Расчет и разработка семиканальной волоконно-оптической системы для обнаружения, регистрации зарождения и распространения усталостных трещин элементов механических конструкций

УДК 620:191.33:681.7.624.012 Б.Н. Рахимов, О.К. Ушаков СГГ А, Новосибирск

A.М. Расулов

Ферганский филиал ТУИТ, Фергана

РАСЧЕТ И РАЗРАБОТКА СЕМИКАНАЛЬНОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ, РЕГИСТРАЦИИ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

В данной работе исследуется волоконно-оптический тракт с целью разработки семиканальной оптоэлектронных систем обнаружения, регистрации зарождения и распространения усталостных трещин элементов механических конструкций. Изложена методика расчета потери энергии оптоволокна и приведены результаты расчета, с целью использования в качестве датчика усталостной повреждаемости элементов механических конструкций.

B.N. Rakhimov, O.K. Ushakov SSGA, Novosibirsk

A.M. Rasulov

Fergana branch of Tashkent university of information technologies

CALCULATION AND DEVELOPMENT OF THE SEVEN-CHANNELS FIBER-OPTIC SYSTEM FOR DETECTING, BIRTH RECORDING AND DISTRIBUTION OF THE FATIGUE CRACKS IN MECHANICAL STRUCTURES ELEMENTS

The paper presents investigation of the fiber optic path to be used for the development of the seven-channels optoelectronic systems for detecting, birth recording and distribution of the fatigue cracks in mechanical structures elements. The techniques for the optical fiber energy loss calculation are offered. The calculation results to be applied as a fatigue failure gage for the mechanical structures elements are given.

В настоящее время разрабатываются средства мониторинга физикохимического состояния различных материалов и технологических процессов. Этими средствами обеспечивается регулярное целенаправленное получение объективной информации об условиях эксплуатации технических объектов и дифференцированный учет расходования их ресурса. Самым массовым (благодаря сравнительной простоте и дешевизне) средством мониторинга могут стать оптоэлектронные системы на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), лазерных диодов (ЛД), приёмников оптического излучения (ПОИ) и волоконных световодов (ВС).

При учете всех видов потерь энергии в световоде на пути от источника излучения к приемнику коэффициент передачи световода определяется как отношение прошедшего через него потока энергии излучения Ф к падающему Ф 0, т.е.

/ = —•

Ф

О

Распределение потока энергии источника излучения по углом щ и и0 (рис.

1) можно описать формулой Ф=Ф(^0,£/0). Тогда для малой часта потока

2 2 энергии ё Ф, распространяющейся внутри элемента телесного угла ё ’-Бт и2

ёиё¥ , будем иметь следующее выражение:

л

А ф = ,

где 1( щ ,111) - сила излучения.

а) б) г)

Рис. 1. а) распространение света в плоскопараллельной световодной пластине; б) схема прохождения луча через прямоугольный световод; г) проекция луча, проходящего через прямоугольный световод, на координатную плоскость У07

Так как поперечные размеры световода намного превышают длину волны излучения, то распространение света по световоду будет происходить на основании законов геометрической оптики. При рассмотрении светопропускания на основании законов геометрической оптики все потери энергии излучения можно подразделить на следующие виды 1) потери на входном и выходном торцах световода за счет отражения (френоневские потери); 2) потери внутри материала световода за счет поглощения и рассеивания; 3) потери за счет того, что при каждом полном внутреннем отражении коэффициент отражения не равен единице, а несколько меньше ее. Хотя при каждом отражении потери могут быть весьма малыми, при большом число отражений, т.е. большой джине световода и малом ее поперечном сечении, они значительно снижают светопропускание.

Френелевсние потери определяются коэффициентом отражения при падении света на входной и выходной торцы световода.

Если падающий свет естественный, коэффициент отражения от торца световода можно вычислить по формулам Френеля. Если торцы помещены в одну и ту же среду и коэффициент отражения от одного торца пройдет часть энергии излучения, равная. (1-Я0).

Потери энергии за счет поглощения и рассеивания учитываются экспоненциальным множителем вида:

Exp

где E - показатель ослабления света материалам световода; Р = Р(фо, Q) -путь, проходимый в световода лучам, распространяющимся в направлении

<Ро,0-

Потери энергии за счет неполноты отражения от боковых направляющих поверхностей световода можно учесть множителем вида R0T, где R -коэффициент отражения при одном отражении; от - число отражений.

Следует отметить, что R в общем случае является сложной функцией углов ф, и ©.

Учитывая приведенные формулы для различных кодов потерь энергии излучения, для малой части потока энергии ё2ф , распространяющее внутри телесного угла d2w и прошедшего °через световод в направлении ф ,U справедливо выражение;

d^-ф = /

если входной торец световода освещается источником, излучающим в пределах углов от ф' до ф" и ©' до 0м, то вследствие преломления лучи световода будут распространяться в пределах углов ф', до ф", и от © ' до © ". Переход от углов ф, © к углом ф и © определяется законом преломления.

Для нахождения полной энергии излучения, прошедшей через световод в некотором конечном телесном угле, интегрировании следует производить в пределах углом от ср' до ср" и от © ' до © ", т. е.

Поток энергии излучения, падающей на входной торец световода, будет определятся формулой.

Светопропускание световода определяется отношением прошедшего через него потока энергии Ф к падающему, т. е.

Фф = J J I-y sm©Q<i©Q<i<£>Q = J J

Т

J J I sin

На основе расчета нами предлагается семиканальная волоконно-оптическая система для обнаружения, регистрации зарождения и распространения усталостных трещин элементов механических конструкций (рис. 1).

Количество датчиков, подключаемых к устройству, может быть от одного до семи, причем датчики не обязательно должны быть одного типа, т.е. устройство позволяет измерять одновременно разные физические параметры, для которых имеется соответствующий оптоволоконный преобразователь (датчик). В каждый из семи оптических каналов датчиков поочередно подается световой импульс и измеряется величина оптического сигнала на выходе канала. Изменения оптического сигнала связаны с изменениями измеряемой физической величины. Оптические сигналы преобразуются устройством сначала в электрические сигналы с помощью фотоприемников, а затем в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, являющегося ядром измерительного устройства.

Программа, заложенная в микроконтроллер, определяет порядок и скорость опроса датчиков, выполняет автоматическую коррекцию нуля АЦП и усредняет измеренные значения для каждого датчика. Измерения производятся циклами, и в каждом цикле измеряются сигналы со всех семи измерительных каналов, вне зависимости от того, подключен или нет к данному каналу датчик. Полученные данные усредняются и могут быть переданы из устройства через последовательный интерфейс RS232 на управляющий персональный компьютер. Инициатором передачи является компьютер, который запрашивает данные с требуемого канала передачей в устройство номера этого канала (от 0 до 7) в коде ASCII. В ответ на номер канала устройство передает в компьютер четыре байта, соответствующие усредненному значению измеренной величины для данного канала. Каждый из четырех байт представляет шестнадцатеричную цифру в коде ASCII, причем первой передается старшая цифра, а последней - младшая.

Номера каналов от 0 до 6 соответствуют измерительным каналам, а номер 7 - уровню нуля в отсутствии сигналов по всем оптическим каналам устройства. Данные по каналу 7 используются для контроля правильности работы приемно-усилительного тракта и АЦП.

Порядок опроса каналов со стороны компьютера значения не имеет и может быть любым и с любыми интервалами времени опроса. Интервалы и порядок опроса определяются исходя из конкретной задачи, решаемой с помощью устройства. Так, например, при статических нагружениях испытуемой конструкции имеет смысл производить опрос раз в 10-20 секунд, а при испытаниях оптических волокон при постоянной нагрузке или фиксированном удлинении опрос производится через 10-15 минут. Само измерительное устройство осуществляет опрос каналов в непрерывном режиме, причем время опроса одного канала (включая канал 7) составляет около двух миллисекунд. Этого времени достаточно, чтобы аналоговый сигнал на выходе преобразователя фототока приемников в напряжение, пропорциональное мощности оптического сигнала прошедшего через оптоволокно, успел установиться до начала цикла аналого-цифрового преобразования. Аналого-

цифровое преобразование длится около 200 микросекунд, после чего в памяти микроконтроллера обновляются данные для выбранного канала. Набранные по восьми измерениям данные для каждого из каналов усредняются, и именно усредненные значения передаются через последовательный интерфейс по запросу от компьютера.

Рис. 2. Структурная схема семиканальной волоконно-оптической системы для обнаружения, регистрации зарождения и распространения усталостных трещин

элементов механических конструкций

В заключение отметим, что описанное устройство применимо не только для решения задач мониторинга трещинообразования в конструкциях, но может быть использовано с широким кругом оптоволоконных датчиков, в которых используется модуляция светового потока в волокне какой-либо контролируемой физической величиной. Кроме того, каждое оптическое волокно может быть снабжено собственным излучателем и приемником, не входящими в состав блоков, описанных ранее. Пространственно одно или несколько таких волокон могут находиться отдельно от других, а к

измерительному устройству такой датчик может подключаться через отдельные кабели. Возможно, также, увеличение количества измерительных каналов до нескольких десятков. Конечно, это потребует изменений программного обеспечения и в контроллере измерительного устройства, и в компьютере, с которым устройство должно быть связано.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Артуюпов, К.Б. Волоконно-оптические датчики параметров технологических процессов / К.Б. Артуюпов // М.: Информприбор. - 1989. - Вып. 1. - С. 10-11.

2. Рахимов Н.Р. Применение оптического волокна в системе оценки усталостной повреждаемости элементов конструкций / Изв. вузов. Приборостроение, 2005. Т. 48, № 1. С. 39-43.

3. Серьёзнов А.Н., Рахимов Н.Р. / Исследование волоконных световодов для неразрушающего контроля целостности машиностроительных конструкций / кн. Современные проблемы геодезии и оптики. - Новосибирск, 2004. - С. 158-163.

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

© Б.Н. Рахимов, О.К. Ушаков, А.М. Расулов, 2010

7