НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-2-212-219
УДК 53.082.54
МЕТОД КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИЙ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Читать статью полностью
Ссылка для цитирования: Ефимов М.Е., Волков А.В., Литвинов Е.В. Метод контроля деформаций композитных конструкционных элементов с помощью волоконно-оптического датчика акустической эмиссии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 2. С. 212–219. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-2-212-219
Аннотация
Предмет исследования. Проведеноисследование возможности регистраций деформаций композитной графит-эпоксидной (Gr/Ep) пластины с помощью волоконно-оптического датчика акустической эмиссии закрепленного на ее поверхности. Метод. Контроль деформаций композитной графит-эпоксидной пластины осуществлялся путем определения амплитуды внесенной дополнительной низкочастотной фазовой модуляции в импульсный интерферометр Фабри–Перо. Из-за зависимости амплитуды вносимой низкочастотной фазовой модуляции от величины рассогласования интерферометра изменение ее величины позволяет производить оценку деформаций исследуемого композитного материала. В качестве источника излучения был использован VCSELс длиной волны 1550 нм. Фазовая модуляция создавалась посредством токовой модуляции лазерного источника, приводящей к изменению длины волны его излучения. Основные результаты. Получены зависимости амплитуды дополнительной низкочастотной фазовой модуляции от величины перестройки длины волны источника излучения и рассогласования интерферометра. Согласно результатам моделирования, при значениях коэффициента Kd 30, 100 и 250 пм чувствительность метода контроля деформаций композитного материала составила 1,6 мкрад×мкм/м, 5,3 мкрад×мкм/м и 13,3 мкрад×мкм/м соответственно. Были проведены экспериментальное исследование предложенного метода и анализ полученных результатов. Согласно экспериментальным результатам, погрешность представленного метода определения деформации составила порядка 1´10–3%, что соответствует относительному удлинению датчика на 10 мкм/м, в то время как существующие волоконно-оптические системы контроля деформаций на основе волоконных брэгговских решеток обеспечивают точность порядка 4 мкм/м. Практическая значимость. Предложенный метод может применяться для определения деформаций конструкционных элементов из композитного графит-эпоксидного материала наряду с его акустико-эмиссионным контролем одним волоконно-оптическим датчиком.
Благодарности. Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №03.G25.31.0245).
Список литературы
-
Di Sante R. Fibre optic sensors for structural health monitoring of aircraft composite structures: recent advances and applications // Sensors. 2015. V. 15. N 8. P. 18666–18713. doi: 10.3390/s150818666
-
Cairns D.S., Wood L.A. Composite Materials for Aircraft Structures. MontanaStateUniversity, 2009. Режим доступа: http://www.montana.edu/dcairns/documents/composites/MSUComposites2009.pdf(дата обращения: 01.03.2018)
-
Kachlakev D. Strenghting Bridges Using Composite Materials. Report FHWA-OR-RD-98-08. Oregon: Oregon State University, 1998. 186 p.
-
Roberts J.E. Composite Materials for Bridge Construction. 2002. Режим доступа: http://www.quakewrap.com/frp%20papers/Composite-Materials-For-Bridge-Construction.pdf (дата обращения: 01.03.2018).
-
Shenoi R.A., Dulieu-Barton J.M., Quinn S., Blake J.I. Boyd S.W. Composite materials for marine applications: key challenges for the future // Composite Materials. 2011. P. 69–89. doi: 10.1007/978-0-85729-166-0_3
-
de Oliveira R., Ramos C.A., Marques A.T. Health monitoring of composite structures by embedded FBG and interferometric Fabry-Pérot sensors // Computers and Structures. 2008. V. 86. N 3-5. P. 340–346. doi: 10.1016/j.compstruc.2007.01.040
-
Skontorp A. Structural integrity of quasi-isotropic composite laminates with embedded optical fibers // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2000. V. 19. N 13. P. 1056–1077. doi: 10.1106/T6CC-VA7D-FDK6-0BNG
-
Zhou G., Sim L.M. Damage detection and assessment in fibre-reinforced composite structures with embedded fibre optic sensors-review // Smart Materials and Structures. 2002. V. 11. N 6. P. 925–939. doi: 10.1088/0964-1726/11/6/314
-
Schaaf K., Nemat-Nasser S. Optimization of sensor introduction into laminated composite materials // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6932. doi: 10.1117/12.776315
-
Derkevorkian A., Marsi S.F., Alvarenga J. et al. Strain-based deformation shape-estimation algorithm for control and monitoring applications // AIAA Journal. 2013. V. 51. N 9. P. 2231–2240. doi: 10.2514/1.J052215
-
Kahandawa G.C., Epaarachchi J., Wang H., Lau K.T. Use of FBG sensors for SHM in aerospace structures // Photonic Sensors. 2012. V. 2. N 3. P. 203–214. doi: 10.1007/s13320-012-0065-4
-
Ko W.L., Richards W.L., Tran V.T. Displacement Theories for In-Flight Deformed Shape Predictions of Aerospace Structures. NASA TP-2007-214612, 2007. 83 p.
-
Куликов А.В., Мешковский И.К., Ефимов М.Е. Волоконно-оптическое интерферометрическое устройство для регистрации фазовых сигналов. ПатентРФ, RU2624837. Опубл. 07.07.2017.
-
Беликин М.Н., Плотников М.Ю., Стригалев В.Е., Куликов А.В., Киреенков А.Ю. Экспериментальное сравнение алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 6. С. 1008–1014.doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-6-1008-1014
-
Dandridge A., Tveten A.B., Giallorenzi T.G. Homodyne demodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated carrier // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1982. V. 30. N 10. P. 1635–1641. doi: 10.1109/TMTT.1982.1131302
-
Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N 13. P. 4143–4150. doi: 10.1109/JSEN.2017.2704287
-
Wang L., Zhang M., Mao X., Liao Y. The arctangent approach of digital PGC demodulation for optic interferometric sensors // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6292. Art. 62921E. doi: 10.1117/12.678455
-
Christian T.R., Frank P.A., Houston B.H. Real-time analog and digital demodulator for interferometric fiber optic sensors // Proceedings of SPIE. 1994. V. 2191. P. 324–336. doi: 10.1117/12.173962
-
Oppenheim A. V, Schafer R.W., Buck J.R. Discrete Time Signal Processing. 2nd ed. Upper Saddle River: PrenticeHall, 1999. 870 p.
-
Liang S., Zhang C., Lin W., Li L., Li C., Feng X., Lin B. Fiber-optic intrinsic distributed acoustic emission sensor for large structure health monitoring // Optics Letters. 2009. V. 34. N 12. P. 1858–1860. doi: 10.1364/OL.34.001858
-
Chen Z., Ansari F. Fiber optic acoustic emission distributed crack sensor for large structures // Journal of Structural Control. 2000. V. 7. N 1. P. 119–129. doi: 10.1002/stc.4300070108
-
Zhang X., Max J.J., Jiang X., Yu L., Kassi H. Experimental investigation on optical spectral deformation of embedded FBG sensors // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6478. doi: 10.1117/12.700807