Устройство выхода волоконно-оптического датчика из композита

Полезная модель относится к области волоконно-оптических устройств выхода и коммутации волоконно-оптических датчиков (ВОД) деформации и/или ВОД акустической эмиссии при создании сетей первичных преобразователей ВОД и может быть использована при создании систем раннего обнаружения повреждения критических элементов конструкций перспективной авиационной техники и других объектов из полимерных композиционных материалов, в которые встроены ВОД деформации и и/или акустической эмиссии.
Известно устройство выхода ВОД из композита внутри конструкции из композиционного материала с возможностью соединения оптических волокон методом оптической сварки. Для выхода ВОД из композита в конструкции из композиционного материала предлагается установить систему колодцев, через которые осуществляется вывод и сварка оптических волокон и их защита монослоями композиционного материала. Основным достоинством способа является надежность и качество оптического соединения (патент США №7542632).
Недостатком данного устройства выхода ВОД из композита является существенное снижение свойств конструкции из-за нарушения непрерывности структуры армирующих волокон композиционного материала в зоне колодцев, что приводит к возникновению концентратора напряжений и возможному разрушению конструкции в зоне вывода.
Известно интегрированное в композитную конструкцию устройство выхода ВОД, реализованное в виде двух частей, одна из которых - съемная, содержит центрирующую трубку и расположенные в ней трубки - втулки, выполненные из электрически непроводящего керамического материала, в которые вставлено оптическое волокно без защитной оболочки. Центрирующая трубка вставлена в свою очередь в защитную трубку (патент США №6547448).
Недостатком данного устройства является существенно большой диаметр центрирующей трубки (2,54 мм), по сравнению с толщиной монослоя полимерного композиционного материала (0,1-0,2) мм, существенно снижает прочностные характеристики конструкции за счет возникновения неоднородности и, как следствие, концентратора механических напряжений, что в конечном итоге может привести к разрушению конструкции в локальной зоне места вывода оптического волокна.
Наиболее близким по технической сущности, назначению и принятым за прототип является устройство выхода ВОД из композитной конструкции, с применением гибкой трубки для предотвращения от излома оптического волокна. Часть гибкой трубки при этом интегрирована в конструкцию из полимерного композиционного материала, а часть - вне конструкции, трубка предохраняет проходящее через нее оптическое волокно от механических повреждений, обусловленных критическими радиусами перегиба (патент США №6840683).
Недостатком данного устройства вывода ВОД из конструкции является достаточно большой диаметр защитной гибкой трубки - более 2,5 мм, что составляет величину минимум в 10 раз большую толщины монослоя композита, что снижает прочностные характеристики материала конструкции, приводит к возникновению концентратора механических напряжений и, как следствие, к возможному разрушению конструкции в зоне вывода волоконного световода.
Отсутствуют механизмы закрепления выводов ВОД при подготовке к формованию изделия из полимерных композиционных материалов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства выхода ВОД из композитной конструкции, являющегося составным элементом-коммутатором при создании систем раннего обнаружения повреждения критических элементов конструкций перспективной авиационной техники, позволяющего осуществлять оптический контакт для передачи данных от волоконно-оптических датчиков деформации и акустической эмиссии, интегрированных в конструкцию из полимерного композиционного материала, предназначенного для использования в системах встроенного контроля текущего напряженно-деформированного и технического состояния, а также ресурса авиационных конструкций и других объектов из полимерных композиционных материалов. При этом устройство вывода ВОД должно обеспечивать получение качественной поверхности конструкции, в том числе в зоне вывода ВОД.
Для решения поставленной задачи предложена конструкция и схема выхода через поверхность вывода оптического датчика, интегрированного в конструкцию на стадии ее изготовления.
Вывод ВОД осуществляется под углом не более 20°, для защиты от механического повреждения вывода в зоне выхода из конструкции используется фторопластовая трубка (далее кембрик), диаметром не более 300 мкм. Кембрик не интегрируется в саму конструкцию, а защищает выводы ВОД вне конструкции, не заходя в конструкцию на 2-3 мм.
Защита места вывода и сам кембрик с выводом ВОД фиксируются на поверхности конструкции с помощью ленты стеклопрепрега в случае изготовления конструкции из полимерных композиционных материалов методом автоклавного, прессового и вакуумного формования из препрега, либо стеклоткани, приформовываемой на место выхода датчика в кембрике в случае формования изделия методом вакуумной инфузии.
Качество поверхности изготавливаемой конструкции в зоне выводов волоконных световодов обеспечивается за счет применения специализированной резиновой оснастки-цулаги, препятствующей образованию цилиндрических желобков, образующихся на поверхности детали после формования.
На фигурах 1 и 2 представлено устройство выхода ВОД из композита, где:
1 - полимерный композиционный материал (ПКМ);
2 - оптическое волокно;
3 - кембрик;
4 - зона вывода;
5 - защитный слой препрега (стекловуали);
6 - резиновая цулага;
7 - волоконно-оптический датчик (ВОД);
8 - инъекционная игла;
9 - зона установки датчика;
10 - внешний слой пакета;
11 - поверхность слоя интеграции датчика.
Оптическое волокно 2, содержащее ВОД 7 деформации и/или температуры, и/или акустической эмиссии (АЭ) интегрируется в структуру полимерного композиционного материала 1 на стадии изготовления материала конструкции. В случае изготовления материала конструкции автоклавным, прессовым и вакуумным методом формования из препрега оптическое волокно с акрилатной или полиимидной защитной оболочкой размещается между слоями препрега согласно конструкторской документации на изделие. В случае изготовления материала конструкции методом вакуумной инфузии оптическое волокно с акрилатной или полиимидной защитной оболочкой размещается между слоями наполнителя согласно конструкторской документации на изделие.
Вывод оптического волокна 2 из полимерного композиционного материала 1 осуществляется через поверхность материала конструкции под углом не более 20° к поверхности с использование инъекционных игл 8. При этом волокно вдевается в конец иглы, после чего игла с вставленным оптическим волокном вынимается с обратной стороны.
На вывод оптического волокна 2 надевается фторопластовый кембрик 3, при этом кембрик не заводится в структуру материала конструкции, а располагается на поверхности материала конструкции на расстоянии не более 3 мм от непосредственного места выхода оптического волокна из материала конструкции в зоне вывода 4. Длина кембрика подбирается, исходя из особенностей дальнейшей эксплуатации и/или испытания конструкции, и составляет длину не менее 500 мм.
Зону вывода 4 необходимо защитить защитным слоем препрега 5 шириной не более 2 см в случае изготовления материала конструкции автоклавным, прессовым и вакуумным методом формования или стекловуали шириной не более 2 см в случае изготовления материала конструкции методом вакуумной инфузии.
Для получения качественной поверхности материала конструкции после формования под выводы оптического волокна с кембриками подкладывается специализированная резиновая оснастка-цулага 6.
Вывод оптического волокна 2 в кембрике 3 закрепляется с помощью высокотемпературной клейкой ленты на резиновой оснастке-цулаге, выровняв по линии в направлении выхода из поверхности пакета слоев.
Таким образом, предлагаемое устройство выхода ВОД из композита является технологичным и позволяет предавать данные от волоконно-оптических датчиков деформации и/или температуры, и/или АЭ, интегрированных в конструкцию из полимерного композиционного материала на устройство сбора и обработки данных системы раннего обнаружения повреждения критических элементов конструкций перспективной авиационной техники. Устройство позволяет осуществлять встроенный контроль и определять прочностные и иные характеристики конструкций из полимерных композиционных материалов.