Способ изготовления образца изо льда с внедренными волоконно-оптическими датчиками
METHOD FOR MAKING A SAMPLE FROM ICE WITH EMBEDDED OPTIC SENSORS

Изобретение относится к области исследований материалов методом неразрушающего контроля, в частности, к изготовлению образцов с внедренными волоконно-оптическими датчиками для экспериментального исследования физико-механических свойств льда.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому способу, выбранным за прототип, является способ изготовления образца, описанный в патенте РФ №2726038, МПК G01B 11/16, опубл. 08.07.2020 (см. Пример конкретного выполнения).
Образец представляет собой бетонный цилиндр диаметром 150 мм и высотой 400 мм. Формирование и затвердевание осуществляют в полипропиленовом резервуаре цилиндрической формы с дном и свободной поверхностью верха соответствующих размеров. На подвесе внутри резервуара (сквозь дно) размещают линию волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках, имеющих защитную оболочку из антифрикционного материала на основе полиимидного олигомера типа «Миалон». После размещения линии волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках производится послойное (с уплотнением и вибрированием) заполнение резервуара бетонной смесью до уровня свободной поверхности. Линию волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках (сквозь дно) после размещения фиксируют погруженной в бетонный образец посредством отвеса с заданным преднатяжением. Показания датчиков в режиме реального времени с периодичностью 1 раз в секунду записываются в базу данных при помощи интеррогатора и датчиков температуры на отдельно вынесенном персональном компьютере.
Недостатком данного способа является невозможность его использования для создания образца изо льда ввиду определенных сложностей, связанных со свойствами данного материала.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа.
Для достижения этого результата предлагается способ изготовления образца, заключающийся в заливке и отверждении в полимерной форме материала с размещенными в нем с преднатяжением волоконно-оптическими датчиками на брэгговских решетках, обеспечении контроля температуры и деформации при помощи температурного датчика и интеррогатора путем регистрации данных с волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках, размещенных в образце, с периодичностью один раз в секунду в течение всего времени изготовления, и сохранении полученных данных на компьютере, при этом в качестве заливаемого и отверждаемого материала используется вода, в качестве полимера для изготовления формы используется заранее смешанный двухкомпонентный силикон, который заливается в спроектированную при помощи Ansys Workbench и распечатанную методом 3D-печати пластиковую форму с пазами, из которой силиконовая форма изымается после застывания в течение 24 часов при комнатной температуре, после чего в дне формы делаются отверстия, размещение волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках с преднатяжением осуществляется путем их введения в иголки от одноразовых шприцев, которые устанавливаются в пазы силиконовой формы, после чего форма размещается на подставках в пластиковом контейнере с термозащитой по всему периметру, который устанавливается в морозильную камеру, затем форма и контейнер заполняются водой таким образом, чтобы оптоволокно полностью находилось в воде, и выдерживаются 24 часа при температуре -21°С, при этом контроль температуры осуществляется также при помощи единичного волоконно-оптического датчика на брэгговских решетках, размещенного в морозильной камере, после чего готовый образец достается из силиконовой формы.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что в качестве заливаемого и отверждаемого материала используется вода, в качестве полимера для изготовления формы используется заранее смешанный двухкомпонентный силикон, который заливается в спроектированную при помощи Ansys Workbench и распечатанную методом 3D-печати пластиковую форму с пазами, из которой силиконовая форма изымается после застывания в течение 24 часов при комнатной температуре, после чего в дне формы делаются отверстия, размещение волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках с преднатяжением осуществляется путем их введения в иголки от одноразовых шприцев, которые устанавливаются в пазы силиконовой формы, после чего форма размещается на подставках в пластиковом контейнере с термозащитой по всему периметру, который устанавливается в морозильную камеру, затем форма и контейнер заполняются водой таким образом, чтобы оптоволокно полностью находилось в воде, и выдерживаются 24 часа при температуре -21°С, при этом контроль температуры осуществляется также при помощи единичного волоконно-оптического датчика на брэгговских решетках, размещенного в морозильной камере, после чего готовый образец достается из силиконовой формы.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Сначала при помощи Ansys Workbench проектируется пластиковая форма с выемками, которые в силиконовой форме будут играть роль пазов для закрепления оптоволоконной линии.
Затем при помощи 3D принтера и аддитивных технологий пластиковая форма распечатывается, заполняется двухкомпонентным силиконом (основной состав и отвердитель в равных количествах), предварительно смешанным в отдельной форме. Время застывания силиконовой формы 24 часа при комнатной температуре.
Затем готовая силиконовая форма извлекается, в дне формы делаются отверстия для того, чтобы при заморозке выходил воздух, и лед получался однородным, без пор.
Для правильного размещения в образце волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках необходимо закрепить концы оптического волокна в силиконовой форме таким образом, чтобы оптическое волокна имело легкое натяжение без провисания. Для этого устанавливаем оптоволокно в иголки от шприца и вставляем в пазы силиконовой формы.
Далее силиконовую форму помещаем в пластиковый контейнер, на который предварительно сделали термозащиту по всему периметру для равномерной заморозки образца.
В контейнер форма ставится на подставки для того, чтобы воздух, который будет выходить при заморозке образца через специальные отверстия в дне силиконовой формы, смог полностью выйти из образца в пластиковый контейнер.
Помещаем контейнер с формой в морозильную камеру. Медленно заполняем водой контейнер и форму таким образом, чтобы оптоволокно полностью находилось в воде.
Оставляем форму в морозильной камере при температуре -21°С.
Подключаем интеррогатор и снимаем показания (температуру и деформацию) внедренных оптоволоконных датчиков на основе волоконных брэгговских решеток, с периодичностью 1 раз в секунду в течение всего времени изготовления ледяного образца с сохранением данных на компьютере.
Обеспечиваем контроль температуры при помощи:
- единичного волоконно-оптического датчика на брэгговских решетках, который располагается в непосредственной близости от будущего образца, он необходим для компенсации смещения резонансной длины волны, вызванной изменением температуры в процессе создания ледяного образца
- независимого температурного датчика, который используется для оценки правильности показаний единичного волоконно-оптического датчика на брэгговских решетках в качестве независимой регистрации температуры в процессе формирования.
Спустя сутки (24 часа) достаем форму из морозильной камеры и аккуратно вынимаем ледяной образец из силиконовой формы.
Способ изготовления образца поясняется фиг.1 - 10, где на фиг.1 показана модель пластиковой формы для изготовления силиконовой формы, на фиг.2 представлена фотография полученной пластиковой формы, на фиг.3 - фотографии полученной силиконовой формы с пазами, на фиг.4 - фотография силиконовой формы с выполненными отверстиями, на фиг.5 -фотография размещения оптоволокна в пазах, на фиг.6 - фотография модели сборки для заморозки образца, на фиг.7 - фотография готового образца.
На фиг.8 показана структурная схема измерения одноосной деформации в плоском образце с использованием внедренных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках, где 1 - образец, 2 - участок оптического волокна с брэгговской решеткой, 3 - интеррогатор, 4 - компьютер, 5 - широкополосный спектр, 6 - отраженный спектр, 7 - вывод на компьютер.
Чувствительным элементом точечного волоконно-оптического датчика является волоконная брэгговская решетка. Волоконная брэгговская решетка отражает излучение с определенной длиной волны и является прозрачной для остальных длин волн. Такое селективное отражение достигается путем создания периодической структуры в сердечнике оптоволокна. Отраженный сигнал регистрируется приемной аппаратурой. Внешнее воздействие на волоконную брэгговскую решетку (например, сила F) приводит к изменению параметров решетки Брэгга, что в свою очередь приводит к изменению длины волны, отраженной от нее. По этому изменению можно судить о необходимых характеристиках - деформации, температуре, давлении и т.д.
Согласно этой схеме интеррогатор генерирует и передает по оптическому волокну широкополосный в заданном интервале длин волн оптический сигнал  (λ - длина волны). На брэгговской решетке часть этого сигнала отражается. Основная часть отраженного оптического сигнала имеет длину волны λ - резонансная длина волны отраженного спектра.
Величина этой длины волны прямо пропорциональна эффективному показателю преломления n и геометрической длине периода брэгговской решетки
Именно эта зависимость и определила возможность регистрации изменения относительной длины периода  по анализу изменения относительной величины резонансной длины волны отраженного спектра Δλ/λ.
В общем случае связь между изменением центральной длины волны отраженного спектра и деформацией оптического волокна в области брэгговской решетки определяется уравнениями:
где  - коэффициенты Поккельса в тензоре оптических напряжений,- деформация вдоль волокна,  - главные деформации в плоскости перпендикулярной оптическому волокну[3].
В частном случае, при условии одноосного напряженного состояния в оптическом волокне  формула взаимосвязи между сдвигом резонансной длины волны и изменением деформации и температуры имеет вид:
В случае, когда температура постоянна  формула приобретает следующий вид:
где  - деформационный коэффициент.
Для измерения температуры используем оптоволоконный датчик с брэгговской решеткой, свободный от внешнего механического воздействия. В этом случае для определения ΔT справедливо следующее соотношение:
где  - температурный коэффициент
При механическом и температурном воздействии изменяются период и показатель преломления решетки, из-за чего можно наблюдать смещение длины волны отраженного света. Измеряя величину этого смещения, можно определить относительную деформацию и изменение температуры. Для того чтобы разделять эти величины, необходимо использовать дополнительный волоконно-оптический датчик на брэгговских решетках, изолированный от механических деформаций, для фиксирования только температурных изменений. Таким образом, для измерения деформации можно сделать температурную компенсацию путем вычитания.
Пример выполнения
Изготавливался образец для проведения эксперимента на четырехточечный изгиб с размерами L=160 мм, b=50 мм, h=30 мм с двумя внедренными волоконно-оптическими датчиками на брэгговских решетках (ВБР1 иВБР2).
Пластиковая форма проектировалась с учетом требуемой геометрии при помощи Ansys Workbench.
При ее распечатывании использовали 3D принтер - Creality Ender-3 V2. Форма печаталась слоем 0.2 мм, заполнение материалом 10%, с основной скоростью 60 мм/с около 10 часов. Использовали пластик - Generic PL А.
Для получения силиконовой формы с 4 пазами, глубиной по 5 мм, использовался двухкомпонентный силикон (основной состав и отвердитель в равных количествах) на основе платины Artline Silicone Platinum.
Во время создания образца изо льда с внедренными волоконно-оптическими датчиками на брэгговских решетках происходил процесс регистрации данных при помощи инттеррогатора Astro-А322.
Для обеспечения полноты и объективности данных о температуре использовался единичный волоконно-оптический датчик на брэгговских решетках (ВБР), находящийся в морозильной камере вне материала.
Он необходим для компенсации смещения резонансной длины волны, вызванной изменением температуры в процессе создания ледяного образца.
Для оценки правильности показаний единичного ВБР в качестве независимой регистрации температуры в процессе формирования параллельно был использован автономный датчик температуры EClerk-USB-2Pt, обеспечивающий точность измерения температуры ±0.04°С.
Данные, получаемые с ВБР1 и ВБР2, регистрировались интеррогатором с частотой одно измерение в секунду и сохранялись на компьютере.
С помощью программного обеспечения для интеррогатора ASTRO А322, получали данные, которые в дальнейшем обрабатывали с помощью математического пакета Matlab.
На фиг.9 представлено распределение деформации по времени, которое было получено при эксперименте: ВБР1 и ВБР2 - отображают деформации на оптоволокне для двух решеток соответственно. График зависимости деформации от времени, показывает, как изменялась деформация в образце с момента его создания и до полной готовности.
На фиг.10 представлена зависимость деформации от времени с температурной компенсацией. Температурная компенсация была выполнена с учетом данных, полученных температурным датчиком на основе ВБР, по формуле:
где  - температура в текущий момент времени, а  - температура в начальный момент времени.
С учетом температурной компенсации показания изменились на 20 με или на 0.002%, что является незначительным.
Технологические деформации с учетом температурной компенсации, которая производилась с помощью температурного оптоволоконного датчика, равны -1400 με или 0.14%. В дальнейшем при проведении эксперимента на ледяном образце необходимо учитывать имеющиеся технологические деформации.
После процесса изготовления, описанного выше, был получен образец с внедренными волоконно-оптическими датчиками на брэгговских решетках. В течение всего процесса изготовления ледяного образца был осуществлен контроль целостности встроенных датчиков с решеткой Брэгга и прописана эволюция технологических деформаций.