СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
METHOD OF MEASURING DISTRIBUTED PARAMETERS OF PHYSICAL AND MECHANICAL QUANTITIES

Изобретение относится к измерительной технике для измерения распределенных параметров физико-механических величин, оказывающих влияние на резонансную частоту пьезоэлектрического элемента датчика, и может быть использовано для диагностики температуры, концентраций адсорбирующихся химических веществ в диагностируемой среде и/или коэффициентов трения или зазоров между тактильной поверхностью датчика и диагностируемой поверхностью, в частности, в аэрокосмической технике, нефте-газовой промышленности и медико-биологических исследованиях.
Известен способ измерения температуры (патент RU №2495390, опубл. 10.10.2013 г.) Согласно способу осуществляют измерение частоты генератора, зависящей от параметров терморезисторов, располагаемых равномерно по объему исследуемого поля и соединенных с внешними конденсаторами фазирующей RC-цепочки, образующих совместно с усилителем генератор, соединенный через преобразователь частота-код и микроконтроллер, программу которого снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой температуры.
Недостатком известного способа является невозможность нахождения температуры в каждом из точечных (дискретных) пьезорезонансных датчиков, так как датчик имеет возможность измерения лишь средней температуры по множеству точечных (дискретных) пьезорезонансных датчиков температуры.
1
2
N
вх
вх
i
pi
Известен способ измерения распределенных параметров физико-механических величин (патент RU №2206878, опубл. 20.06.2003 г., далее [1]) посредством помещения в контролируемых точках N термочувствительных пьезоэлектрических элементов (пьезорезонаторов) с различными резонансными частотами ν, ν, …, ν, соединенных параллельно двухпроводной электрической линией, подачи на вход линии сигнала переменного электрического напряжения и регистрации входного переменного электрического тока i(t) двухпроводной линии. В качестве источника переменного электрического напряжения, подаваемого на вход двухпроводной линии, используют генератор многочастотного электрического сигнала с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот используемых пьезорезонансных датчиков. Далее, вычисляют амплитудно-частотный спектр S(ω) регистрируемого переменного электрического тока i(t) и по положению (или «смещению») максимумов в спектре S(ω) определяют искомые температуры t в контролируемых N точках по предварительно экспериментально или теоретически найденным (известным) зависимостям резонансной частоты пьезорезонансных датчиков ν(t) от температуры t, где индекс i=1,…,N.
Недостатками известного способа измерения являются:
- узкий диапазон результатов измерений многоточечного пространственного распределения распределенных параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля, что обусловлено требованием наличия большого числа пьезорезонансных элементов, рабочие частотные диапазоны которых не должны пересекаться между собой;
- низкая помехоустойчивость информативного электрического сигнала к внешним электрическим полям, что обуславливает невысокую точность измерения диагностируемых параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля.
Наиболее близким способом измерения распределенных параметров физико-механических величин к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ измерения (см., например, A.A. Pankov «Piezoelectroluminescent optical fiber sensors for diagnostics of deformation and temperature fields in composite constructions», AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 2053, pp. 040068-1-040068-5, далее [2]) с использованием датчика, содержащего оптическое волокно и расположенный вокруг него электролюминесцентный слой, пьезоэлектрические элементы, соединенные двухпроводной электрической линией и выполненные в виде пьезоэлектрического цилиндрического слоя. Способ включает в себя подачу на вход двухпроводной линии управляющего переменного электрического напряжения для реализации вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлектрических элементов; в качестве выходного сигнала используют интегральный оптический сигнал на выходе из оптического волокна, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна; осуществляют регистрацию на выходе из оптоволокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала с учетом известных зависимостей резонансной частоты пьезоэлектрических элементов от значений диагностируемых физико-механических величин, например, температуры [2]; осуществляют измерение интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна в зависимости от времени при задаваемых различных значениях частоты гармонической составляющей и постоянной составляющей управляющего электрического напряжения при известной зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического слоя от значений диагностируемых физико-механических величин и известной зависимости интенсивности свечения электролюминесцентного слоя от действующего на него электрического напряжения;
в частности, по алгоритму «резонансного диагностирования» [2] осуществляют расчет производной по частоте для измеряемой зависимости интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна для определения функции плотности распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода;
в частности, по алгоритму «импулъсно-резонансного сканирования» [2] осуществляют подачу на вход двухпроводной электрической линии видеоимпульса электрического напряжения при установившихся (стационарных) вынужденных электромеханических колебаниях пьезоэлектрического слоя для определения реального неоднородного распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика.
ν
0
упр
χ
ν
Алгоритмы «резонансного диагностирования» и «импулъсно-резонансного сканирования» применимы, например, к измерению распределений полей температуры T(z) [2] и концентраций χ(z) адсорбирующихся химических веществ в диагностируемой среде вдоль продольной оси z датчика. При этом, например, для измерения распределения поля концентраций χ(z) считается известной амплитудно-частотная характеристика датчика и зависимость изменения его резонансной частоты  от концентрации анализируемого вещества χ. При адсорбции анализируемого вещества график амплитудно-частотной характеристики датчика смещается по оси частоты ν на величину изменения резонансной частоты  пропорционально искомой величине концентрации анализируемого вещества χ, где постоянные характеристики сенсора: k - коэффициент пропорциональности, ν - резонансная частота датчика для начального случая χ=0; постоянная составляющая электрического напряжения U на управляющих электродах датчика необходима для настройки датчика на рабочий режим в рассматриваемом диапазоне концентраций анализируемого вещества, гармоническая составляющая - для возбуждения вынужденных стационарных электроупругих осесимметричных колебаний датчика. В результате, искомая функция плотности распределения концентраций анализируемого вещества ƒ(τ) по длине датчика (фиг. 2) находится как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода  по результатам измеряемых значений производной  амплитуды интенсивности свечения  на выходе из оптического волокна по частоте v электрического напряжения на управляющих электродах датчика, где , ядро Фредгольма рассчитывается  через известную амплитудно-частотную характеристику  фрагмента датчика длиной , длина датчика , коэффициент пропорциональности k для рассматриваемого рабочего диапазона концентраций анализируемого вещества. Данный способ измерения принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ использует датчик, содержащий оптическое волокно и расположенный вокруг него электролюминесцентный слой, пьезоэлектрические элементы, соединенные двухпроводной электрической линией и выполненные в виде пьезоэлектрического цилиндрического слоя; способ включает в себя подачу на вход двухпроводной линии управляющего переменного электрического напряжения для реализации вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлектрических элементов; в качестве выходного сигнала используют интегральный оптический сигнал на выходе из оптического волокна, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна; осуществляют регистрацию на выходе из оптоволокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала с учетом известных зависимостей резонансной частоты пьезоэлектрических элементов от значений диагностируемых физико-механических величин; осуществляют измерение интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна в зависимости от времени при задаваемых различных значениях частоты гармонической составляющей и постоянной составляющей управляющего электрического напряжения при известной зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического слоя от значений диагностируемых физико-механических величин и известной зависимости интенсивности свечения электролюминесцентного слоя от действующего на него электрического напряжения.
Недостатками известного способа измерения, принятого за прототип, являются: невысокая точность измерения (значений и локаций этих значений) диагностируемых параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля, что обусловлено
спектральным (нелокальным) характером искомой функции плотности распределения величин (что не позволяет, в общем случае, найти локации по длине датчика найденных значений величин) в алгоритме «резонансного диагностирования»
и «усредняющим» действием на искомые значения величин видеоимпульса сканирования, используемым в алгоритме «импулъсно-резонансного сканирования» [2].
Задачей изобретения является повышение точности измерения диагностируемых параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном [2] способе измерения распределенных параметров физико-механических величин с использованием датчика, содержащего оптическое волокно и расположенный вокруг него электролюминесцентный слой, при этом пьезоэлектрические элементы соединены двухпроводной электрической линией и выполнены в виде пьезоэлектрического цилиндрического слоя; способ включает в себя подачу на вход двухпроводной линии управляющего переменного электрического напряжения для реализации вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлектрических элементов; в качестве выходного сигнала используют интегральный оптический сигнал на выходе из оптического волокна, при этом в качестве регистратора используют приемник анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна; осуществляют регистрацию на выходе из оптоволокна амплитудно-частотного спектра интегрального светового сигнала с учетом известных зависимостей резонансной частоты пьезоэлектрических элементов от значений диагностируемых физико-механических величин; осуществляют измерение интенсивности светового потока на выходе из оптического волокна в зависимости от времени при задаваемых различных значениях частоты гармонической составляющей и постоянной составляющей управляющего электрического напряжения при известной зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического слоя от значений диагностируемых физико-механических величин и известной зависимости интенсивности свечения электролюминесцентного слоя от действующего на него электрического напряжения, согласно изобретению осуществляют подбор значения постоянной составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии из требования формирования дискретных световых импульсов интенсивности свечения на выходе из оптического волокна при заданной частоте гармонической составляющей управляющего электрического напряжения и осуществляют нахождение моментов времени и периодичности выхода этих световых импульсов из оптического волокна для определения реального неоднородного распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика.
В частности, в качестве источника управляющего переменного электрического напряжения используют генератор многочастотного электрического сигнала с частотной модуляцией [1].
В частности, для повышения точности измерения диагностируемых параметров физико-механических величин датчик [2] может дополнительно иметь внешнюю оболочку (корпус) для защиты от механических повреждений и/или для селектирования и усиливания эффекта влияния диагностируемых параметров на резонансную частоту датчика, например, в виде селективного адсорбирующего слоя с эффектом адсорбции диагностируемых химических веществ из внешней среды.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - осуществляют подбор значения постоянной составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии из требования формирования дискретных световых импульсов интенсивности свечения на выходе из оптического волокна при заданной частоте гармонической составляющей управляющего электрического напряжения и осуществляют нахождение моментов времени и периодичности выхода этих световых импульсов из оптического волокна для определения реального неоднородного распределения диагностируемых параметров физико-механических величин вдоль датчика; в качестве источника управляющего переменного электрического напряжения используют генератор многочастотного электрического сигнала с частотной модуляцией [1]; датчик [2] может дополнительно иметь внешнюю оболочку (корпус) для защиты от механических повреждений и/или для селектирования и усиливания эффекта влияния диагностируемых параметров на резонансную частоту датчика,
Такой способ измерения параметров физико-механических величин позволяет с высокой точностью осуществить нахождение численного индикаторного значения постоянной составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии для момента возникновения светового импульса (на выходе из оптоволокна), нахождение численных значений сдвигов фаз между моментом приложения управляющего электрического напряжения (на входе двухпроводной линии) и моментами (или, в частности, одним моментом для случая монотонной изменяемости по длине датчика диагностируемой величины) выхода световых импульсов (на выходе из оптоволокна) за известный период вынужденных колебаний для каждой из (заданной последовательности рабочих значений) частот гармонической составляющей управляющего электрического напряжения на входе двухпроводной линии. Благодаря этому достигается заявленный технический результат.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют повысить точность измерения диагностируемых параметров физико-механических величин для протяженных участков контроля.
На фиг. 1 показан фрагмент датчика для измерения параметров физико-механических величин, в частности, полей температуры и концентраций адсорбирующихся химических веществ в диагностируемой среде вдоль продольной оси z датчика с интенсивностью света I на выходе оптоволокна.
На фиг. 2 дано диагностируемое распределение температурных отклонений ΔT(z) вдоль оси датчика z.
U
На фиг. 3 даны интенсивности световых импульсов I на выходе из оптоволокна для случая заданных значений величин Δ=1 мкВ, ν=200 кГц.
T
На фиг. 4 дано найденное распределения резонансных частот ν вдоль оси датчика z.
упр
Способ измерения распределенных параметров физико-механических величин осуществляется с использованием датчика (фиг. 1), содержащего оптическое волокно 1 и расположенный вокруг него электролюминесцентный концентрический цилиндрический слой 2. На электролюминесцентный слой 2 нанесен с электрическим контактом концентрический цилиндрический пьезоэлектрический слой 3, состоящий из пьезоэлектрических элементов, соединенных параллельно двухпроводной линией, содержащей внутренний 4 и внешний 5 электроды. Электроды 4, 5 соединены с источником переменного электрического напряжения U (на чертеже не показан). Внешняя оболочка (для защиты от механических повреждений и/или для селектирования и усиливания эффекта влияния диагностируемых параметров на резонансную частоту датчика), например, в виде корпуса 6 с полимерными мембранами (мембраны на чертеже не показаны) для усиления эффекта адсорбции диагностируемых химических веществ из внешней среды.
Внутренний электрод 4 двухпроводной линии выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном 1 и электролюминесцентным слоем 2. Внешний электрод 5 двухпроводной линии нанесен на внешнюю цилиндрическую поверхность пьезоэлектрического слоя 3.
Внутренний электрод 4 двухпроводной линии может быть выполнен в виде цилиндрический перфорированной оболочки, или линейного проводника со спиральной намоткой на оптическое волокно 1 или в виде цилиндрический оболочки из фотопрозрачного электропроводного материала. Пьезоэлектрический слой 3 имеет радиальную поляризацию и, в частности, выполнен из полимерной пьезоэлектрической поляризованной по толщине ленты, например, PVDF спирально намотанной в один или несколько слоев на электролюминесцентный цилиндрический слой 2. Внешний электрод 5 выполнен, в частности, в виде цилиндрической неперфорированной оболочки.
Для улучшения сцепления и электропроводности межфазных границ цилиндрических слоев 2, 3 могут быть использованы специальные адгезионные материалы (клеи).
упр
К электродам 4, 5 прикладывается управляющее электрическое напряжение U, имеющее как постоянную составляющую, так и гармоническую составляющую с частотой ν (которая равна частоте вынужденных осесимметричных электромеханических колебаний пьезоэлектрического слоя 3).
Характеристики светового потока, например, амплитуда интенсивности свечения  на выходе из оптического волокна 1 анализируются приемником-анализатором интенсивности оптических сигналов (на фиг. 1 не показан), в котором в качестве приемника излучения может быть использован фотодиод.
Способ измерения распределенных параметров с использованием датчика осуществляется следующим образом.
Механолюминесцентный эффект возникает в результате взаимодействия между собой электролюминесцентного 2 и пьезоэлектрического 3 слоев при осесимметричных вынужденных колебаниях (вибрациях) датчика (фиг. 1). Информативные световые сигналы возникают в электролюминесцентном слое 2 и, далее, проникают через внутренний электрод 5 в оптическое волокно 1 и распространяются по нему к приемнику-анализатору интенсивности оптических сигналов на выходе из оптического волокна 1.
Алгоритм заявленного способа измерения распределенных параметров физико-механических величин вдоль продольной оси пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика (фиг. 1) основаны на известной амплитудно-частотной характеристике датчика и зависимости его резонансной частоты от измеряемых значений распределенных параметров диагностируемых физико-механических величин, в частности, температуры, концентраций адсорбирующихся химических веществ в диагностируемой среде и/или коэффициентов трения или зазоров между тактильной поверхностью датчика и диагностируемой поверхностью.
T
ν
T
Например, для случая диагностирования пьезоэлектролюминесцентным оптоволоконным датчиком (фиг. 1) распределения вдоль датчика значений температуры считается известной амплитудно-частотная характеристика датчика и зависимость его резонансной частоты от температуры. При изменении температуры ΔT (фиг. 2) график амплитудно-частотной характеристики датчика смещается по оси частоты на величину изменения резонансной частоты  пропорционально изменению температуры; постоянная составляющая электрического напряжения на управляющих электродах датчика необходима для настройки датчика на рабочий режим в рассматриваемом диапазоне диагностируемых температур, гармоническая составляющая - для возбуждения вынужденных стационарных электроупругих осесимметричных колебаний датчика. Неоднородность по продольной координате z датчика искомых отклонений температур ΔT(z) (фиг. 2) обуславливает соответствующую информативную неоднородность амплитуд  гармонических (с частотой ν) составляющих электрических напряжений на электролюминесцентном слое датчика в результате связи Δ(z)=kΔT(z) температурных отклонений ΔT(z) со смещениями резонансных частот Δ(z) и, как следствие, смещениями по оси частот амплитудно-частотных характеристик  для различных локальных участков датчика.
В датчике реализуются вынужденные осесимметричные электроупругие стационарные колебания, обусловленные действием гармонической составляющей  управляющего электрического напряжения
0
на электродах 4, 5 датчика (фиг. 1), где постоянная составляющая U необходима для настройки датчика на рабочий режим в рассматриваемом диапазоне диагностируемых температур, частота колебаний ν, время t.
0min
0
упр
0
0
упр
0
0
0min
T
T
люм
«Резонансный параметр» датчика U находим как минимальное значение постоянной составляющей U управляющего электрического напряжения U(ν,t), при котором появляются импульсы свечения с частотой ν на выходе из оптоволокна при заданной частоте ν гармонической составляющей  управляющего электрического напряжения U(ν,t) и однородной по объему датчика базовой температуре T и, как следствие, однородной светоотдаче по всей длине электролюминесцентного слоя датчика на «фазе свечения». При значении U=U для случая неоднородного поля ΔT(z) (фиг. 2) начинает происходить светоотдача в «резонансных областях» - локальных или протяженных (в зависимости от вида диагностируемого поля ΔT(z)) участках электролюминесцентного слоя, в которых (при их наличии) имеем равенство ν=ν для собственной ν и вынуждающей ν частот и, как следствие, реализуется значение максимальной резонансной амплитуды  для электрического напряжения U.
0
упр
0min
U
U
0min
упр
0i
i
i
νi
i
Алгоритм сканирования неоднородного по длине датчика температурного поля может быть представлен следующей последовательностью действий. В начале, фиксируем величину однородной составляющей U управляющего электрического напряжения U(ν,t) на значении U+Δ, полученному некоторым малым приращением Δ к известному пороговому значению U. Далее, последовательным перебором (с мелким шагом) задаем различные значения частоты  для гармонической составляющей управляющего электрического напряжения U(ν,t) и находим совокупность из n различных частот , для которых реализуются ненулевые функции «импульсов свечения»  на выходе из оптоволокна датчика в зависимости от величины относительного времени  (фиг. 3), где t - известный момент времени реализации амплитудных значений  вынужденных с частотой ν осесимметричных колебаний датчика, период вынужденных колебаний , для частоты ν. Импульсы в функции свечения  расположены, в общем, лишь на интервале  с периодом T и для момента выхода центра k-го светового импульса из оптоволокна  выполняются неравенства , где максимальное значение , параметр , k - - число импульсов на интервале , скорость распространения светового импульса с. Величина длительности непрерывного свечения резонансных точек 2Δt, где временной интервал
U
зависит, в частности, от значения выбранного приращения Δ управляющего электрического напряжения.
i
Для вынужденных колебаний датчика с частотой ν имеем в функции импульсов свечения  наблюдаемую интенсивность света
i
на выходе из оптоволокна, обусловленную имеющимся (для этой частоты ν) распределением электрического напряжения по длине электролюминесцентного слоя датчика
U
величиной заданного малого приращения Δ, функцией свечения электролюминесцентного слоя  с учетом сдвига фаз по времени , параметр (координата) интегрирования z''.
i
i
T
i
i
0
i
i
i(k)
Ti
0
T
ν
Далее, для каждой частоты ν находим координаты  локаций всех k центров локальных участков датчика, в которых реализовалось максимальное резонансное значение амплитуды , по найденным ранее значениям  в центральных точках световых импульсов функции  (фиг. 3). В результате, находим численное распределение резонансных частот ν вдоль оси датчика z (фиг. 4), по которому рассчитываем соответствующие приращения температур ΔT (фиг. 2) и искомые температуры T=Т+ΔT во всех k точках с координатами z для центров локальных участков датчика  по найденным ранее значениям приращений резонансных частот Δ=νi-ν с учетом Δ=kΔТ.
U
0
i(k)
i(k)
1
T
1
i
T
При этом, геометрическая форма и величина импульсов в функциях  (фиг. 3) обуславливается, во-первых, диагностируемым температурным полем T(z) опосредованно через вид функций  в малых окрестностях соответствующих резонансных точек электролюминесцентного слоя со значением амплитуды , инициирующих эти световые импульсы, и, во-вторых, величиной приращения Δ постоянной составляющей U управляющего электрического напряжения. В рассматриваемом алгоритме диагностирования температурного поля T(z) информативными характеристиками, в первом приближении являются лишь абсциссы центров импульсов  (фиг. 3), а в последующих - дополнительно возможно учесть такие информативные параметры, как геометрические формы и величины импульсов в измеряемых функциях свечения  (фиг. 3) на выходе из оптоволокна датчика. Длительность (ширина) τ и величина I исходящих из оптоволокна световых импульсов (с периодом ) увеличивается с ростом однородности по длине датчика диагностируемого температурного поля. В предельном случае, при постоянной температуре Т = const при заданной частоте, например, ν = ν имеем в функции свечения  одиночный (k = 1) с периодом  и длительностью свечения  на интервале  импульс (8); величина импульса уменьшится при других частотах ν из малой окрестности  центральной резонансной частоты ν, для которых имеем значения амплитуды , а для всех других частот (вне этой окрестности) наблюдаем полное отсутствие свечения на выходе из оптоволокна датчика.
Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования и анализом закономерностей влияния на амплитуды интенсивности свечения светового потока и на формирование дискретных световых импульсов (фиг. 3) на выходе из оптического волокна при различных заданных рабочих частотах гармонической составляющей управляющего электрического напряжения для различных модельных и реальных законов распределения диагностируемых температур (фиг. 2) по длине датчика (фиг. 1).