CC BY
47
УДК 620:191.33:681.7.624.012
Б.Н. Рахимов1, А.Н. Серьезное2, C.C. Игнатенко3
1ТУИТ, Ташкент, 2СибНИА им С.А.Чаплыгина, Новосибирск, 3СГГА,
Новосибирск
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТРЕЩИНЫ КОНСТРУКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
В данной работе приведен оптико-электронный метод определения трещин в различных строительных конструкциях. Предлагается оптико-электронная информационная измерительная система, которая может контролировать параметры строительных и механических конструкций.
B.N. Rakhimov, A.N. Seryoznov, S.S. Ignatenko Tashkent institute of information technologies,
Siberian S.A. Chaplygin research institute of aviation.
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
OPTOELECTRONIC METHOD FOR THE STRUCTURE CRACK CONTROL BY OPTICAL FIBER
The optoelectronic method for detecting cracks in different building structures is considered. The optoelectronic information-and-measurement system is presented. It may be used for the control of building and mechanical structures parameters.
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 и металлических конструкций можно считать получение характеристик, 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.
К сожалению, производство и применение современных волоконнооптических датчиков (ВОД) сосредоточены в развитых зарубежных странах. Исходя из этого соображения, целью настоящей работы является рассмотрение возможности использования оптического волокна (ОВ) в качестве чувствительного элемента оптоэлектронной измерительно-информационной системы.
В системах оптоэлектронного неразрушающего контроля с применением ВОД ОВ закрепляется в местах прогнозируемого зарождения трещин. При появлении разрушения волокно повреждается, теряя проводимость оптического потока Ф.
Поток Ф измеряется в начальный момент времени ^, когда заведомо известно, что датчик цел, а затем в моменты времени ti (/ = 1, 2,..., п) - при нагружении испытываемой конструкции.
Конструкция считается разрушенной, если Ф(^) / Ф(^) < а, где а (а < 1) определяется исходя из условий нарушения пропускания светового потока в месте разрыва ОВ с учетом стабильности ЛД и ПОИ, а также аналогового тракта обработки сигналов.
На рис. 1 представлена оптоэлектронная измерительно-информационная система (ОИИС) для обнаружения трещины конструкций с помощью волоконных световодов.
Рис. 1. Оптоэлектронная измерительно-информационная система для обнаружения трещины конструкций с помощью волоконных световодов
При этом ОИИС состоит из электронной схемы и световодов на каждом канале и опорного световода.
Пример возможной практической реализации предложенного устройства.
Приведен на рис. 1 со следующими условными обозначениями: 1 -фрагмент испытываемой конструкции летательного аппарата (рис. 2.), 2 -болтовое или клепаное соединение панелей с ребром жесткости, 3 - трещина, 4 (0к -6к) - полимерные ВС (датчики), 5 - источник питания, 6 -микроконтроллер, 7 -коммутатор, 8 - усилитель мощности, 9 - 16 подстрочные резисторы, 17 - 23 -ЛД, 24 - 30 - измерительные ПОИ, 31 - усилитель, 32 -приемо-передатчик RS232, 33 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), 34 - компьютер, 35 -файлы данных, 36 - цифровая обработка данных, 37 -математическая обработка результатов, 38 - статистика экспериментов.
Принцип работы устройства следующий. Оптическое волокно 4 (7 каналов датчиков 0к-6к) с отражающим концом жестко закрепляется на испытываемой конструкции 1 в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного
для излучения клея (рис. 2). Источник питания 5 вырабатывает импульсы, которые либо через микроконтроллер 6, либо через усилитель 31 подаются световодом 7 на усилитель-коммутатор 8 (рис. 1). От блока резисторов 9 - 15 с сопротивлением R и ограничивающего резистора 16 c сопротивлением Я0 световой поток поступает на оптическое волокно 4. Оптический сигнал преобразуются в электрический, он подается на блок приемников 24 - 30 и далее попадает на усилитель 31 и микроконтроллер 6, где сигнал преобразуется в цифровой код. Сигнал попадает на приемопередатчик RS232 - 32 и передается на АЦП - 33, и данные с которого поступают в компьютер, где записываются в виде файла. При статических нагружениях испытуемой конструкции имеет смысл производить опрос раз в 10 - 20 секунд, а при испытаниях оптических волокон при постоянной нагрузке или фиксированном удлинении опрос производится через 10 - 15 минут. Дальнейшая обработка сигнала
производится с помощью специально разрабатываемого программного обеспечения, она обеспечивает цифровую фильтрацию, определение глубины трещины - предразрушения и выполнение задач исследований, рассчитывая одновременно, например, двадцать таких датчиков.
Рис. 2. Фрагмент испытываемой конструкции летательного аппарата
На рис. 3 представлена временная диаграмма работы устройства при опросе оптических каналов. Здесь сигналы включения излучающих диодов, которые вырабатывает контроллер, обозначены как и0 - Ц5. Сигнал на выходе усилителя-преобразователя фототока приемных диодов обозначен как Ц^, т.к. он является входным сигналом АЦП контроллера. На диаграмме показана форма сигнала и^ для случая, когда волокна двух первых каналов повреждены образовавшейся под ними трещиной.
Рис. 3. Временная диаграмма работы устройства при опросе оптических
каналов
На рис. 1 и рис. 3 канал 6к использован в качестве опорного, сигнал с которого может быть использован для учета влияния температуры окружающей среды на мощность излучения светодиодов, т.к. известно, что с ростом температуры окружающей среды, а значит и корпуса светодиода, мощность излучения уменьшается. Чтобы избежать влияния разогрева диодов при прохождении тока через них, выбран режим непрерывного опроса каналов даже в том случае, если канал не используется или компьютер не запрашивает данные измерения в течение длительного времени. При этом можно считать тепловой режим работы излучателей относительно стабильным, а мощность излучения неизменной. Для дополнительной стабилизации мощности излучения питание светодиодов осуществляется от стабилизированного источника напряжения.
Развитие волоконной оптики (в частности направления по ВОД) и стремительный прогресс полупроводниковой техники позволяют в настоящее время решать задачи, ранее казавшиеся неразрешимыми по той или иной причине. Так, для диагностики предразрушений использовались пьезоэлектрические датчики, что было не только очень дорого, но и весьма неудобно из-за сложностей при монтаже датчиков. Однако в настоящее время эту проблему можно решить достаточно простыми методами с помощью применения ВОД деформации, что позволяет не только сократить затраты при испытаниях на тех же оборонных предприятиях, но и использовать такие
датчики в ранее практически закрытых областях - таких, как мониторинг зданий и инженерных сооружений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. Пат. 231675 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. - №2006112021/28; заявл. 11.04.06; опубл. 10.02.08., БИ 2008, №4.
© Б.Н. Рахимов, А.Н. Серьезное, С.С. Игнатенко, 2011
