DOI: 10.17586/2226-1494-2018-18-2-212-219


УДК53.082.54

МЕТОД КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИЙ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Ефимов М. Е., Волков А. В., Литвинов Е. В.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

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.


Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, импульсный интерферометр Фабри–Перо, графит-эпоксидный композитный материал, датчик деформаций, датчик акустической эмиссии, волоконная брэгговская решетка

Благодарности. Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №03.G25.31.0245).

Список литературы
 
  1. 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
  2. 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)
  3. Kachlakev D. Strenghting Bridges Using Composite Materials. Report FHWA-OR-RD-98-08. Oregon: Oregon State University, 1998. 186 p.
  4. 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).
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. Schaaf K., Nemat-Nasser S. Optimization of sensor introduction into laminated composite materials // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6932. doi: 10.1117/12.776315
  10. 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
  11. 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
  12. 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.
  13. Куликов А.В., Мешковский И.К., Ефимов М.Е. Волоконно-оптическое интерферометрическое устройство для регистрации фазовых сигналов. ПатентРФ, RU2624837. Опубл. 07.07.2017.
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. Oppenheim A. V, Schafer R.W., Buck J.R. Discrete Time Signal Processing. 2nd ed. Upper Saddle River: PrenticeHall, 1999. 870 p.
  20. 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
  21. 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
  22. 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


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2018 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика