CC BY
58
УДК 620:191.33:681.7.624.012 А.Н. Серьезное, Н.Р. Рахимов СибНИА им. С.А. Чаплыгина, Новосибирск
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
В настоящее время разрабатываются средства мониторинга физикохимического состояния различных материалов и технологических процессов. Этими средствами обеспечивается регулярное целенаправленное получение объективной информации об условиях эксплуатации технических объектов и дифференцированный учет расходования их ресурса. Самым массовым (благодаря сравнительной простоте и дешевизне) средством мониторинга могут стать оптоэлектронные системы на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), лазерных диодов (ЛД), приёмников оптического излучения (ПОИ) и волоконных световодов (ВС).
Одно из перспективных применений ВС в мониторинге строительных конструкций можно считать получение критериев, по которым оператор создаваемой системы мониторинга может делать вывод о надежности контролируемой конструкции, и, соответственно, об уровне безопасности.
В отличие от других методов (акустического, тензометрического и т. п.) оптоэлектронные системы с применением ВС позволяют проводить контроль по сколь угодно сложной конструкции, могут быть внедрены внутрь железобетонных изделий.
В последнее время значительно улучшено качество ВС т. е. получены ВС с потерями меньше 1 дБ/км. Подбором материала и конструкции оптоволокна добиваются увеличения потерь для мод, распространяющихся в оболочке, и их снижения для направленных мод в сердечнике [1].
Оптические волокна из чистого кварца, покрытые полимерной оболочкой, имеют сердечник большого диаметра и относительно большую апертуру (КА).
В наших исследованиях в основном используются полимерные волокна. Они имеют малый удельный вес, большую гибкость при относительно большом диаметре, механическую прочность, высокую технологичность. Достигнутое минимальное затухание при длине волны 0,66 мкм - 20 дБ/км [2, 3].
Технические характеристики некоторых типов полимерных оптических волокон исследованы достаточно полно [4 - 6].
В данной работе изложена методика и приведены результаты экспериментального исследования механических характеристик ВС, с целью использования в качестве датчика деформации и предрзрушения элементов железобетонных конструкций.
Из многообразия выпускаемых световодов для определения предразрушения в наибольшей степени подходят полимерные и кварцевые с плотно прилегающей оболочкой из полиамида. Установка их на
контролируемую поверхность производится с помощью известных в тензометрии клеев.
Рассмотрим здесь первичный преобразователь усилия, выполненный на основе плоского световода с нарушением условий полного внутреннего отражения. На рис. 1 изображена схема экспериментальной установки для снятия характеристик такого преобразователя усилия. Излучение от лазерного диода ИЛПН-301-1, накачиваемого импульсами тока амплитудой 2А и длительность 10 мкс, через оптический кабель (ОК) вводится в плоский световод (ПС). Первоначально динамометрическая установка (ДУ) находится в свободном (без прижатия) состоянии, то зазор между ней и верхней гранью плоского световода будет больше длины волны используемого излучения и свет от источника излучения путем последовательных полных внутренних отражений распространяется по световоду и попадает на ПОИ. Если к ДУ приложить усилие (например, с помощью винта), то она будет упруго деформироваться и прижиматься к плоскому световоду, что приведет к уменьшению зазора и нарушению условий полного внутреннего отражения на верхней грани световода. В результате излучение будет выходить через верхнюю грань световода, а ПОИ будет фиксировать уменьшение светового потока, выходящего с торца плоского световода.
ОК
от
источника
Р
М
ш
^ ^ У ^ > /
V/ /уу '/А ' ' ДУ
ПС ОК
Р
оптическому
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для снятия динамометрических характеристик оптоволокна. ПС - плоский световод; Р - разъем; ОК -оптический кабель, ДУ - динамометрическое устройство; М - микрометр
к
Необходимость использования пластичного материала в таком преобразователе усилия вызвана тем, что для обеспечения оптического контакта зазор между двумя оптическими средами должен составлять доли микрона, что при использовании двух твердых сред вызывает необходимость в больших усилиях. Но самое главное, что при использовании твердых сред не обеспечивается воспроизводимость и повторяемость характеристик, а так не наблюдается гистерезис. Поэтому датчики с оптическим контактом, использующие две твердые оптические среды можно использовать лишь в качестве переключателей, работающих в релейном режиме. При этом для уменьшения гистерезиса необходимо использовать конкретную жидкость,
наносимую тонким слоем на плоский световод. В этом случае характеристика будет линейной, и переключение будет происходить при малых усилиях.
Для защиты от фоновых засветок при проведении эксперимента использовалось импульсное излучение диода ИЛПН-301-1 и стандартные разъемы, что позволяло выделить и отфильтровать постоянную составляющую, появляющуюся в результате действия солнечного света и электрического освещения, попадающего на ПОИ.
При проведении эксперимента использовались плоские световода из полимерные волокна без защитной оболочки с размером отражающей оболочки = 1100 х 500 мкм и диаметром сердцевины dс = 400 мкм с показателем преломления п1 = 1,52.
На рис. 2 изображены экспериментальные статические характеристики, отражающие зависимость выходного сигнала от величины упругой деформации пластичной прокладки плоского световода а), и протяженности контакта со светопоглощающей прокладкой. Величина деформации измерялась с помощью микрометрической головки. Анализируя оптические характеристики можно видеть, что при увеличении толщины Ж и уменьшении протяженности оптического контакта I, т. е. при уменьшении
2Ж
модуляции сильно падает. Поэтому для практического использования пригодны лишь преобразователи, с толщиной плоского световода Ж = 400 мкм.
Как видно на рис. 2 оптические характеристики такого преобразователя усилия (давления) являются нелинейными.
Если аппроксимировать эти характеристики от точки перегиба до 200 ... 300 мкм, то они аппроксимируются с ошибкой 3% выражением
—А р —И р
ае +се .
количества отражений крутизна характеристик и глубина
и0
Такой преобразователь усилия в сочетании с пороговой или релейной схемой можно с успехом использовать в качестве датчика деформации или предразрущения, т. е. в мониторинге строительных конструкций.
В системах оптоэлектронного мониторинга ОВ внедрены внутрь железобетонных изделий.
При появлении разрушения волокно повреждается, теряя проводимость оптического потока Ф [6]. Поток Ф измеряется в начальный момент времени 10, когда заведомо известно, что датчик цел, а затем в моменты времени 11 (/ = 1, 2, ..., п) - при нагружении испытываемой конструкции.
Конструкция считается разрушенной, если Ф(?г) / Ф(?0) < а, где а (а < 1) определяется исходя из условий нарушения пропускания светового потока в месте разрыва ОВ с учетом стабильности лазерного диода (ЛД) и приемника оптического излучения (ПОИ), а также аналогового тракта обработки сигналов.
На рис. 3 представлена оптоэлектронная измерительно-информационная система (ОИИС) для обнаружения усилий железобетонных изделий с помощью волоконных световодов. При этом ОИИС состоит из контролируемой конструкции (1), Г-образных световодов на каждом канале (2), с отражающем серебряном покрытием (3), блок питания (генератор импульсов) (4), лазерный диод (5), измерительный приемник оптического излучения (6), блок обработки фотоэлектрического сигнала (7),
измерительный прибор или ЭВМ (8).
Рис. 2. Экспериментальные статические характеристики, отражающие зависимость выходного сигнала от величины упругой деформации пластичной прокладки плоского световода
Принцип работы системы следующий. ОВ с отражающим концом внедрены внутрь железобетонных изделий. Генератор электрических импульсов (4), вырабатывает короткие ~ 10 нс импульсы, которые подаются на ЛД (5). В качестве ЛД использован ИЛПИ-301-1 с длиной волны 0,81 ... 0,89 мкм.
Световой поток из ЛД подается одновременно на Г-образный измерительный световод (2), на конце которого нанесено отражающее покрытие (3).
Проходя через световоды, оптические сигналы попадают на светочувствительную поверхность ПОИ (6). Из ПОИ измерительный сигналы подаются в БОФС (7), где сравниваются, и их отношение передается на измерительный прибор или ЭВМ (8).
Сущность способа заключается в следующем. По принципу действия способ основан на применении оптического импульсного рефлектометра.
В настоящее время рефлектометры используются в технике оптической связи для определения координат места разрушения кабеля. Аналогичным образом рефлектометры можно использовать для определения мест разрушения датчиков.
В нашем случае принцип использования заключается в следующем: с помощью ЛД (5) в датчик (2) (через ^образный ответвитель) подается короткий импульс I. В случае разрушения датчика, оптический сигнал частично отражается от места разрушения, а часть сигнала, пройдя через место разрушения, достигает конца датчика и, отражаясь от него, возвращается обратно. В результате, к ПОИ (6), кроме опорного импульса ^, возвращаются два импульса ^ и ^, сформированные отражением сигнала от места разрушения и от свободного конца датчика соответственно. Временные интервалы между этими импульсами определяются длиной датчика и локализацией на нем места разрушения.
Используя современный уровень развития элементной базы, можно спроектировать рефлектометр с требуемыми параметрами.
Рис. 3. Оптоэлектронная измерительно-информационная система (ОИИС) для обнаружения усилий железобетонных изделий с помощью волоконных
световодов
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Артуюпов, К.Б. Волоконно-оптические датчики параметров технологических процессов / К.Б. Артуюпов. - М.: Информприбор. - 1989, Вып.1. - 210 с.
2. Niizeki. Development of Fiber. Japan Annual Reviews in Electronics, Computer + Telecommunications // Optical Devices + Fibers. - 1984. - Vol. 11. - P. 168 - 178.
3. Рахимов, Н.Р. Применение оптического волокна в системе оценки усталостной повреждаемости элементов конструкций / Н.Р. Рахимов // Изв. вузов. Приборостроение.-2005. - Т. 48, № 1. - С. 39 - 43.
4. Серьёзнов, А.Н. Исследование волоконных световодов для неразрушающего контроля целостности машиностроительных конструкций / А.Н. Серьёзнов, Н.Р. Рахимов // Современные проблемы геодезии и оптики. - Новосибирск, 2004. - С. 158 - 163.
5. Рахимов, Н.Р., Шамирзаев, С.Х. // Узб. физ. журн. - 2004. - Т. 6, № 2. - С. 115 -
119.
6. Рахимов, Н.Р., Шамирзаев, С.Х. // Узб. физ. журн. - 2004. - Т. 6, № 4. - С. 288 -
293.
7. Пат. 2247412 Российская Федерация. Способ определения мест предразрушения конструкций / Рахимов Н.Р., Серьёзнов А.Н.; заявитель и патнтообладатель СибНИА. -опубл. БИ. - 2005. № 8.
© А.Н. Серьезное, Н.Р. Рахимов, 2006
