Технология контроля и измерения деформаций на основе трехосевого волоконно-оптического датчика Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

Вариант №3 - многослойная конструкция из вибропрессованных бетонных блоков, утеплителя и облицовочного глиняного кирпича.

В соответствии со СНиП-23-02-2003 «Тепловая защита зданий», все наружные ограждения должны иметь фактическое (расчетное) сопротивление теплопередачи Йонс не меньше нормируемого Й0°рм , которое определяется в зависимости от ГСОП. Для г. Уфы нормируемое сопротивление теплопередачи наружной м2-к

стены равно 2,893 Нормируемое и фактические сопротивления теплопередачи для всех трех вариантов

представлены в таблице 1

В таблице 1 показано сравнение стоимости наружных ограждений и коэффициентов теплопередачи. Здесь удельная стоимость НС из силикатного кирпича приведена при стандартной толщине 0,64 м [1,19].

Из таблицы видно, что вариант №1 при стандартной толщине в 2,5 кирпича не соответствует нормативным требованиям и для приведения к соответствию необходимо увеличить толщину кладки до неприемлемой величины 2,37 м.

Таблица 1

Характеристики наружных ограждений

Вариант Толщина 5, м Нормируемое термическое сопротивление м2х°е R,- Вт Фактическое термическое сопротивление конструкции м2 х °C R,- Вт Удельная стоимость , руб/м2

1 0,64 0,908 1950,5

2,37* 2,893 2,893 -

2 0,49 3,680 2009,13

3 0,69 4,100 2940,7

Сравнение удельной стоимости конструкций наружных стен показало, что при практически одинаковой стоимости НС из силикатного кирпича толщиной 0,64 м и деревобетона, коэффициент теплопередачи варианта №2 ниже в 4 раза. Деревобетон по сравнению с многослойной конструкции в 1,5 раза дешевле при практически одинаковом коэффициенте теплопередачи. Следовательно, в рассматриваемых условиях целесообразнее использовать конструкцию НС из деревобетона.

Список использованной литературы: 1 Г. Г.Д. Теляшева, Молчанова Р.А.Расчет теплопотерь через наружные ограждения зданий Учебное пособие по дисциплине «Энергетические системы обеспечения жизнедеятельности человека». - Уфа, Изд. УГНТУ, 2003, -80 с.

© Аксанова Р.Р., 2016

УДК 681.7.068

Ф.Л. Барков, к.ф.-м.н. В.Г. Беспрозванных, к.ф.-м.н., доцент Д.Г. Ризванов, магистрант Факультет прикладной математики и механики Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Г. Пермь, Российская Федерация

ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ НА ОСНОВЕ ТРЕХОСЕВОГО

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Аннотация

Работа посвящена синтезу методики контроля и измерений параметров напряженно -

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

деформированного состояния на основе перспективной разработки - трехосевого датчика деформации. Проведена экспериментальная проверка методики.

Ключевые слова

Волоконно-оптический датчик, волоконная брэгговская решетка, брэгговская длина волны, коэффициент тензочувствительности, коэффициент термокомпенсации, температурные испытания.

В настоящее время для контроля и измерения характеристик напряженно-деформированного состояния конструкций и узлов активно разрабатываются и применяются системы мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД). Во многих областях они стали хорошей альтернативой тензорезисторам, разработанным более 50 лет назад [1, с. 63].

Так, в нефтегазодобывающей отрасли, где приоритетной задачей является обеспечение безопасности транспортных трубопроводов, созданы распределенные волоконно-оптические системы мониторинга, а также специальные интеллектуальные вставки, которые позволяют в режиме реального времени отслеживать напряженно-деформированное состояние трубопроводов в местах их прокладки в условиях нестабильного грунта. Приводятся данные, что поступающая от этих систем информация позволяет увеличить производительность добычи и транспортировки сырья на 10-20% [2, с. 43].

В работах [3, с. 150; 4, с. 609] выполнен анализ влияния растягивающих нагрузок на оптический коммуникационный кабель на основе метода бриллюэновской рефлектометрии. Разработана методика раннего детектирования механических деформаций, возникающих в оптическом волокне.

Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы в области их разработки являются сдерживающим фактором, поэтому существует настоятельная потребность в создании новых датчиков различных типов, пригодных для серийного промышленного освоения и сопрягаемых как с традиционными, так и вновь разрабатываемыми волоконно-оптическими информационно-измерительными системами [5, с. 131]. Одной из перспективных разработок ООО «Инверсия-Сенсор» является трехосевой ВОД деформации (рис. 1).

Рисунок 1 - Трехосевой датчик деформации

Датчик содержит 3 чувствительных элемента (волоконные брэгговские решетки - ВБР), устройство опроса (анализатор сигнала) и устройство обработки.

Целью данной работы является разработка методики контроля и измерений на основе трехосевого датчика деформации и экспериментальная проверка этой методики.

В основе работы датчика лежит изменение периода ВБР при воздействии на нее деформации или изменении температуры, при этом наблюдается сдвиг резонансной длины волны ВБР [6, с. 1089].

При изменении температуры и отсутствии деформаций смещение резонансной длины волны ВБР равно:

Ыб(Т) = + -— ) ЛБЛТ = (ар + ОЛБДГ = РТ^БАТ, (1)

где ар - коэффициент теплового расширения волокна (« 0.5 * 10-6/°С), ^ - термооптический коэффициент волокна (« 6 * 10-6/°С), рт - температурная чувствительность решетки (« 7 * 10-6/°С) [7, с.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

24].

Смещение Л-в при наличии продольной деформации £ и постоянной температуре равно:

= (т-г + -Т" ) ^ = (1 - рв)Яв£ = Мв* (2)

^Л п /

где ре - эффективный фотоэлектрический коэффициент волокна (~ 0.22), - деформационная чувствительность решетки (~ 0.78).

Для раздельного измерения температурных (1) и деформационных (2) сдвигов брэгговской длины волны необходимо использовать одновременно две ВБР, одна из которых изолирована от механических воздействий. По ней определяется изменение температуры:

^ _ Мт 1

где - брэгговская длина волны температурной решетки; ДЛ,Т - изменение этой длины волны.

Сдвиг брэгговской длины волны второй решетки равен:

да£ = + (4)

где Я£ - брэгговская длина волны второй решетки; ДЯ£ - изменение этой длины волны.

В соответствии с (3) и (4), величину деформации можно выразить следующим образом:

1 /Д^г \

АЛ я£

где и Ат - коэффициенты чувствительности второй решетки; ЛГ - изменение температуры, рассчитанное по показаниям первой решетки.

Таким образом, при одновременном измерении сдвигов брэгговской длины волны двух решеток можно вычислить величину деформации.

Упростим формулу (5):

_ 1 /ДЯ£ \ _

£ = = £мех — £темп,

где £мех = — механическая деформация, прикладываемая к датчику; £темп = ^ — деформация,

Р£ Р£

связанная с воздействием на ВБР температуры, - термокомпенсация датчика.

Таким образом, для пересчета показаний датчика в значение деформации нужно определить:

• коэффициенты зависимости показаний датчика от механической деформации (коэффициенты тензочувствительности);

• коэффициенты зависимости показаний датчика от изменения температуры (коэффициенты термокомпенсации).

При определении данных коэффициентов нужно учитывать, что трехосевой датчик деформации измеряет относительную деформацию:

^ ^0 (^мех ^темп) (^мех0 ^темп0),

где Д£ —относительная деформация датчика, мкм/м; £ —деформация датчика при эксплуатации, мкм/м; £о — деформация в нулевой момент времени, мкм/м.

Для определения коэффициентов тензочувствительности оба конца волокна с записанными на нем ВБР фиксировались в пневмозажимах. Затем определялись: ¿о — расстояние между пневмозажимами и -Яо — брэгговская длина волны при ¿о. С помощью наноподвижек волокно с ВБР растягивалось до 6 мм с шагом 1 мм (выдержка на каждом шаге составляла 2 мин) и возвращалось в исходное положение. На каждом шаге сохранялось значение длины волны ВБР.

По полученным данным вычислялись величины £ — относительная деформация волокна с ВБР по формуле (6) и ЛЯ — изменение резонансной длины волны ВБР по формуле (7):

£ = —-106, (6)

L

о

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070

АЛ = (Л- Л0).

(7)

Здесь АЬ —изменение длины базы, мм; Ь0 = 983.3 мм; Л — резонансная длина волны ВБР. По вычисленным данным строился график зависимости £ = /(АЛ) (рис. 2).

Полином первого порядка

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

V = 852.3107 к -0.6380

R2 - 1.0000 ^-^

ДА, нм

Рисунок 2 - Зависимость деформации от изменения длины волны

По результатам линейной аппроксимации е(АЛ) были получены коэффициенты тензочувствительности и формула вычисления относительной деформации без учета термокомпенсации:

Ае = к • АЛ, (8)

где к — коэффициент тензочувствительности.

При нахождении коэффициентов термокомпенсации нужно было учитывать, что на изменение резонансной длины волны ВБР трехосевого датчика деформации при изменении температуры влияют чувствительность ВБР к температуре и тепловое расширение металла, на который приваривается датчик. Таким образом,

£ТеМа = а^(Т — То) + 3^(Т — То), (9)

где а — коэффициент линейного расширения объекта (металл), мкм/(м-°С); 5 — температурная чувствительность ВБР, мкм/(м-°С); Т — температура объекта, °С; Т0 — температура объекта в нулевой момент времени, °С.

Учитывая, что значение а можно найти в физических справочниках, то для нахождения коэффициентов термокомпенсации нужно оценить зависимость величины 8 • (Т — Т0), входящей в формулу (9), от температуры.

Датчик закреплялся в металлической оснастке для имитации сварки (рис. 3).

Рисунок 3 - Трехосевой датчик деформации, закрепленный в металлической оснастке.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

Датчик, закрепленный в оснастке, тестировался в климатической камере, на которой был установлен заданный температурный цикл. По полученным данным строился экспериментальный график зависимости величины S • (Т — То) от температуры (рис. 4).

500 400 300 200

100

-100 -200

-300

У = и. U1J Lyx2 F,2 + - г кЫ qq 31> 7П - 2 .02 J3 Г

-50-40-30-20-10 О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Температура, °С

Рисунок 4 - График зависимости SAT от T

На основе аппроксимации полиномом второго порядка экспериментальной зависимости SAT = f(T) были получены коэффициенты термокомпенсации и формула вычисления относительной деформации c учетом термокомпенсации:

As = к • АЛ — а • (Т — Т0) — С • (Т2 — Tq) — В • (Т — Т0). (10)

Была выполнена экспериментальная проверка полученной формулы (10) пересчета показаний датчика в значение деформации (температурное испытание). Перед проверкой трехосевой датчик деформации был приварен на металлический образец (рис. 5).

Рисунок 5 - Приваренный трехосевой датчик деформации

Затем образец с приваренным датчиком деформации был установлен в климатической камере, в которой был осуществлен температурный цикл, показанный в таблице. К датчику крепился термометр сопротивления для наблюдения за изменением температуры образца.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

Таблица

г,°с Выдержка Т, ч

80 4

60 3

40 3

20 2

0 2

-20 2

-40 2

-50 3

Результаты температурного испытания (показания датчика без учета и с учетом термокомпенсации) представлены на рис. 6.

1500

■1500

-2000

80 61 41 20 О -20 -40 -50

Температура, °С -•-1509 -«-1515 -»-1521 -«-1509 -—1515 —1521

Рисунок 6 - Показания датчика Данные зависимости свидетельствуют о том, что найденные коэффициенты тензочувствительности и термокомпенсации позволяют выполнить компенсацию показаний датчика в его рабочем температурном диапазоне с погрешностью, не превышающей 30 мкм/м.

Для дополнительной проверки предложенной методики были проведены испытания на разрывной машине. Металлический образец с приваренными датчиками крепился в зажимах (рис. 7). В контакте с ним находился термометр сопротивления для наблюдения за изменением температуры образца.

Рисунок 7 - Металлический образец, закрепленный в зажимах разрывной машины

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

Цикл нагружения металлического образца включал 4 этапа:

• этап 1 - предварительная растяжка образца на 0,07% и возвращение в исходное положение;

• этап 2 - растяжка образца до 0,07% за 5 равных шагов, выдержка на каждом шаге составляла 1 мин. Возвращение образца в исходное положение также за 5 равных шагов. Во время данной процедуры велась запись длин волн датчика и температуры;

• этап 3 - помещение образца в климатическую камеру (рис. 8);

• этап 4 - выдержка образца в камере при температуре 50 C в течение 2 час, затем был повторен этап

2.

Рисунок 8 - Установка металлического образца в климатическую камеру

Результаты испытания на разрывной машине (показания датчика без учета и с учетом термокомпенсации) показаны на рис. 9.

Рисунок 9 - Показания датчика

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

Выводы по испытанию на разрывной машине:

• при деформации в 600 мкм/м трехосевой датчик деформации не уходит в зону пластичной деформации;

• показания датчика возвращаются в ноль после растягивания образца на 0,07%;

• на показания трехосевого датчика деформации не влияет изменение температуры объекта, на который он приварен;

• учитывая температурное испытание и испытание на разрывной машине, можно утверждать, что во всем рабочем температурном диапазоне на показания датчика не влияет изменение температуры объекта, на который он установлен.

Заключение. В данной работе получены следующие результаты.

1. Разработана методика пересчета показаний трехосевого волоконно-оптического датчика в величину деформаций.

2. Определен набор коэффициентов для пересчета показаний датчика в величину деформаций.

3. Проведена экспериментальная проверка полученной формулы пересчета показаний трехосевого волоконно-оптического датчика деформаций.

4. По результатам экспериментальной проверки можно сделать вывод, что полученная формула пересчета показаний трехосевого волоконно-оптического датчика позволяет измерять деформацию с погрешностью, не превышающей 30 мкм/м. На показания трехосевого датчика деформаций не влияет изменение температуры объекта, на котором он установлен.

Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования и оптимизации характеристик волоконно-оптических датчиков и систем мониторинга различных объектов.

Список использованной литературы:

1. Шишкин В.В., Гранев И.В., Шелемба И.С. Отечественный опыт производства и применения волоконно-оптических датчиков // Прикладная фотоника, 2016, т. 3, № 1. - С. 61-75.

2. Браун Д., Рогачев Д. Распределенные системы контроля на базе современных волоконно-оптических датчиков // Нефтегазовое обозрение, 2011, т. 20, № 4. - С. 42-49.

3. Беспрозванных В.Г., Барков Ф.Л., Константинов Ю.А. [и др.]. Нелинейная рефлектометрия напряженно-деформированного состояния волоконно-оптического кабеля // Прикладная фотоника, 2015, т. 2, № 2. - С. 144-153.

4. Беспрозванных В.Г. Экспериментальное исследование механического состояния волоконно-оптического кабеля при высоких растягивающих нагрузках // Научный альманах, 2015, № 7(9). - С. 607-612.

5. Гармаш В.Б., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Г. [и др.]. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении // Фотон-Экспресс, 2005, № 6(46). - С. 128-140.

6. Васильев С.А., Медведков О.И., Королев И.Г. [и др.]. Волоконные решетки показателя преломления и их применения: обзор НЦВО РАН // Квантовая электроника, 2005, т. 35, № 12. - С. 1085-1103.

7. Григорьев В. В., Лазарев В.А. [и др.] Многоканальная квазираспределенная информационно-измерительная система на основе наноразмерных волоконно-оптических структур датчиков механических напряжений // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Специальный выпуск, 2008, т. 74.

© Барков Ф.Л., Беспрозванных В.Г., Ризванов Д.Г., 2016