CC BY
27Научный вестник НГТУ. - 2008. - № 4(33)
МЕХАНИКА И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 62-83: 531.3
Волоконно-оптические датчики деформаций и разрушений как элементы встроенных систем диагностики авиаконструкций*
А.Б. ОВЧАРЕНКО, В.А ТРУШИН
Описаны основы использования волоконных световодов в качестве индикаторов разрушений при прочностных испытаниях авиаконструкций. Даны рекомендации по выбору световодов и способов их монтажа. Рассмотрены принципы построения аппаратуры для регистрации разрушения индикаторов. Дан обзор современного состояния распределённых волоконно-оптических датчиков деформаций и разрушений.
Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, деформация, трещины, испытания, брегговские решетки.
Прочностные испытания авиаконструкций сопровождаются контролем состояния зон с повышенной концентрацией напряжений с целью своевременного выявления возникновения трещин и разрушений. Аналогичные задачи возникают при лётных испытаниях изделий авиатехники, а также в процессе их дальнейшей эксплуатации.
Традиционным и наиболее простым способом решения этой задачи является установка индикаторов разрушений, выполненных на основе различного рода фольг и проволок. Такие индикаторы жёстко закрепляются с помощью различных клеёв на поверхности контролируемого агрегата или узла в зонах с повышенными напряжениями и ориентируются перпендикулярно возможному направлению распространения трещины. Появление трещины идентифицируется по факту разрыва электрической цепи, в которую включен индикатор.
Несомненным достоинством таких индикаторов является их простота. Но вместе с тем им присущи и недостатки.
1. Усталостная прочность индикаторов зависит от технологии их изготовления и иногда может быть ниже усталостной прочности металла, из которого сделан контролируемый узел. Это приводит к ложным срабатываниям индикаторов.
2. При монтаже протяжённых индикаторов (длиной в несколько метров), особенно выполненных из фольги, иногда бывает трудно обеспечить качество приклейки по всей длине. В результате возникают области отслоения, в которых индикатор перестаёт быть таковым.
3. Существует вероятность замыкания индикатора на корпус контролируемого узла, вызванная несовершенством технологии изготовления. В случае протяжённого индикатора обнаружить место замыкания достаточно сложно, и таковой признаётся неработоспособным.
4. При срабатывании индикатора длиной в несколько метров обнаружить визуально место разрушения достаточно трудно. Аппаратные методы определения
* Статья получена 10 октября 2008 г.
координаты разрыва далеко не всегда дают однозначный результат. В то же время сам разрыв может «исчезнуть» после снятия нагрузки на испытываемый узел, т. е. индикатор просто восстановит своё омическое сопротивление.
На фоне перечисленных недостатков металлических индикаторов весьма перспективно использование волоконных световодов. Индикаторы на основе кварцевых и полимерных световодов обладают рядом несомненных преимуществ:
1) высокой усталостной прочностью;
2) высокой чувствительностью к появлению трещины;
3) принципиальной невозможностью восстанавливать свои свойства светопередачи после разрыва при снятии нагрузки с конструкции и «схлопывании» трещины;
4) возможностью визуального обнаружения места разрушения индикатора при подсветке его источником видимого света, особенно лазерным;
5) принципиальной возможностью аппаратного определения координаты разрушения, если индикатор имеет длину в несколько метров и находится в зоне, недоступной для визуального наблюдения;
6) потенциальной возможностью внедрения кварцевых световодов во внутреннюю структуру композиционных материалов без нарушения их механических свойств;
7) потенциальной возможностью использования волоконных световодов для измерения распределённых деформаций элементов авиаконструкций.
Исследования возможности применения волоконно-оптических индикаторов трещин и разрушений проводились авторами ещё в 1980-х годах. Ставилась конкретная задача - разработать методику использования индикаторов на реальных самолётах и их агрегатах, уже установленных на испытательные стенды. Очень важным условием был массовый контроль, т. е. контроль десятков и сотен индикаторов. Это условие определяло разработку технологии массовой установки индикаторов, а также создание многоканальной регистрирующей аппаратуры.
Исследования проводились по пяти направлениям:
1) обоснование и выбор типа волоконного световода для регистрации трещин в тех или иных условиях;
2) создание технологии подготовки световода для монтажа на контролируемую поверхность (разработка технологии изготовления индикатора);
3) выработка рекомендаций по внедрению волоконных световодов в изделия из композиционных материалов;
4) разработка аппаратуры для регистрации разрушения индикаторов;
5) разработка аппаратуры для определения координаты разрушения протяжённого индикатора.
Первые два направления были тесно связаны и отличались большим объёмом экспериментальных исследований, проводимых по стандартной методике. Исследования проводились на дюралевых образцах с размерами рабочей поверхности 80?200 мм и толщиной 3 мм (рис. 1). В центре образца высверливалось отверстие диаметром 5-6 мм, а затем с помощью надфиля делались надпилы для ускорения появления трещин. С одной стороны на образец наклеивались индикаторы, а другая сторона полировалась в районе отверстия для улучшения визуального контроля за развитем трещины. Образцы подвергались циклической растягивающей нагрузке, минимальное значение которой было 500 кг, а максимальное - 3000 кг. Частота нагружения - 400 циклов в минуту. В ходе эксперимента визуально отслеживалось перемещение вершин трещин, отмечались моменты достижения ими осевых линий индикаторов, фиксировалось разрушение (или неразрушение) индикатора, а в случае разрушения оценивался «перебег»: расстояние от осевой линии индикатора до
вершины трещины. На начальной стадии работ разрушение индикаторов фиксировалось визуально при подсветке их обычной лампой накаливания, а затем стали использоваться специально разработанные приборы, о которых будет сказано ниже.
В первых экспериментах была предпринята попытка прямо использовать зарубежный опыт [1] применения световодов, из которых изготавливались волоконно-оптические кабели. Кварцевая сердцевина световодов раннего изготовления покрывалась трёхслойной полимерной оболочкой, состоящей из лака, силикона и полиамида. Низкая адгезия между слоями полимеров и кварцем не позволяла непосредственно использовать эти световоды в качестве индикаторов трещин. Удалить полимерные покрытия можно либо травлением в кислоте, либо сжиганием. Первый способ был совершенно неприемлем по условиям техники безопасности работ на натурных изделиях, а сжигание приводило к появлению трудноудаляемых частиц шлака на поверхности кварца и, соответственно, к отсутствию адгезии при монтаже. Кроме того, крепление оголённых световодов могло быть осуществлено только с помощью эпоксидных смол, что противоречило требованиям массового применения индикаторов.
Рис. 1. Образец для испытаний индикаторов трещин:
1 - металлический образец; 2 - световодные индикаторы; 3 - клеевой слой; 4 - концентратор напряжений; 5 - трещины; 6 - лампа
Развитие технологии производства волоконных световодов привело к тому, что трёхслойное покрытие было заменено на однослойное, выполненное из эпоксиак-рилата - полимера, переходящего из жидкой фазы в твёрдую под действием ультрафиолетового излучения. Однако и у таких световодов адгезия кварц-полимер была недостаточной для передачи напряжений от металла к сердцевине. Неожиданно авторам досталась забракованная партия световодов, у которых эпоксиакри-лат подвергся чересчур сильному облучению, поэтому полимерное покрытие получилось слишком жёстким для использования такого световода в кабеле. Однако адгезия кварц-полимер оказалась такой, что в некоторых случаях обеспечивала передачу напряжения от дюралевой поверхности к кварцевой сердцевине при монтаже индикатора с помощью эпоксидной смолы и, соответственно, разрушение индикатора при прохождении под ним трещины. Частота достоверных срабатываний возрастала, если световод закрывался сверху слоем тонкой стеклоткани. Практически 100 %-ной вероятности зафиксировать разрушение удавалось достичь, лишь сжигая оболочку из эпоксиакрилата (шлаки на поверхности кварца при этом не образовывались) и закрепляя световод с помощью той же эпоксидной смолы. Но и этот способ не годился для массового применения. Впоследствии выяснилось, что световоды с «бракованной» оболочкой идеально подходят для «запекания» их в толщу изделия из угле- и стеклопластика.
Более обнадёживающие результаты были получены при использовании полимерных световодов [2]. Световедущая сердцевина таких световодов изготавлива-
лась из полистирола, а отражающая - из полиметилметакрилата. Диаметр светове-дущей сердцевины был равен 0.4 мм, а отражающей - 0.5 мм. Защитных полимерных покрытий не было. Первоначально для монтажа световодов на поверхность использовался цианокрилатный клей. Такие индикаторы обеспечили абсолютную достоверность при регистрации трещин. Перебег оценивался величиной максимум в 1 мм.
К сожалению, применение полимерных световодов имело и свои отрицательные стороны. Во-первых, они обладали очень высоким затуханием: около 400 дБ/км (против 5 дБ/км у кварцевых), в связи с чем длина индикатора ограничивалась 1.5-2 м. Во-вторых, химическое взаимодействие клея и световедущей сердцевины приводило к нарушению направляющих свойств световода. Такое взаимодействие становилось возможным из-за появления микротрещин в оболочке. Микротрещины могли быть вызваны либо несовершенством технологии изготовления световода, либо его старением, либо неправильным хранением. К сожалению, авторы располагали полимерными световодами лишь одного типа и одного производителя-монополиста.
Авторы предположили, что одним из способов решения проблемы могло бы стать нанесение на световод защитного покрытия, имеющего высокую адгезию к полиметилметакрилату и цианокрилатному клею. Образцы таких световодов были изготовлены по спецзаказу. В качестве материала для защитной оболочки использовался поливиниловый спирт. Испытания показали, что качество реакции световода на трещину не изменилось, нарушений светопропускания, вызванных химическим взаимодействием, не наблюдалось. Однако высокая адгезия покрытия к световоду оказалась недолговечной.
Наконец, для монтажа полимерных световодов на поверхность натурных объектов был использован широко распространённый клей БФ-2. Из-за ограниченной термостойкости полимерных световодов пришлось существенно видоизменить технологию применения этого клея, предусматривающую нагрев до 120 В результате в полимерных световодах не возникало дефектов, вызывающих нарушение их светопроводящих свойств. Разрушение индикаторов при прохождении под ними трещины наблюдалось в 100 % случаев при перебеге не более 1 мм.
Была произведена оценка изменения светопропускания индикаторов из полимерных световодов при их разрушении. Для этого использовалась схема, показанная на рис. 2. Фиксировались значения сигнала фотодетектора до и после разрушения - соответственно F0 и ¥х. Величина ¥х определялась при «схлопывании» трещины после снятия нагрузки с образца при перебеге не более 1 мм. Измерения проводились на партии индикаторов в количестве 40 штук. Отношение ¥х/¥о с вероятностью 100 % оказалось в пределах от 0,8 до 0,9. Аналогичные измерения были проведены и для индикаторов из кварцевых световодов; в этом случае максимальная величина ¥х /¥0 оказалась равной 0,1.
Использование композиционных материалов для изготовления элементов авиаконструкций сделало актуальной задачу контроля их целостности [3, 4]. Одним из направлений её решения стало внедрение в композиционный материал (КМ) волоконных световодов. По своим геометрическим и механическим параметрам световоды оказались очень близкими к стеклянным и угольным волокнам,
8
1
т\т
ГТИ
Рис. 2. Измерительная установка для оценки отношения Р0/ Рх
1 - генератор тактовых импульсов; 2 - усилитель тока; 3 - лазерный диод; 4 - фотоприёмник; 5 -преобразователь тока; 6 - селективный фильтр; 7 - вольтметр переменного тока; 8 - индикаторы; 9 - концентратор; 10 - трещина которые шли на изготовление КМ. Для проведения экспериментов были отобраны световоды с «бракованной» эпоксиакрилатной защитной оболочкой. Эти световоды укладывались на поверхности образцов из углепластика и закрывались сверху слоем - сверхвысокомодульной ткани (СВМ), пропитанной эпоксидной смолой типа ВК-9. Полученный «пирог» спекался под давлением. Было изготовлено три образца. Образцы подвергались статическому растяжению. Срабатывание регистрирующей аппаратуры являлось сигналом для снятия нагрузки. Разрушение представляло собой отслоение СВМ-ткани от основного «тела» образца. При визуальном контроле световоды подсвечивались лампой накаливания.
Аналогичные результаты были получены на образцах «сэндвичевой» конструкции дюраль-стеклопластик-дюраль. Разница заключалась лишь в том, что из-за непрозрачности дюраля визуальный контроль был невозможен. Таким образом, было доказано, что световодные индикаторы могут быть успешно использованы для обнаружения расслоений в КМ.
Параллельно исследовались принципы построения аппаратуры контроля [5]. Рассматривались два способа регистрации. Первый основан на измерении мощности оптического излучения, проходящего через индикатор. Идентификация разрушения производится по резкому снижению значения мощности (рис. 2). Второй способ основан на зондировании световода коротким импульсом, измерении времени его распространения в прямом и обратном направлениях и фиксировании факта уменьшения этого времени.
Первый способ представлялся более простым и легко реализуемым. Он лёг в основу при разработке целой линейки приборов, состоящей из одно-, двух-, восьми- и стоканальных сигнализаторов. Восьмиканальный сигнализатор интенсивно использовался в описанных выше исследованиях по поиску оптимального сочетания типа световода и клея. Его функциональная схема мало отличается от той, что показана на рис. 2. Сигнализатор хорошо зарекомендовал себя при проведении кратковременных экспериментов на образцах. Однако при продолжительных экспериментах, связанных с испытаниями натурных изделий, наблюдались флуктуации сигнала фотодетектора ,Р0. Величины этих флуктуаций были такими, что приводили к ложным срабатываниям прибора, особенно при использовании индикаторов из полимерных световодов. Наиболее вероятными причинами этих флуктуаций были: а) температурная зависимость излучаемой мощности ИК-свето-диодов; б) температурная зависимость чувствительности фотоприёмников; в) процессы деградации, происходящие в ИК-светодиодах.
Существенного повышения стабильности тракта контроля удалось добиться при использовании лазерного источника излучения со встроенным фотодетектором. По такому принципу был построен стоканальный сигнализатор, схема одного из каналов которого показана на рис. 3.
Во время работы сигнамуатора с помощью микропроцессора определялось отношение сигналов измерительного и контрольного фотодетекторов. Такой подход позволил значительно повысить температурную и временную стабильность тракта генерации - приёма оптической мощности. По такому же принципу были построены два двухканальных сигнализатора, один из которых предназначался для контроля индикаторов, встроенных в лопасти воздушных винтов, выполненных из КМ. Второй был успешно использован в учебных и лабораторных занятиях.
Последним в этой серии приборов стал одноканальный тестер с автономным питанием для контроля в полевых условиях тех же лопастей. Тестер содержал память на 100 каналов, куда заносились исходные величины отношений сигналов измерительного и контрольного фотодетекторов. Эти отношения запоминались тогда, когда индикаторы заведомо были целы. Характерной особенностью оптической схемы тестера явилось применение в качестве источника излучения так называемого
8 13 2
ФП2
Рис. 3. Использование лазерного диода со встроенным контрольным фотодетектором
1 - усилитель тока; 2 - лазерный диод; 3 - контрольный фотоприёмник; 4 -измерительный фотоприёмник; 5 - преобразователи тока; 6 - переключатель; 7 - АЦП; 8 - устройство управления; 9 - индикатор;
10 - концентратор; 11 - трещины
суперлюминесцентного диода. Последний обладал повышенной надёжностью по сравнению с лазером, однако не имел встроенного фотодетектора. Поэтому для контроля его мощности использовался такой же фотодиод, как и для измерения сигнала, прошедшего через индикатор, а отвод мощности осуществлялся через оптический разветвитель (рис. 4). Тестер обладал исключительной температурной стабильностью, что было подтверждено испытаниями его в климатической камере.
8
Ж
I-
П |_
Рис. 4. Использование суперлюминесцентного диода без встроенного контрольного фотодетектора совместно с волоконным разветвителем
1 - усилитель тока; 2 - суперлюминесцентный диод; 3 - контрольный фотоприёмник; 4 -измерительный фотоприёмник; 5 - преобразователи тока; 6 - переключатель; 7 - АЦП; 8 - устройство управления; 9 -разветвитель; 10 - индикатор; 11 - концентратор; 12 - трещины
Использование разветвителей позволяло реализовать односторонний доступ к контролируемым индикаторам из кварцевых световодов. Как известно, от торца кварцевого многомодового световода отражается около 4 % падающей на него мощности излучения при условии, что торец представляет собой идеальный скол,
перпендикулярный к оси световода. При разрушении индикатора на трещине или в зоне расслоения КМ торцы световода далеко не идеальны и доля отражённой мощности снижается в несколько раз по сравнению с максимальной. Данное обстоятельство позволяет проводить контроль состояния индикатора. Обязательным условием является формирование близкого к идеальному скола на «дальнем» от аппаратуры конце индикатора. Качество скола достигалось с помощью специальных приспособлений, входящих в комплект инструментов для сварки световодов.
По такому же принципу удавалось регистрировать разрушение индикаторов из полимерных световодов. Однако существенная разница в диаметрах сердцевин кварцевого и полимерного световодов (50 и 400 мкм соответственно) создавала огромные потери мощности при распространении назад отраженного от «дальнего» торца индикатора светового потока. Чтобы добиться приемлемого отношения сигнал/шум на выходе измерительного фотодетектора, «дальний» торец оплавлялся и к нему пристыковывался кусочек зеркала с внешним напылением. Правда, в этом случае длина индикаторов была ограничена 0.5 м.
Второй возможный способ контроля состояния индикаторов, о котором говорилось выше, позволил бы не только фиксировать факт разрушения, но и определять координату такового, причём автоматически решалась проблема температурной и временной стабильности [6]. Однако поскольку скорость распространения оптического излучения в световоде составляет 200 000 км/с, организация многоканальной системы представляет собой очень сложную техническую задачу. Здесь нужен был прибор - тестер для совместного применения с многоканальными системами амплитудного типа. Макет такого прибора был реализован и с его помощью удалось добиться измерения координаты места разрушения с погрешностью около 0.25 м (рис. 5).
Синхровход0 ^ ЭО Вход Y О <"
Рис. 5. Использование волоконно-оптического рефлектометра для регистрации трещин
1 - генератор импульсов; 2 - усилитель тока; 3 - лазерный диод; 4 -фотоприёмник; 5 - преобразователь тока; 6 - осциллограф; 7 - разветвитель; 8 - индикатор; 9 - концентратор; 10 - трещины
Подводя итоги, хотелось бы отметить, что в результате трудоёмких исследований была создана работоспособная методика и средства её реализации по использованию волоконных световодов для регистрации усталостных трещин и разрушений в элементах авиаконструкций в процессе их натурных стендовых испытаний. Был решён целый комплекс технических и технологических проблем, разработана действующая приборная аппаратура. К сожалению, в связи с негативными процессами в отечественном авиастроении и сворачиванием целых направлений в авиационной науке методика не получила дальнейшего развития.
Огромный потенциал волоконных световодов позволяет создавать на их основе всевозможные датчики физических величин. Влияние окружающей среды может приводить к модуляции практически всех параметров излучения: интенсивности, модового состава, поляризации, фазы и даже длины волны.
Волоконные датчики деформаций являются основой для встроенных систем неразрушающего контроля и оценки напряжённо-деформированного состояния самых различных объектов начиная со строительных сооружений и кончая элементами конструкций летательных аппаратов.
Волоконные датчики деформаций могут действовать на основе: а) брэгговских решеток (FBG) и б) низкокогерентной интерферометрии (SOFO).
Датчик на основе брегговской решетки представляет собой брегговское зеркало - периодическую структуру показателя преломления, изготовленную непосредственно в сердцевине световода. Подобная структура отражает свет в узком спектральном диапазоне. Длина волны отражения определяется формулой:
X = пЛ,
где X - длина волны, n - эффективный показатель преломления, Л - период неод-нородностей показателя преломления сердцевины световода. Запись решёток проводится в специальных фоточувствительных световодах благодаря так называемому фоторефрактивному эффекту.
Существует множество различных способов построения систем на основе брэг-говских решеток. В простейшем случае система представляет собой точечный датчик, соединенный через оптический разветвитель с источником светового сигнала и блоком анализатора (рис. 6). Сигнал от источника отражается чувствительным элементом. Длина волны отражения фиксируется блоком анализатора. Как правило, анализатор (Bragg grating interrogator) представляет собой узкополосный спектрометр. Длина участка световода с брэгговской решёткой обычно составляет несколько миллиметров. Оценка порога чувствительности данного метода даёт значение относительного удлинения ~ 10-6. Волоконные решетки являются практически единственным типом чувствительных элементов, которые легко могут быть объединены в массивы путем мультиплексирования по длине волны. Для этого каждый элемент записывается со своим уникальным периодом, что позволяет различать их по спектру при анализе и, соответственно, фиксировать показания каждого элемента отдельно. Количество элементов в массиве в основном ограничивается спектральной шириной источника и динамическим диапазоном анализатора [7].
applied pei tui b.irion
hrondbAud
Mill I'LL' i—^
I
Bragg wavelength f~~ d elect j oil system IL
m-
FBG SEп sot
■neasuraod induced Hragg vrOv tleiiglli sIiJi'1
X Ь. А
Рис. 6. Принцип работы волоконного датчика деформаций на основе брэгговской решётки
Рассмотрим примеры применения ГБО-датчиков для непосредственного измерения деформаций. В [8] отмечается, что в разрабатываемых Европейским космическим агентством аппаратах широко используются композиционные материалы со встроенными и размещаемыми на поверхности датчиками деформаций и температуры. Так, в баке перспективной ракеты-носителя длиной 3 м и диаметром 2 м содержится 95 датчиков деформаций и 33 датчика температуры (рис. 7). В космическом телескопе датчики встроены в особые балки, относящиеся к категории интеллектуальных композиционных материалов, позволяющих в данном случае компенсировать влияние вибраций (рис. 8). В [9] описана система динамического контроля опор моста, содержащая четырех ГБО-датчика деформаций (рис. 9). Следует
Рис. 7. Бак ракеты-носителя с закреплёнными на поверхности ББО-датчиками.
Рис. 8. Космический телескоп, в балках которого встроены ББО- датчики
UgM m
FBG1 FBG2 FBG3 FBG4
Light Source
Rcllccted Light
Compressive Strain Tensile Strain
Wavelength Detection
Рис. 9. Система динамического контроля опор моста на основе ББО- датчиков
отметить, что эта система развёрнута параллельно другой, содержащей обычные металлические тензодатчики.
Как уже отмечалось, высокая чувствительность РБО-датчиков позволяет использовать их в качестве приёмника акустических волн. В [14] описана гибридная система диагностики целостности планера космического аппарата, состоящая из двух взаимоперекрывающихся сетей: пьезогенераторов и РБО-датчиков деформаций. Обе сети предварительно размещаются в специальном диагностическом слое, выполненном из композиционных материалов (рис. 10). В процессе изготовления элементов планера диагностический слой размещается в толще оболочки. Перед началом эксплуатации снимается образ полностью исправной конструкции. Затем, в процессе эксплуатации, периодически происходит зондирование и сравнение полученных откликов с образом. Отличия отклика от образа свидетельствуют о возникновении дефекта (рис. 11).
В [15] описана перспективная система регистрации сигналов акустической эмиссии с помощью РБО-датчиков деформаций (рис. 12).
150
Рис. 10. Гибридная система УЗ-диагнос-тики планера с FBG-приёмниками
Рис. 11. Сигналы от РБО-приёмников до и после появления дефекта
Рис. 12. Использование FBG-датчиков акустической эмиссии
FBG-датчики деформаций активно используются в исследованиях композиционных материалов [10, 11].
В строительных конструкциях используют так называемые «длинные» FBG-датчики деформаций (до 100 мм) [12]. Увеличение длины вызвано необходимостью повысить порог чувствительности датчика. Для удобства заделки в бетон, равно как и для защиты, чувствительный участок световода помещается в металлическую трубку. Отмечено, что порог чувствительности таких датчиков может достигать 0.02?10? 6 при измерении статических и 25 ?10? 6 при измерении динамических (10 кГц) деформаций. Такие датчики успешно эксплуатируются в течение нескольких лет при контроле мостовых сооружений.
На сайте [13] приведено множество примеров использования FBG-датчиков деформаций (называемых Smart Fibres), на всевозможных объектах, даже таких экзотических, как ветрогенераторы и генераторы, использующие энергию морских волн.
Другим широко распространённым способом измерения деформаций с помощью волоконных световодов является применеие низкокогерентной интерферометрии (SOFO) (рис. 13). Излучение инфракрасного светодиода вводится в одномодо-вый Х-образный разветвитель и направляется в два световода, располагаемых на контролируемом объекте. Одно из них жестко связано с объектом, другое механически свободно. Излучение, пройдя по этим световодам, отражается от присоединённых к торцам зеркал и, смешиваясь в разветвителе, выводится на анализатор. Анализатор представляет собой одномодовый Х-образный разветвитель, два вывода которого оканчиваются зеркалами. Одно из зеркал сделано подвижным. Перемещая это зеркало, добиваются равенства разности оптических длин плеч анализатора и разности оптических длин плеч датчика с погрешностью, меньшей длины когерентности источника (несколько сотен миллиметров). Только в этом случае фотоприёмник будет выделять сигнал, пропорциональный деформации световода, жестко связанного с контролируемым объектом. Разрешающая способность аппаратуры, реализующей этот метод, составляет 2 мкм при базовой длине от 0.25 до 10 м. Естественно, что при таких базовых длинах речь может идти о контроле крупных объектов, например строительных сооружений [16].
В [17, 18] описано применение подобных систем для контроля состояния сосудов высокого давления, выполненных их композиционных материалов (рис. 14). Для удобства заделки датчиков рекомендуется предварительно помещать световоды в термопластиковую оболочку и придавать ей форму полоски (рис. 15).
Кроме рассмотренных, известен и способ, основанный на использовании явления двулучепреломления в световоде [19]. Однако о промышленном применении измерительных систем на основе этого эффекта пока не упоминается.
Рис. 13. Измерение деформаций объекта с помощью волоконных датчиков на основе низкокогерентной интерферометрии (80Б0)
Рис. 14. Баки высокого давления, изго- Рис. 15. Заделка световода в полимер-товленные навивкой из угленити, со ную оболочку для удобства монтажа
встроенными 80Р0-датчиками в изделие из КМ
Область использования датчиков деформаций поистине безгранична. В данном обзоре рассматривались примеры измерительных систем промышленного исполнения, реально работающих на земле, в море и космосе. Кроме того, применение волоконно-оптических датчиков неразрывно связано с расширяющимся внедрением композиционных материалов. Благодаря датчикам изделия из композиционных материалов приобретают совершенно уникальные свойства, позволяющие им адаптироваться к изменениям условий их эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] The application of optical fibers as witness devices for the detection of plastic strain and cracking // Strain. - 1980. - X, V.16. - N 4.
[2] Овчаренко А.Б., Царёва Г.А. Регистрация усталостных трещин с помощью волоконных световодов // Авиационная промышленность. - 1985. - № 4.
[3] Hofer B. Fiber optic damage detection in composite structures // 15th Congress of ICAS. - 1986. - V.
[4] Fiber optic «Nerve Systems» make composite materials transparent // Aircraft Engng. - 1986. - V. 58, N
5.
[5] Андреев В.П., Овчаренко А.Б., Трушин В.А. и др. Способы и средства обнаружения усталостных трещин с помощью волоконных световодов: Тез. докл. V Всесоюз. конф. «Волоконно-оптические системы передачи информации» / Москва, 1988 г.
[6] Nondestructive evaluation of composite materials by pulsed time domain methods in imbedded optical fibers // Rev. Progr. Quant. - 1985. - V. 58.
[7] Возможности, задачи и перспективы волоконно- оптических измерительных систем в современном приборостроении. /В.Б. Гармаш, Ф.А. Егоров, Л.Н. Коломиец и др. // ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА (спецвыпуск) - 2005. - № 6.
[8] Mckenzie,N. Fiber Optic Sensing in Space StructuresiThe Experience of the European Space Agency // 17th Int. Conf. on Optical Fibre Sensors.
[9] www.cse.polyu.edu.hk/research_3.html
[10] Roach. Results from FedEx Pilot Program to Assess Durability and Health Monitoring of Bonded Composite Doubler Repairs. - 2005.
[11] Pearson J., Prabhugoud M., Zikry M. et al. In-Situ Failure Identification in Woven Composites throughout Impact using Fiber Bragg Grating Sensors.
[12] Schulz Whitten L., Conte Joel P., Udd Eric. Long Gage Fiber Optic Bragg Gratting Strain Sensors to Monitor Civil Structures, BRR-2001, SPIE Vol. 4330. - P. 56.
[13] www.smartfibres.com
[14] Hybrid Piezoelectric/Fiber Optic Diagnostic System for Structural Health Monitoring.
[15] www.spa.com
[16] www.smartec.ch
[17] Glisic B., Inaudi D. Sensing tape for easy integration of optical fiber sensors in composite structures // 11th SPIE's An. Int. Symp. on Smart. - 2004. - Vol. 5384-7 March 14-18.
[18] Glisic B., Inaudi D. Health monitoring of a full composite CNG tanks using long-gage fiber optic sensors // 11th SPIE's An. Int. Symp. on Smart. -2004. - Vol. 5384-7 March 14-18.
[19] Asundi A. Detecting damage in composites. -N.Y., 1998.
Овчаренко Андрей Борисович, зав отделом систем управления и контроля ООО «Ропат+». Основное направление исследований - автоматизация эксперимента. Имеет 11 публикаций, в том числе 2 патента.
Трушин Виктор Александрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий кафедрой защиты информации Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - специальное приборостроение. Имеет более 70 публикаций, в том числе 18 авторских свидетельств и патентов.
A.B. Ovcharenko, V.A Trushin
Fiber-optical gauges of deformations and destructions as elements of the built in systems of diagnostics oof aviadesigns
Bases of use of fiber optical paths as indicators of destructions are described at прочностных tests of aviadesigns. Recommendations at the choice of optical paths and are given to ways of their installation. Principles of construction of the equipment for registration of destruction of indicators are considered. The review of a modern condition of the distributed fiber-optical gauges of deformations and destructions is given. статьи.
Key words: Fiber-optical gauges, deformation, destruction, testing, FbG.
