Розподілений волоконно-оптичний датчик руйнування виробів з композиційних матеріалів

Реферат: Розподілений волоконно-оптичний датчик детектування руйнування виробів з композиційних матеріалів, у якому як оптоволоконний чутливий елемент використовується одномодове поліамідне волокно малої товщини, яке вводиться в джгут, який складається з армуючих ниток (склонитки, органонитки, вуглецеве волокно, базальтове волокно), і обмотується по спіралі допоміжною ниткою малої товщини таким чином, щоб у місцях підключення джерел і приймачів оптичного випромінювання сформувати відведення оптичного волокна, оформлені у вигляді петель необхідної довжини, підкріплених витками допоміжних ниток. При цьому в процесі формування в петлю вводиться мікрокотушка з термопластичного матеріалу, яка у процесі утворення петлі формується у сферу і служить для індикації місць підключення та збільшення технологічності підключення джерел і приймачів випромінювання. UA 88277 U (12) UA 88277 U UA 88277 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до детектування процесів руйнування композиційних матеріалів (КМ) за допомогою оптичних засобів і може бути промислово застосована для контролю працездатності виробів з КM, одержуваних намотуванням з використанням довгомірних армуючих матеріалів. Запропонована корисна модель може бути використана для виробів з КM, які мають структуру, яка циклічно повторюється, таких, як композитні балони високого тиску (БВТ), трансмісійні вали, суцільно мотані несучі поверхні крил малого подовження. Відомий волоконно-оптичний датчик, що містить періодичну решітку вздовж осі волокна, довжина якої може становити десятки тисяч довжин світлової хвилі, що призводить при навантаженні волокна до інтерференційних явищ, обумовлених віддзеркаленням світла від штрихів решітки. Відстань між штрихами дифракційної решітки змінюється, і оскільки по довжині волокна нанесено декілька решіток з різною відстанню між штрихами, то одне волокно може дати інформацію про деформації структури відразу в декількох точках. Для цього у волокно вводиться широкий спектр світла і реєструється відбитий спектр. Динамічні деформації вимірюють, виходячи із зміни довжини відбитої хвилі (див. К. Уорен. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. - М.: Техносфера, 2006. - С. 22-26). Недоліком цього датчика є те, що для роботи з дифракційними решітками потрібна висока точність вимірювання та калібрування довжини світлової хвилі, що обумовлює велику вартість дешифраторів для волоконних решіток. Також не є можливим використання цього датчика в серійних виробах, виходячи із складності організації розміщення датчика в структурі композитного виробу та організації введення та виведення світлового потоку з волокна. Відомий волоконно-оптичний датчик для розподілених вимірювань, який являє собою оптичне волокно, захищене спіралеподібним покриттям. Принцип роботи цього датчика полягає в реєстрації втрат у волокні від локальних мікровигинів, які відбуваються під впливом покриття та залежать від зовнішніх впливів (тиск, деформації) (Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред Э. Удда. - М.: Техносфера, 2008. - С. 337). Основні недоліки цього датчика - складність розміщення у виробі з КM і складність організації введення-виведення світлового потоку у волокно. Найбільш близьким винаходом до корисної моделі, що заявляється, є відомий волоконнооптичний датчик для розподілених вимірювань, який складається з поліамідного оптоволокна з покриттям, що розміщується між двома термопластичними стрічками з поліфеніленсульфіду, армованого скловолокном, та спосіб його виготовлення (див. Daniele Inaudi, Branko Glisic LongRange Pipeline Monitoringby Distributed Fiber OpticSensing Journal of Pressure Vessel Technology, FEBRUARY 2010. Vol. 132/011701-9). Цей датчик складається або з одномодового поліамідного оптоволокна (вимірювання засновані на ефекті розсіювання Мандельштама-Бріллюена (РМБ) у волокні), або з багатомодового поліамідного оптоволокна (вимірювання засновані на ефекті Рамана), запаяного між двома термопластичними стрічками, що складаються з поліфеніленсульфіду, армованого скловолокном. Матеріал як оптоволокна, так і термопластичних стрічок підібраний таким чином, щоб забезпечити необхідну, практично рівну адгезії в композиті, адгезію у виробі, який детектується. Для аналізу деформацій використовується підключений за допомогою оптичних з'єднувачів двоканальний аналізатор. Цей датчик може бути розміщений у процесі виготовлення у виробах з КM і дозволяє в процесі експлуатації проводити моніторинг технічного стану виробу, проте його доцільно використовувати для моніторингу стану довгомірних композитних виробів, розміщених стаціонарно (в основному труб, балок несучих конструкцій). До істотних недоліків цього датчика можна віднести значну ширину (до 20 мм) і необхідність організації додаткових технологічних операцій для укладання у виробі. Недоліком також є висока вартість обладнання та його значна маса, що перешкоджає використанню цього датчика для виробів, які застосовуються на транспортних засобах і які мають переноситись людьми. В основу корисної моделі поставлено задачу створення волоконно-оптичного датчика для розподілених вимірювань параметрів працездатності виробів з КМ при експлуатації, який би мав максимально близькі характеристики до основного армуючого матеріалу та мав можливість підключення до мобільних пристроїв випромінювання та реєстрації, що дало б змогу використовуватися у виробах, які виробляються методом намотування, таких, як композитні балони високого тиску, трансмісійні вали, суцільно мотані несучі поверхні крил малого подовження. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому датчику як оптоволоконний чутливий елемент використовується одномодове поліамідне волокно малої товщини, яке вводиться в джгут, який складається з армуючих ниток (склонитки, органічні нитки, вуглецеве волокно, базальтове волокно), в якому тип ниток і їх кількість відповідають використовуваному в 1 UA 88277 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 технологічному процесі виготовлення виробу і обмотується по спіралі допоміжною ниткою малої товщини (наприклад капроновою) таким чином, щоб у місцях підключення джерел і приймачів оптичного випромінювання сформувати відведення оптичного волокна, оформлені у вигляді петель необхідної довжини, підкріплених кільцевими витками і оповитих по спіралі допоміжними нитками, при цьому в процесі формування в петлю вводиться мікрокотушка з термопластичного матеріалу (наприклад поліаміду), яка у процесі утворення петлі формується в сферу і має бути індикатором місць підключення та має забезпечити збільшення технологічності підключення джерел і приймачів випромінювання. Зокрема, як оптоволоконний чутливий елемент може використовуватися джгут оптичних волокон малого діаметра (ОВМД). Зокрема, як оптоволоконний чутливий елемент може використовуватися джгут термопластичних або скляних моноволокон. Зокрема, як оптоволоконний чутливий елемент може використовуватися джгут кварцового скловолокна. Зокрема джгут, який складається з армуючих ниток, у який вводиться оптоволоконний чутливий елемент, може бути попередньо просочений сполучною. Корисна модель, що заявляється, пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1-4 наведено загальний вигляд волоконно-оптичного датчика руйнування. На Фіг. 5-8 наведені приклад і схема вимірювальної системи при використанні цього датчика для детектування руйнування БВТ. Волоконно-оптичний датчик руйнування (Фіг. 1-3) складається з оптичного чутливого елемента 1, який введено в армуючий матеріал 2, і оповитого по спіралі допоміжним матеріалом 3, причому у певних місцях утворені петлі з оптичного чутливого елемента, підкріплені і обвиті по спіралі допоміжними нитками, при цьому у процесі формування в петлю вводиться мікрокотушка з термопластичного матеріалу, яка в процесі утворення петлі формується у сферу 4 і служить для індикації місць підключення та збільшення технологічності підключення джерел і приймачів випромінювання. Геометричні характеристики L і Н1 датчика руйнування (Фіг. 4) вибираються, виходячи з параметрів виробів, для яких цей датчик застосовується. На Фіг. 5-8 представлено приклад застосування датчика руйнування в композитному БВТ, де на поверхню металевого або полімерного лейнера 5, який має полюсні фланці 8, за розрахунковою траєкторії на верстаті з ЧПК, укладається стрічка 7 армуючого матеріалу шириною Н і висотою S, будуючи композитні шари 6, яка складається з ниток армуючого матеріалу 11 (склонитки, арганонитки, вуглецева нитка, базальтове волокно) і розподіленого датчика руйнування 12. Датчик виготовлений з такими значеннями L і Н1, щоб у районі кута армування, близькому до 90, що збігається з зоною, близькою до полюсних фланців 8, на кожному витку забезпечити розміщення петлі з технологічною сферою 4 на кінці, після чого сфери та допоміжні нитки видаляються і входи та виходи чутливих оптичних елементів, у межах сектора, обмеженого кутом ψ, об'єднуються в джгути входу 9 і виходу 10. Після затвердіння пластикової оболонки і джгутів входу та виходу оптичних чутливих елементів торці останніх шліфуються і поліруються та з'єднуються з джерелами 13 і приймачами випромінювання 14. Як джерела можуть використовуватися оптичні і лазерні світлодіоди, керовані драйвером 18. Як приймач використовується комплементарний металооксидний напівпровідник – КМОН матриця розмірністю nn. Кожна КМОН матриця 14 підключається до сигнального процесора (СП) 15, який зв'язаний з електронною системою керування (ЕСК) 16, яка генерує керуючий сигнал і передає його на блок драйверів керуючих пристроїв 17 для включення електромагнітного клапана з метою зменшення робочого тиску, якщо це можливо, і генерації сигналу тривоги для оператора або бортової системи, сигналу для М2М системи. Розмір КМОН матриці вибирається залежно від кількості волоконно-оптичних чутливих елементів та їх характеристик. Принцип роботи системи полягає в тому, що при первинному навантаженні внутрішнім тиском оболонки отримана картина у вигляді nn пікселів, кожен з яких має 256 градацій сірого, запам'ятовується сигнальним процесором і потім порівнюється з отриманим в процесі експлуатації зображенням, за результатами якого приймається рішення про генерацію сигналу про припинення експлуатації або зменшення рівня робочого тиску. Запропонований датчик дозволяє використовувати для детектування руйнування композитних БВТ недорогі, близькі за властивостями до основних армуючих компонентів матеріали. Це стало можливим за рахунок запропонованої конструктивної схеми датчика, при 2 UA 88277 U якій оптичний чутливий елемент укладається з мінімальними вигинами на ділянці від джерела випромінювання до приймача, що дає змогу контролювати процеси руйнування по всій товщині композитного шару. 5 10 15 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Розподілений волоконно-оптичний датчик детектування руйнування виробів з композиційних матеріалів, який відрізняється тим, що як оптоволоконний чутливий елемент використовується одномодове поліамідне волокно малої товщини, яке вводиться в джгут, який складається з армуючих ниток (склонитки, органонитки, вуглецеве волокно, базальтове волокно), і обмотується по спіралі допоміжною ниткою малої товщини таким чином, щоб у місцях підключення джерел і приймачів оптичного випромінювання сформувати відведення оптичного волокна, оформлені у вигляді петель необхідної довжини, підкріплених витками допоміжних ниток, при цьому в процесі формування в петлю вводиться мікрокотушка з термопластичного матеріалу, яка у процесі утворення петлі формується у сферу і служить для індикації місць підключення та збільшення технологічності підключення джерел і приймачів випромінювання. 2. Датчик за п. 1, який відрізняється тим, що як оптоволоконний чутливий елемент використовуються оптичні волокна малого діаметра. 3. Датчик за п. 1, який відрізняється тим, що як оптоволоконний чутливий елемент використовуються термопластичні або скляні моноволокна. 4. Датчик за п. 1, який відрізняється тим, що як оптоволоконний чутливий елемент використовується кварцове скловолокно. 5. Датчик за п. 1, який відрізняється тим, що джгут складається з армуючих ниток, у який вводиться оптоволоконний чутливий елемент, попередньо просочений сполучною. 3 UA 88277 U 4 UA 88277 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5