпадения С, информация с выходов которого используется для управления устройством Си АО и Э (Тр.). При разрушении какого-либо датчика зажигается соответствующий светодиод дисплея Э(тр.), включается звуковая сигнализация и формируется команда управления внешним устройством.

В сигнализаторе предусмотрены:

- Регулировка коэффициента усиления УФТ;

- Регулировка уровня срабатывания компаратора К-(ИОН);

- Блокировка реле управления внешними устройствами.

- Основные органы управления, сигнализации и коммутации расположены на переней панели блока СИУ:

- Разъёмы для стыковки световодов с фотодиодами:

- ПОИ 1-7;

- Светодиоды дисплея О(Тр) «ТРЕЩИНА»;

- Светодиоды дисплея Б(Кк) «НОМЕР КАНАЛА» для индикации номера используемого канала;

- Тумблеры блокировки неиспользуемых каналов;

- Тумблер и индикаторный светодиод блокировки реле управления

«РЕЛЕ»;

- Ручка регулировки коэффициента усиления УФТ «ВЫХ»;

- Ручка регулировки выходного напряжения ИОН «ОП»;

- Разъемы для подключения осциллографа к выходам УФТ и ИОН;

- Тумблер и индикаторный светодиод «СЕТЬ».

На задней панели блока расположены разъем питания 220В, предохранитель, клемма заземления, а также разъемы для подключения цепей управления внешними устройствами.

На передней панели блока ИС расположен разъем для подключения световодов и тумблер «СЕТЬ». На задней панели - разъем питания 220В, предохранитель и клемма заземления.

Инструкция по эксплуатации системы.

1. Перед первым включением прибора ознакомиться мерами предосторожности и правилами пользования, изложенными ниже.

2. Произвести внешний осмотр блоков прибора и убедиться в отсутствии ярко выраженных поведений.

3. Заземлить блоки прибора.

4. Все тумблеры установить в нижнее положение.

Индикация разрушений.

Появление трещины на исследуемой конструкции сопровождается включением светодиода, соответствующего сработавшему датчику, включением звуковой сигнализации, а также срабатыванием реле управления внешними устройствами.

Преимущества данной системы по сравнению с другими известными устройствами состоят в том, что в отличие от датчиков, использующих электрический ток, оптоволоконные датчики не требуют изоляции, световоды не подвержены коррозии, а также обеспечивают визуализацию места разрушения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рахимов, Н.Р. Оптоэлектронные системы с применением волоконнооптических датчиков для контроля усилия (давления) / Узб. Физ. журнал, 2005. № 1. - С. 156-158.

2. Рахимов, Н.Р. Оптоэлектронная система с волоконными световодами для определения начального момента разрушения конструкций / ПТЭ, 2005. №4. - С. 161-162.

3. Серьёзнов, А.Н. Оптоэлектронная система с волоконными световодами для обнаружения трещин в конструкциях летательных аппаратов //А.Н. Серьёзнов, Н.Р. Рахимов, В.Н. Чаплыгин. сб. трудов Всероссийской отраслевой конференции. - Новосибирск: СибНИА, 2004. - С. 344-347.

4. Пат. 2261430 Российская Федерация, Способ определения мест предразрушения конструкций / Рахимов Н.Р., Серьёзнов А.Н.; заявитель и патентообладатель ФГУП Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина. - №2003132159; заявл. 03.11.03; опубл. 27.09.05, БИ 2005, №8.

© Т.Д. Раджабов, Б.Н. Рахимов, Т.В. Ларина, 2011