Волоконно-оптическая система для обнаружения, регистрации зарождения и распространения усталостных трещин элементов строительных конструкций Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620:191.33:681.7.624.012

Н.Р. Рахимов, А.Н. Серьезное, П.А. Верещагин

СГГА, СибНИА им. С.А. Чаплыгина, Новосибирск

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ, РЕГИСТРАЦИИ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН ЭЛЕМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В настоящее время благодаря новым разработкам в физике твердого тела и волоконной оптике, и существенного снижения стоимости оптического волокна и полупроводниковых приборов (в частности, полупроводниковых лазеров и приемников оптического излучения) стало доступным применение датчиков на основе оптического волокна, причем не только на предприятиях, но и для неразрушающего контроля состояния зданий и других инженерных сооружений, а также их отдельных частей.

Насколько это востребовано? Обратимся к не столь давним событиям 2006 года, который стал несчастливым для строительных конструкций и десятков граждан. Московские трагедии в аквапарке 14 февраля 2006 года и на Басманном рынке в феврале того же года унесли жизни более 100 человек. Другие, например, обрушение крыши автомобильного рынка в Калининграде, подъезда жилого дома в Выборге, появление трещин в стене городской поликлиники № 1 в Новосибирске летом 2006 г. хоть и обошлись без жертв, но все же заставляют задуматься о необходимости создания диагностических систем, которые могут помочь предотвратить возможные людские жертвы.

Конечно, невозможно поставить датчики на каждый дом - но это, впрочем, и не нужно. Однако они необходимы в тех зданиях, где постоянно собирается большое количество людей, например, на рынках или в тех или иных развлекательных центрах, весьма желательно ставить такие системы, чтобы контролировать фундаменты многоэтажных зданий - в особенности потому, что качество строительства за последние годы падает, а объемы растут.

В ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С.А. Чаплыгина» ведутся работы, направленные на разработку систем строительного мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков. Исследования развиваются в следующих направлениях.

- Исследование современное состояние и перспективы 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 волоконно -оптических 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 предразрушения.

- Испытания оптоэлектронной системы для определения предразрушения 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;

- Предразрушения.

На данный момент в арсенале ФГУП «Сибирский научноисследовательский институт авиации имени С.А. Чаплыгина» присутствуют волоконно-оптических датчик деформаций амплитудного типа, датчик предразрушений а также волоконно-оптический датчик влажности.

В данной работе приведены результаты экспериментального исследования механических характеристик оптоволокна, с целью использования его в качестве чувствительного элемента датчика накопленной усталостной повреждаемости (ЧЭ ДНУП) элементов механических конструкций.

В основном исследованы кварцевые волокна, уровень затухания в которых при длине волны 0,85 мкм составляет 3 дБ/км.

Также, исследовались 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 [1].

Одним из основных требований, предъявляемых к оптоволоконным ЧЭ ДНУП, является механическая надежность, т.е. неразрушаемость при установке в условиях действия растягивающих напряжений, вибраций, перепадов температуры, влажности. Обеспечение надежности достигается, в первую очередь, за счет высокой прочности оптоволокна, благодаря

усовершенствованию технологии вытяжки, защиты кварцевого волокна полимерным покрытием. Однако, кинетическая природа разрушения может принципиально ограничить долговечность т волокна. Прочность и долговечность бездефектных волокон рассмотрены в работе [2], где использовано кинетическое уравнение прочности в виде: т = То * ехр( (и0 - у*а*)/кТ), (1)

когда интересуются долговечностью т волокна при заданном растягивающем напряжении а* и абсолютной температуре Т, либо в виде: ст* = (1/у)* (и0 - кТ*1п(т/т0)), (2)

если требуется знать прочность волокна на разрыв а* при определённой длительности испытания т и температуре Т. В этих уравнениях основными прочностными параметрами являются и0 - энергия межатомной связи и у -активационный объем. Здесь к - постоянная Больцмана, а величина т0 -

13

порядка периода тепловых атомных колебаний 10- с.

Другим принципиальным ограничением надежности световодных волоконных линий является размерный эффект, снижающий прочность и долговечность при увеличении длины волокна. При кинетическом подходе размерный эффект связан с параметром у:

У = пУсь (3)

где Уа - активационный объем элементарного акта разрушения; п -параметр, зависящий от дефектности материала. В отсутствие дефектов п = 1. Для стекла Уа = 1,8-10-23 см3.

Согласно [3], в бездефектных образцах проявляется термофлуктуационный тип размерного эффекта. Он отражает статистический характер возникновения тепловых флуктуаций. Вследствие термофлуктуационной статистики разрушение оказывается принципиально случайным процессом, и его вероятность растет (а долговечность и прочность - убывают) при увеличении размеров тела. Термофлуктуационный размерный эффект обнаружен экспериментально для различных материалов [3]. С учетом термофлуктуационного эффекта, долговечность образца длиной Ь2 есть

т2 = (Ь1/Ь2)тт1, (4)

где X] - долговечность при длине Ьь а т - эффективное число разрушающих термофлуктуаций (т является свободным параметром, подлежащим определению из опыта).

Испытание бездефектного оптоволокна на механическую прочность при растяжении проведено на испытательной машине типа «2038Р - 0,05» при нормальных климатических условиях по ГОСТ 15150 (Т = 17-22°С, относительная влажность воздуха лабораторного помещения - < 54 %).».

Исследование показали что, в плоских световодах без защитной

Л

оболочки размером Б0 = 1 100 х 500 мкм и диаметром сердцевины с1с = 400 мкм («д») при увеличении нагрузки сигнал резко уменьшается, а в случае

Л

плоских световодов размером отражающей оболочки Б0 = 1 400 х 600 мкм и диаметром сердцевины ёс = 500 мкм («е»), волокно устойчиво до 1,6 кг, а при

увеличении нагрузки до 3 кг сигнал уменьшается, и при 3,1 кг происходит резкое разрушение.

Проведенный с позиций кинетической теории разрушения анализ обнаруживает значительный резерв для улучшения механических свойств световодных волокон и указывает на пути его реализации: защиту от сильной влаги и поверхностных дефектов. При этом величина Uo будет определяться энергией Si - О2 связей, т. е. достигнет значения 462 ккал/моль, а у = Vd. Тогда предельно достижимая прочность кварцевого стекла будет составлять 36,6 ГПа при испытании на изгиб (когда нагружению подвергался участок около

-5

0,5 м), а для световода длиной 10 км прочность будет равняться 36 ГПа. Напряжения, которые будут способны выдержать такие совершенные волокна в течение 20 лет, составят не менее 31,6 ГПа. Однако наличие структурных дефектов, проявляющееся и для исследованных в данной работе волокон при растяжении достаточно длинных отрезков, приводит к более низкой прочности и более сильной ее зависимости от длины волокна.

Полученные результаты [4-6] свидетельствуют о применимости волоконных световодов в оптоэлектронных системах в качестве первичных преобразователей механических величин, таких как деформация, давление (усилие) и предразрушения элементов строительных конструкций

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Niizeki. Development of Fiber / Japan Annual Reviews in Electronics, Computer + Telecommunications // Optical Devices + Fibers. - 1984. - Vol. 11. - P. 168-178.

2. Прочность и долговечность бездефектных волокон с позиций кинетической теории разрушения / В.С. Куксеино, В.А. Петров, А.В. Савицкий и др. // Докл. АН СССР.- 1989. - Т. 304, № 6. - С. 1354-1357.

3. Петров В.А. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов / В.А. Петров, А.Я. Башкиров, В.И. Веттегрень. - СПб.: Политехника, 1993. - 475 с.

4. Патент РФ № 2247412 БИ. 2005. № 8.Способ определения мест предразрушения конструкций / Н.Р. Рахимов, А.Н. Серьезнов.

5. Рахимов Н.Р. / Н.Р.Рахимов, С.Х. Шамирзаев // Узб. физический журнал. - 2004. - Т. 6, № 2. - С. 115-119.

6. Рахимов Н.Р. / Н.Р. Рахимов, С.Х. Шамирзаев // Узб. физический журнал. - 2004. -Т.6, № 4. - С. 288-293.

© Н.Р. Рахимов, А.Н. Серьезное, П.А. Верещагин, 2007