CC BY
212
УДК 681.2.082
В .Е. Карасик, В . А. Лазарев
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ВСТРОЕННОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ
Рассмотрена система мониторинга механической деформации детали из полимерного композиционного материала и основные проблемы, возникающие при решении задачи мониторинга. Описан принцип действия системы мониторинга на основе волоконно-оптических брэг-говских датчиков, предложена схема с использованием объемных фазовых голографических решеток и линейки InGaAs-фотодиодов. Подробно разобрана проблема одновременного измерения температуры и деформации, намечены пути ее решения.
E-mail: karassik@rl2.bmstu.ru
Ключевые слова: брэгговский датчик, структурный мониторинг, композиционный материал, измерение деформации, измерение температуры.
Область структурного мониторинга состояния объектов инфраструктуры за последние двадцать лет испытала ощутимый скачок в развитии, во многом благодаря двум факторам. С одной стороны, это произошло вследствие широкого признания преимуществ применения такого мониторинга балансодержателями объектов инфраструктуры, а с другой - постоянного усложнения появляющихся технологий.
Структурный мониторинг находит интересные применения в двух типах конструкций: строящихся высокотехнологичных и уже возведенных конструкциях, для которых весьма актуальны вопросы динамики старения. В случае строящихся конструкций обычной практикой становится оснащение системами мониторинга объектов, в которых сочетаются различные технологически сложные факторы: новые типы материалов (композиционные материалы, материалы с высокими эксплуатационными характеристиками и пр.), усложненная планировка конструкции, ее нестандартные размеры, масса. В то же время структурный мониторинг позволяет существенно расширить срок службы уже созданных конструкций путем своевременного обнаружения деструктивных процессов и предотвращения разрушения.
Динамично развивающиеся технологии привели к появлению датчиков и систем опроса, обладающих большей надежностью и эко-
номичностью при установке и эксплуатации. На сегодняшний день волоконно-оптические датчики - пример одной из наиболее востребованных технологий, которая совершила успешный переход от лабораторных стендов к практической реализации, в результате чего появилось множество типов датчиков, которые применяются в различных областях промышленности. По сравнению с обычными датчиками волоконно-оптические обладают рядом преимуществ для использования в системах мониторинга конструкций и объектов, среди которых выделяют высокую стабильность и надежность, а также нечувствительность к внешним воздействиям.
Основной задачей структурного мониторинга является измерение в режиме реального времени ряда параметров определенных областей конструкции, а также своевременное оповещение аварийных служб в случае выявления превышения измеренными параметрами пороговых уровней. Наиболее часто проводят измерения трех основных групп (параметров) [1]:
Группа параметров Перечень параметров Механические..........................Напряжение, деформация, смещение,
Мониторинг этих параметров возможен на двух уровнях: мониторинг состояния материала и мониторинг состояния конструкции. При мониторинге состояния материала датчики монтируют внутрь исследуемого образца. Такой мониторинг характерен прежде всего для композиционных материалов. В случае мониторинга конструкции датчики устанавливают на определенные элементы и фиксируют изменение их параметров.
Следует отметить, что наблюдаемое в последнее время активное использование композиционных материалов в различных областях промышленности (авиации, судостроении, энергетике) связано с такими их характеристиками, как коррозионная стойкость, высокая прочность, малая масса. Один из наиболее распространенных сегодня композиционных материалов - армированное углеродное волокно. Ярким примером его применения является новая модель самолета Боинг 787 - первого коммерческого проекта, большая часть конструкции которого собрана с использованием композиционных материалов [2]. Однако композиционные материалы подвержены многим
Физические. Химические
предел прочности, давление, нагрузка
Температура, влажность, давление Проницаемость хлоридов, сульфатов, степень карбонизации, уровень кислотности, степень окисления арматуры и стали, степень гниения древесины
видам повреждений: появлению трещин, нарушению структуры, расслоению и т. д. Все это может стать причиной аварийно-опасных ситуаций и даже катастроф. Усугубляет ситуацию также сложность своевременного выявления этих повреждений.
Как уже отмечалось выше, волоконная оптика предлагает изящное решение этой проблемы в виде встраиваемых волоконно-оптических датчиков для структурного мониторинга конструкций и отдельных деталей из композиционных материалов. Во-первых, композиционный материал со встроенными датчиками отвечает требованиям уменьшения массы. Во-вторых, и это более важно, волокно можно размещать непосредственно в материал композиционного материала на стадии изготовления, таким образом, формируется идеальная комбинация датчик/материал для структурного мониторинга.
Существует много технических подходов к измерению распределенных полей напряжения и деформации композиционных материалов. Среди них необходимо выделить метод, основанный на применении волоконно-оптических брэгговских датчиков, обладающих рядом преимуществ, среди которых можно выделить высокие разрешающую способность и надежность при выявлении дефектов внутри композиционного материала.
Перед тем как рассмотреть систему мониторинга дадим краткое описание брэгговских датчиков. Эти датчики представляют собой волоконно-оптические периодические структуры с наноразмерным периодом, сформированные непосредственно в сердцевине оптического световода. Фактически, брэгговский датчик - небольшая зона световода с периодической модуляцией показателя преломления вдоль оси волокна. Конструктивно такие датчики все чаще представляют собой либо фрагмент оптического световода, либо тот же фрагмент, но подвергнутый определенной модификации. В обоих случаях они являются полностью пассивными волоконно-оптическими датчиками, чувствительные элементы которых не требуют электрического питания. Степень воздействия условий внешней среды на волоконно-оптические датчики значительно ниже, чем на датчики, основанные на электрическом преобразовании измерительной информации.
Принцип действия измерительной системы на основе брэггов-ских датчиков (рис. 1) заключается в следующем. На вход оптического волокна подается излучение от источника (или набора источников) с широким спектром, которое последовательно проходит набор брэгговских решеток с различной центральной резонансной длиной волны. Излучение, отраженное от набора волоконно-оптических решеток, регистрируется спектроанализатором. На основании сдвига центральных резонансных длин волн делают вывод
о температуре и деформации брэгговских решеток. Возможна регистрация и прошедшего через набор решеток излучения. Выбор метода регистрации определяют для конкретной задачи, исходя из конструктивных соображений.
Рис. 1. Принцип действия системы
Зависимость центральной длины волны брэгговской решетки от деформации и температуры описывается следующим выражением [3]:
AAq = 2
( дп
Л-
эфф
dl
+п
эфф'
дЛ
л
Al+2
( дп
Л
J
эфф
дТ
+п
эфф
дЛ
дТ
AT,
(1)
где пэфф - эффективный показатель преломления решетки; Л - период решетки; А/ - удлинение; АТ - приращение температуры.
Первое слагаемое определяет сдвиг длины волны в зависимости от деформации (удлинения), второе - в зависимости от температуры. Зависимость центральной длины волны отраженного излучения от деформации также можно представить в виде [4]
АЛб = Л(1 -Ре)8г, (2)
где - относительная деформация; ре - константа деформации оптического волокна [5]:
п2
Pe [Pl2 -v(P11 + Pn)\
(3)
где рц и р12 - коэффициенты Поккельса в тензоре оптических напряжений; V - коэффициент Пуассона; е2 - относительная деформация. Для типового волокна рц = 0,113, р12 = 0,252, v= 0,16, и пэфф = 1,4682 [6]. Согласно этим значениям чувствительность для длины волны Аб = = 1550 нм составляет 12 нм на 1 % относительной деформации.
Второе слагаемое определяет сдвиг длины волны в зависимости от температуры. На изменение длины волны изменяется от температуры влияют следующие факторы: тепловое расширение оптического волокна (увеличивается период брэгговской решетки, происходит изменение геометрической длины решетки), изменение показателя преломления волокна в зависимости от температуры (изменение оптической длины решетки). Откуда следует, что зависимость сдвига длины волны от температуры можно описать следующим выражением:
Мб = Аб(ал + 0Сп)АТ, (4)
где ал - тепловой коэффициент расширения; ап - термооптический коэффициент. Типовые значения этих параметров для оптического волокна [7]: ал = 0,55106 — для плавленого кварца; ап = 8,6-10"6 -для оптического волокна с легированным германием. Согласно этим значениям чувствительность брэгговской решетки к температуре для длины волны Аб = 1550 нм составляет 13,7 пм на 1 °С.
В соответствии с представленной схемой (рис. 2) излучение широкополосного источника - суперлюминесцентного диода - проходит
Рис. 2. Структурная схема системы мониторинга
через оптический изолятор, препятствующий обратному отражению, и попадает на оптический разветвитель А, который отводит 10 % мощности в калибратор, а 90 % - в оптический разветвитель Б. Излу-
чение, прошедшее через разветвитель Б, попадает на брэгговские датчики, отражается от них, вновь проходит разветвитель Б и попадает на оптический переключатель. Сюда же попадает излучение, прошедшее калибратор. Оптический переключатель находится преимущественно в режиме подключения к ветви оптического разветви-теля Б, но с некоторой периодичностью подключает калибратор для осуществления процедуры калибровки блока регистрации по шкале длин волн.
В литературе можно встретить множество вариантов построения калибратора. Например, в работе [8] предложен оригинальный способ калибровки с помощью модуляции суперлюминесцентного диода. Однако такой способ требует наличия специально изготовленного суперлюминесцентного диода, что в рамках серийно выпускаемых систем мониторинга нежелательно, поэтому предлагается следующая структура калибратора (рис. 3).
Рис. 3. Структурная схема калибратора
Излучение, поступающее на вход калибратора, проходит через оптический разветвитель ОР 1, который 50 % мощности отводит в оптический разветвитель ОР 2, а остальное излучение - в интерферометр Фабри - Перо. Излучение, прошедшее оптический разветви-тель ОР 2 отражается от брэгговской решетки, проходит оптический разветвитель ОР 2 и суммируется с излучением, вышедшим из интерферометра Фабри - Перо, с помощью оптического разветвителя ОР 3. Таким образом, на выходе калибратора наблюдается сумма сигналов, прошедших интерферометр Фабри - Перо и сигнала, отраженного от брэгговской решетки. По взаимному расположению этих сигналов на шкале длин волн можно провести калибровку всей системы.
Необходимо выделить ряд ключевых проблем, возникающих при построении описанных систем мониторинга. Их можно разделить на две большие группы: проблемы, связанные со способом закрепления датчиков в материале или на какой-либо части конструкции, а также проблемы, связанные с функционированием самой системы считывания и обработки сигналов с датчиков.
В первой группе проблем ключевой вопрос - выбор места для установки датчиков, способа их закрепления, обеспечивающего максимальную долговечность функционирования и наилучшую передачу информации о степени деформации от полимерного композиционного материала к волокну, а также подбор соответствующих материалов прежде всего по параметрам температурного расширения и диапазону измеряемой деформации. Затронутая проблема относится к области материаловедения и сопротивления материалов, поэтому в статье не рассматривается.
Во второй группе можно выделить проблему, связанную с одновременным измерением температуры и деформации. Дело в том, что брэгговский датчик чувствителен сразу к двум указанным параметрам и на практике возникает задача разделения их влияния на изменяющиеся показания датчика. На ней остановимся подробнее.
Проблема заключается в том, что волоконно-оптическая брэггов-ская решетка чувствительна к изменению как деформации, так и температуры [4]. Измерение сдвига длины волны отраженного излучения от одиночной решетки не дает возможность различить отклик датчика на изменение этих двух параметров, что является одним из самых значительных ограничений брэгговских решеток при их использовании в качестве датчиков деформации. Особенно сильно указанное ограничение сказывается при измерениях квазистатических процессов, когда любое изменение температуры вдоль волокна будет вызывать тот же эффект, что и деформация. В то же время при измерениях динамических процессов затронутая проблема не встает столь остро, так как частота флуктуаций температуры низкая и, как правило, не совпадает с измеряемыми частотами.
Устранение описанного ограничения возможно путем проведения измерений на двух длинах волн или на двух разных оптических модах, для которых чувствительность к температуре и деформации разная. Методы температурной компенсации можно классифицировать на внутренние (основанные на свойствах волокна) и внешние (сочетание брэгговской решетки с внешним материалом, обладающим схожими свойствами и размерами). Простейший подход - использовать два датчика, изолированных от воздействия соответствующего типа, однако приложения, в которых один датчик должен быть встроен в материал или конструкцию, а второй закреплен с минимальной чувствительностью к изменению деформации, практически не реализуемы. Основные методы раздельного измерения температуры и деформации представлены в таблице.
Идеальный датчик возвращает две наблюдаемые величины ф1 и ф2, которые соответствуют изменениям, вызванным влиянием деформации е и температуры Т для двух собственных мод системы (в данном случае двух длин волн Х1 и Х2), при этом каждой наблюдаемой величине соответствует либо деформация е, либо температура Т:
J
( K
1T
0 K
0 Ysï
2e J
T
V1 J
в предположении, что зависимость длины волны от деформации и температуры линейная.
Таблица
Сравнение методов раздельного измерения температуры и деформации
Метод Относительная погрешность Тип температурной компенсации
деформации температуры
Двойные совмещенные брэгговские решетки на разных длинах волн 1,7 ¡е/пм 1,7 К/пм Внутренний
Брэгговская решетка в дву-лучепреломляющем волокне 20 ле 2 °С Внутренний
Две брэгговские решетки с различным диаметром оболочки 17 ¡е/пм 1 К/пм Внутренний
Два дифракционных порядка брэгговской решетки 17 ¡е/пм 1,7 К/пм Внутренний
Перестраиваемый фильтр и брэгговская решетка 40 ¡е/0,1 нм 0,25 К/1 нм Внутренний
Две брэгговские решетки и одна длиннопериодная решетка 9 ле 1,5 °С Внутренний
Интерферометр Фабри - Перо и брэгговская решетка 1,25 ¡е/пм 0,35 К/пм Внешний
Многорешетчатый брэггов-ский датчик 3 ¡е/пм + 2,5 ле 0,14 К/пм Внутренний
Две брэгговские решетки, установленные на противоположных сторонах консоли 1 ¡е/пм - Внешний
Пассивная температурная компенсация 70 ¡е в диапазоне до 120 °С - Внешний
Примечание: ^е - микрострейн, 1 ^е = 10-6 см/см = 10-4 %.
Данная система проиллюстрирована графически в плоскости (е, Т) на рис. 4. На рисунке параметрам (е, Т) соответствует пересечение графиков для ф1 и ф2, пересечение которых под прямым углом свидетельствует о независимости наблюдаемых величин.
Однако на практике выявляется некоторая чувствительность обеих наблюдаемых величин к деформации и температуре, обусловленная зависимостью свойств материала волокна от этих параметров:
M
v^2 j
( Kit KeYs^
HT V K2T
K
2s J
T
VJ J
(6)
а б
Рис. 4. Графическое представление взаимного влияния температуры и деформации на погрешность измерений:
а - для случая ф = ф\(е), ф2 = ф2(Т). Толщина линий соответствует погрешности измерений 8ф\ и дф2; б - для реального случая с перекрестной связью между температурой и деформацией и большей погрешностью измерений
Измерение наблюдаемых параметров ф и ф2, а также операция взятия обратной матрицы позволяют получить выражение для параметров (е, Т). В выражении (6) предполагается, что деформация и температура не зависят друг от друга, что на практике соответствует случаям малых изменений указанных параметров. Для решения задачи в рамках описанного подхода необходимо знать коэффициенты деформации и температуры Ке и КТ. В таком случае ограничения накладываются матрицей коэффициентов, определитель которой должен отличаться от нуля:
( T ^
1
( K
K1TK2s K2TK1s
2s
- K
- K Ym ^
Kls 9i
2T
K
1T J
m J
(7)
На рис. 4 показано геометрическое место точек, соответствующих параметрам ф1 и ф2, на плоскости (е, T). Очевидно, что когда угол между линиями в точке пересечения станет равным нулю (т.е. линии будут параллельны), коэффициенты будут удовлетворять следующему условию: K1T/K2T = K1s/K2s, а выражение (7) будет стремиться к бесконечности, в этом случае интерпретировать результаты измерений не представляется возможным. Тогда, очевидно, что для однозначной интерпретации результатов необходимо, чтобы отклик двух решеток на изменение деформации отличался от отклика на изменение температуры. Погрешности параметров ф1 и ф2 можно интерпретировать с помощью эллипса погрешностей на плоскости (е, T ). Такой подход позволяет сравнивать измеряемые величины в реальном эксперименте с идеальным случаем, когда отсутствует взаимное влияние температуры и деформации. Погрешности измерений температуры и деформации определяются следующим выражением:
(5TЛ (М KT Л
5s
ö(p2 / K
2s J
где - погрешность параметра i = 1, 2. Взаимное влияние этих погрешностей изображено на рис. 4 в виде темных утолщенных линий вокруг пересечения графиков для параметров ф1 и ф2. Погрешности измерения увеличиваются в реальном случае, когда графики для ф1 и ф2 не являются ортогональными:
5s = |K2TIМ + |K1t|5 . (9)
|K1TK2s - K2TK1s|
Аналогичное выражение можно получить для погрешности измерений температуры. Любые изменения коэффициентов K соответствуют наклону графиков для параметров
Полученные выражения позволяют оценить погрешность измерений деформации и температуры. Ориентировочные значения погрешностей для каждого метода одновременного измерения температуры и деформации, полученные путем расчетов, приведены в таблице.
Проведенный обзор задач структурного мониторинга позволяет обосновать необходимость применения измерительных систем на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков. К достоинствам таких систем следует отнести их высокие точность, помехозащищенность и устойчивость к воздействию неинформативных влияющих факторов, высокое быстродействие. В статье рассмотрена схема построения такой системы с калибратором на основе интерферометра Фабри - Перо и опорной брэгговской решетки. Изложены основные проблемы, возникающие при разработке и внедрении систем мониторинга. Подробно рассмотрена проблема одновременного измерения температуры и деформации. Проведенный анализ методов одновременного измерения температуры и деформации позволил оценить значение погрешности измерений. Область применения описанной в статье системы мониторинга чрезвычайно широка: непрерывный не-разрушающий контроль агрегатов каркаса авиационной техники из полимерных композиционных материалов, трансформаторные подстанции, водо-, нефте- и газопроводы, высотные здания, мостовые конструкции различных типов и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Glisic B. Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring / Branco Glisic, Daniele Inaudi // London: John Wiley & Sons Ltd. 2007.
2. Карасик В. Е. Измерительное устройство контроля деформации и температуры на основе наноразмерных волоконно-оптических датчиков / В.Е. Карасик, В.А. Лазарев, Н.А. Неверова // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2008. № 58. С. 51-58.
3. Григорьев В. В. Многоканальная квазираспределенная информационно-измерительная система на основе наноразмерных волоконно-оптических структур датчиков механических напряжений / В.В. Григорьев, В.А. Лазарев, А.К. Митюрев и др. // Заводская лаборатория. Спец. выпуск. 2008. Т. 74. С. 70-74.
4. Григорьев В. В. Измерение деформации и температуры датчиками на основе брэгговских решеток / В.В. Григорьев, В. А. Лазарев, А.К. Митюрев и др. // Датчики и системы. 2009. № 1(116). С. 15-19.
5. Григорьев В. В. Квазираспределенная измерительная система на основе брэгговских датчиков механических напряжений с повышенной частотой опроса / В.В. Григорьев, В.А. Лазарев, А.К. Митюрев и др. // Квантовая Электроника. 2008. № 11. С. 58-62.
6. Пнев А. Б. Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков: дис. ... канд. техн. наук : 05.11.07 : защищена 25.06.08 : утв. 10.10.08 / Пнев Алексей Борисович. М., 2008.
7. Устройство для измерения деформаций на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках: пат. 2377497 Рос. Федерация: МПК G01B 11/16 / авторы и заявители Барышников Н.В. [и др.]; патентообладатель ФГУП «ВНИИОФИ».
8. Othonos A. Fiber Bragg gratings: fundamentals and applications in telecommunications and sensing [text] / Andreas Othonos, Kyriacos Kalli // London: Artech House. 1999.
Статья поступила в редакцию 24.11.2011
