Full Text

Оптоволоконные датчики, в частности, со встроенными в световод брэгговскими решетками широко используются в различных отраслях науки и техники [1 – 5] для измерения различных физико-механических величин, что необходимо для современных систем управления и адаптации свойств ответственных конструкций, например, аэрокосмической техники к меняющимся условиям эксплуатации. Оптоволоконные датчики могут быть установлены на поверхности конструкции или внедрены внутрь, например, полимерной композитной конструкции на этапе ее производства с целью «самодиагностики», т.е. индикации наличия возможных технологических дефектов типа пор, непроклеев, смятий армирующих волокон или слоев ткани (препрега), удаленного мониторинга эволюции изменения свойств композита на структурном уровне [6, 7], диагностирования типа и величины напряженного состояния, локации опасных зон с критическими нагрузками, выявления возможных эксплуатационных микроповреждений, в частности: разрывов армирующих элементов, отслоений по межфазным поверхностям и растрескивания матрицы (связующего) полимерного композита, актуальной оценки прочности композита и конструкции в целом [8 – 18]. Современные технологии сенсорной техники позволяют создавать оптоволоконные брэгговские решетки различной структуры и назначения [19 21]. Необходимость разработки новых встраиваемых оптоволоконных датчиков для диагностирования сложного напряженно-деформированного состояния внутри полимерных композитных конструкций обусловлена потребностью повышения точности, чувствительности, ширины рабочего диапазона измерений и упрощения технологии создания таких датчиков. Предложенные в [22] оптоволоконные TFBGs-датчики с наклонными брэгговскими решетками (Tilted Fiber Bragg Gratings) предназначены для диагностирования сложного напряженно-деформированного состояния внутренних и/или приповерхностных областей окрестностей TFBGs-датчиков, встроенных внутрь или установленных на поверхности диагностируемых полимерных композитных конструкций. Оптоволоконные TFBGs-датчики имеют вид многожильного кабеля, в котором шесть однонаправленных световодов со встроенными различно-наклоненными брэгговскими решетками размещены с фиксированным взаимным, например, гексагональным расположением в протяженном цилиндрическом сплошном полимерном корпусе датчика. Известные оптоволоконные датчики [23 27] с наклонными брэгговскими решетками не использовались ранее для диагностирования сложного напряженно-деформированного состояния внутри нагруженных полимерных композитных конструкций. Рассматриваемые оптоволоконные TFBGs-датчики с наклонными брэгговскими решетками более просты в изготовлении по сравнению, например, с известными встраиваемыми оптоволоконными пьезоэлектролюминесцентными [28, 29] и механофотолюминесцентными [30] датчиками сложного напряженного состояния с учетом, что современные технологии изготовления различных оптоволоконных брэгговских решеток хорошо отработаны и имеют высокий уровень развития. Необходимость использования в TFBGs-датчиках световодов с наклонными брэгговскими решетками обусловлена однонаправленностью световодов в датчике, например, по оси r3, из-за чего их продольные деформации равны значению компоненты диагностируемого тензора макродеформаций. Поэтому, при использовании традиционных «поперечных» брэгговских решеток это равенство = обуславливает одинаковые деформационные изменения значений периодов брэгговских решеток и, как результат, одинаковые значения информативных смещений измеряемых спектров отражений для различных световодов как функций лишь компоненты без учета других компонент диагностируемого тензора , . Таким образом, невозможность использования однонаправленных световодов с традиционными брэгговскими решетками для прогнозирования сложного деформированного состояния обуславливает применение в TFBGs-датчиках световодов с наклонными брэгговскими решетками, в которых отражающие элементы (области периодического изменения коэффициента преломления) ориентированы под некоторыми заданными углами к поперечным сечениям световодов и, как результат, на информативные значения деформированных периодов которых теперь уже будут влиять все искомые компоненты диагностируемого тензора макродеформаций . Цель – разработка математических моделей и нахождение численных значений характеристик – управляющих и информационных передаточных коэффициентов встраиваемых оптоволоконных TFBGs-датчиков [22] для диагностирования сложного напряженно-деформированного состояния внутри нагруженных полимерных композитных конструкций с использованием световодов с различно наклоненными брэгговскими решетками.

About the authors

A. A Pan’kov

The Mathematical Model of a Built-In Fiber Optic TFBGs Sensor with Tilted Bragg Gratings for Diagnosing a Complex Deformed State in Polymer Composite Structures

References

Statistics

Views

Abstract - 194

PDF (Russian) - 31