Оптоволоконный акустико-эмиссионный способ определения пластических деформаций больших инженерных сооружений

Изобретение относится к прогнозированию на ранней стадии возникновения дефектов в больших инженерных сооружениях и направлено на увеличение чувствительности при снижении аппаратурных затрат. Сигнал акустической эмиссии (АЭ) генерируется с помощью хрупкого затвердевающего клея, а регистрируется с применением многомодового волоконно-оптического распределенного датчика. Клей наносится на оптическое волокно, которое выполняет функцию распределенного чувствительного элемента (РЧЭ), при его монтаже на инженерное сооружение. После затвердевания клей становится хрупким и не только фиксирует оптическое волокно на объекте, но и генерирует сигнал АЭ при его растрескивании, в случае возникновения пластической деформации контролируемого объекта (инженерное сооружение). Такой способ обладает очень высокой чувствительностью, поскольку сигнал АЭ возникает в непосредственной близости от датчика (РЧЭ). Поэтому акустико-эмиссионная волна, практически не ослабленная, почти полностью преобразуется в оптический, а затем в электрический сигнал. Распределенный датчик (РЧЭ), приклеенный к инженерному сооружению, регистрирует малейшую пластическую деформацию, которая приводит к растрескиванию хрупкого слоя - затвердевшего клея, нанесенного непосредственно на оптоволокно, по всей его длине. Технический результат заключается в расширении частотного спектра регистрируемых сигналов, возможности обнаружения на ранней стадии участков, на которых может произойти разрушение контролируемого объекта, возможности проведения постоянного дистанционного мониторинга. 1 ил.

 

Изобретение относится к прогнозированию на ранней стадии возникновения и развития дефектов с помощью волоконно-оптических методов регистрации сигнала акустической эмиссии (АЭ), и может использоваться для выявления наиболее вероятных зон разрушения металлических или бетонных конструкций инженерных сооружений, например газопроводов, мостов, плотин ГЭС и других крупных и протяженных объектов.

Известен акустико-эмиссионный способ зонного контроля, включающий установку локальных преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), на предварительно зачищенные контактные поверхности (Руководящий документ РД 03 131-97. Акустико-эмиссионный метод контроля. - С. 8-11, http://snipov.net/c_4653_snip_99823.html). Способы крепления локальных датчиков (ПАЭ) должны обеспечивать надежный акустический контакт с поверхностью. Соединительные кабели крепят с помощью магнитов, бандажей, прижимов таким образом, чтобы не было их натяжения в процессе испытания. После установки ПАЭ проводят проверку работоспособности АЭ аппаратуры и настройку ее каналов с помощью калибраторов и имитаторов сигналов АЭ, выбираемых в зависимости от конкретных условий испытаний. АЭ контроль проводят при ступенчатом увеличении нагрузки на контролируемый объект. Накопление, запись и оперативную обработку данных АЭ контроля проводят с помощью специального программного обеспечения, входящего в состав акустико-эмиссионных систем. Данный способ сложный и дорогой, имеет невысокую чувствительность, требует применения большого количества разнообразной аппаратуры.

Известен также способ определения упругопластических деформаций, включающий нанесение на поверхность контролируемой конструкции, специального покрытия, содержащего эпоксидную смолу, фталевый ангидрид и дибутилфталат для определения по образующимся трещинам зоны и направления пластических деформаций (SU 1669991 A1, МКИ5 С21D 7/02, G01B 11/20, опубл. 15.08.1991). Метод АЭ контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся, а значит действительно опасных дефектов, и осуществляет их классификацию не по размерам, а по степени опасности.

Этот зонный метод тоже обладает низкой чувствительностью. Причиной низкой чувствительности является то, что сигналы АЭ малы по амплитуде и выделение полезного сигнала из помех представляет собой достаточно сложную задачу. Это объясняется тем, что локальные датчики АЭ (ПАЭ), часто оказываются на большом расстоянии от зон растрескивания, которые являются источниками АЭ, и поэтому сигнал АЭ доходит до датчиков с большим затуханием. Кроме того, большое количество преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), требует большого количества соединительных проводов, усилителей и измерительных каналов, что значительно усложняет и удорожает способы зонного контроля.

Известен также способ исследования деформаций и напряжений (патент №2345324 от 27.04.2007), в котором наряду с АЭ контролем дополнительно предусматривается дистанционное визуальное наблюдение за контролируемыми объектами. Нанесение хрупкого тензочувствительного покрытия повышает сверхчувствительность к пластической деформации, вследствие треска образующихся картин трещин. По наличию деформации хрупкого покрывного материала определяют наличие дефектов. Оценка напряженно-деформированного состояния опасных объектов проводится быстрее. Этот способ исследования деформаций и напряжений в опасных объектах предусматривает проведение следующих действий: нанесение хрупкого тензочувстительного покрытия на исследуемую поверхность детали, отверждение покрытия. Дополнительно осуществляют установку модуля с локальными датчиками преобразователей акустической эмиссии, а в качестве покрытия используют искусственные смолы.

Измерение деформаций и напряжений методом хрупких тензочувствительных покрытий с использованием АЭ измерительного комплекса обеспечивает:

- возможность обнаружения и регистрации локальных развивающихся дефектов на ранних стадиях их образования и развития;

- классифицирование дефектов по размеру и опасности;

- выявление дефектов и наблюдение за их образованием и развитием в рабочих условиях;

- контроль всего объекта в целом, используя один или несколько модулей с датчиками ПАЭ, неподвижно установленных на поверхности объекта;

- проведение постоянного дистанционного мониторинга;

- моделирование возможных повреждений рабочих поверхностей деталей (конструкций).

Хрупкое тензочувствительное покрытие позволяет повысить сверхчувствительность волн напряжения, и вследствие треска образующихся картин трещин, появляется возможность обнаружения дефектов на ранних стадиях образования и развития дефектов. Имеется возможность проводить постоянный дистанционный мониторинг за механизмом образования и развития дефектов в рабочих условиях.

Однако данный способ также обладает недостаточной чувствительностью, и имеет высокую стоимость. В этом способе предполагается использование локальных АЭ датчиков, количество которых для больших протяженных объектов может достигать сотен и даже тысяч штук. Например, акустико-измерительный комплекс «Лель/96», содержит до 96 датчиков (ПАЭ). Каждый из датчиков должен быть присоединен к измерительной аппаратуре, причем длина сигнального кабеля не должна превышать 2 м. Поэтому часто применяют встроенные в датчик (выносные) усилители. Аппаратурные и монтажные затраты при использовании этого способа, с учетом большого количества соединительных проводов и усилителей сигнала, очень большие. Дистанционное визуальное наблюдение за контролируемыми объектами также увеличивает стоимость данного метода. При этом необходимая чувствительность достигается только вблизи датчиков, а в удаленных от них зонах она существенно снижена из-за затухания АЭ сигнала с увеличением расстояния от зоны растрескивания до ближайшего датчика. Также растет затухание АЭ сигнала и уменьшается чувствительность, если увеличивается частота АЭ сигнала до сотен кГц, а значит регистрируется только низкочастотный спектр сигнала, следовательно, полученная информация не обладает достаточной достоверностью.

Известны также волоконно-оптические охранные устройства, например, на основе релеевского рассеяния (патент на полезную модель №128372, опубликовано 20.05.2013 г.), которые позволяют фиксировать механические вибрации по всей длине оптического кабеля (до сотен километров), с локализацией источника вибрации до 3-х метров. Оптический кабель является не локальным, а распределенным датчиком вибрации и одновременно выполняет функцию канала связи для передачи полезного сигнала. Однако данное устройство не применимо для АЭ неразрушающего контроля, поскольку также обладает недостаточной чувствительностью распределенного оптоволоконного датчика, требующего значительных механических вибраций для их регистрации. Такие вибрации могут возникать уже при разрушении объекта, а не в предшествующий разрушению период при пластической его деформации.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности при регистрации пластической деформации деталей инженерных сооружений на ранних стадиях образования и развития дефектов, по сравнению с обычным оптическим волокном без хрупкого покрытия. По сравнению с зонным контролем (например, с использованием локальных пьезоэлектрических датчиков), также повышается чувствительность, значительно расширяется частотный спектр регистрируемых АЭ сигналов, увеличивается зона мониторинга, снижаются аппаратурные затраты, и обеспечивается возможность контроля в широком температурном диапазоне. Улучшается раннее прогнозирование образования дефектов, что способствует предотвращению аварий и техногенных катастроф.

Сущность изобретения

На фиг. 1 изображена упрощенная структурная схема устройства, поясняющая способ волоконно-оптического акустико-эмиссионного контроля пластической деформации объекта. Схема содержит блок для формирования оптического зондирующего сигнала - оптический излучатель (2OИ), и устройство для непрерывного направленного ввода оптического сигнала (3УВ) в распределенный чувствительный элемент (4РЧЭ). В качестве оптического излучателя используется светодиод (для малых длин РЧЭ), а для длин РЧЭ более 30 метров, используется полупроводниковый лазер. РЧЭ закрепляется на объекте (инженерном сооружении), для чего при монтаже на него наносят с помощью экструдера специальный клей - полимеризирующийся материал, который также обеспечивает его фиксацию и механический контакт с контролируемым объектом. После затвердевания клей становится хрупким, и генерирует сигнал акустической эмиссии, растрескиваясь от механического воздействия, при деформации контролируемого объекта. Акустический эмиссионный сигнал зарождается в непосредственной близости от оптического волокна, и воздействует на него, меняя модовое поле, распространяемое по волокну. АЭ сигнал почти без затухания доходит до РЧЭ, т.к. хрупкий материал находится в непосредственной близости, на поверхности оптического волокна. Изменения модового поля, регистрируются на выходном торце волокна (по изменению статической спекл-структуры), и после пространственного фильтра (6ПФ), преобразуются блоком приема оптического излучения (7БПр) в электрические сигналы, которые поступают на блок обработки (8БО). Блок обработки сравнивает принимаемый сигнал с эталонным сигналом, который соответствует невозмущенному состоянию сенсора и детектирует опасные деформации контролируемого объекта. При определенном механическом воздействии на РЧЭ, превышающем установленный порог или обрыве РЧЭ, формируется сигнал тревоги размыканием электрической цепи. Для увеличения достоверности сигнал тревоги формируется при превышении заданного уровня у нескольких импульсов за короткий промежуток времени (время накопления импульсов). Полученная информация позволяет оценить величину и место деформации контролируемого объекта (5O). В качестве клея (хрупкого материала) используют эпоксидную смолу без добавления пластификатора, а в качестве датчика АЭ используется сенсорное оптическое волокно (распределенный чувствительный элемент - 4РЧЭ), работающее в многомодовом режиме. Источник и приемник оптического излучения запитаны от блоков питания (1БП). Конструктивно система мониторинга выполнена в виде двух функционально законченных герметичных блоков в модульном исполнении (блок излучателя, блок приема и регистрации), которые соединяются между собой распределенным чувствительным элементом (РЧЭ).

Были проведены многочисленные испытания заявляемого способа, с применением волоконно-оптической системы «СОВА» (http://www.hcbet.ru/index/volokonno_opticheskaja_sistema_tso_sova/0-14, http://www.pandia.ru/text/77/400/72984.php). Данная система позволяет контролировать пластическую деформацию протяженных объектов (до 1 км), по всей длине оптического волокна. Экспериментальные результаты показали высокую чувствительность заявляемого способа при определении пластической деформации крупных объектов, простоту реализации, технологичность, и экономическую эффективность, по сравнению с зонными методами акустической эмиссии.

Далее приведены некоторые результаты одного из экспериментов.

1. «Время накопления» импульсов, превышающих установленный «порог чувствительности»: 5, 10, 15, 20 с.

2. «Количество импульсов» за «время накопления»: 1, 2, 3, 4 шт.

3. После регистрации срабатывания формировалась пауза 200 мс (запрет считывания) для борьбы с колебательным процессом в оптическом кабеле.

4. Установка «времени накопления» импульсов и «количество импульсов» производилась двухпозиционным DIP переключателем.

Количество срабатываний Время наблюдения с момента первого срабатывания (с)
00 1 00 5
01 2 01 10
10 3 10 15
11 4 11 20

Краткое описание рисунка

На фигуре 1 изображена упрощенная структурная схема волоконно-оптического акустико-эмиссионного устройства для регистрации пластической деформации крупных инженерных сооружений, с применением охранной системы «Сова».

1 БП - блоки питания (2 шт.),

2 ОИ - оптический излучатель,

3 УВ - устройство ввода оптического сигнала,

4 РЧЭ - распределенный чувствительный элемент, покрытый хрупким затвердевшим клеем, обеспечивающим крепление датчика (РЧЭ) на объекте,

5 О - исследуемый объект (в эксперименте - бетонная балка на двух опорах),

6 ПФ - пространственный фильтр,

7 БПр - блок приема оптического излучения,

8 БО - блок обработки,

9 Н - нагрузка,

10 АЭ - наиболее вероятные зоны возникновения акустической эмиссии.

Оптоволоконный акустико-эмиссионный способ контроля пластических деформаций на ранних стадиях образования дефектов больших инженерных сооружений, включающий нанесение тензочувствительного материала, его отвердение и последующее определение зон опасных пластических деформаций по образующимся трещинам в хрупком материале, отличающийся тем, что генерируемые при растрескивании хрупкого материала сигналы акустической эмиссии фиксируются электронным блоком обработки сигналов, а для приема сигналов акустической эмиссии используют оптическую аппаратуру, включающую блок оптического излучения и блок приема и регистрации, которые соединяются между собой распределенным чувствительным элементом на базе оптического волокна, закрепленного на инженерном сооружении с помощью клейкого покрытия, нанесенного непосредственно на чувствительное оптическое волокно и обладающего большой хрупкостью после затвердевания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. В распределенном датчике, предназначенном для измерения переменного параметра среды, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде заключенного в оболочку оптического волокна и предназначенный для помещения в упомянутую среду, и оптически соединенный с волокном через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера и модулятора, формирующего периодическую последовательность импульсных тестирующих сигналов, и приемник рассеянного излучения, преобразующий рассеянное оптическое излучение в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, соединенный с блоком управления и синхронизации, соединенным с источником периодической последовательности оптических импульсов, блок обработки содержит частотный фильтр с полосой пропускания индуцируемых средой в чувствительном элементе колебаний в частотном диапазоне измеряемого параметра, при этом частотный фильтр может быть выполнен в виде набора сменных частотных фильтров с разными полосами пропускания, предназначенных для измерения разных переменных параметров среды, или в виде набора частотных фильтров с разными полосами пропускания, предназначенных для формирования набора полос пропускания в частотных диапазонах, характерных исключительно для измеряемого переменного параметра среды, в частности, для измерения температуры фильтр выполнен с диапазоном пропускания от 0 до 25 Гц, для измерения виброаккустических характеристик фильтр выполнен с диапазоном пропускания от 25 Гц до 1 кГц.
Изобретение относится к компьютерной технике и может быть использовано для создания и организации работы беспроводной компьютерной сети. Техническим результатом является то, что в каждом беспроводном канале связи этой беспроводной компьютерной сети для передачи данных используется видимый свет и при этом не используется модуляция с использованием изменения параметров излучения, производимого искусственными источниками видимого света.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к способам измерения вибрации поверхности морских объектов. С помощью когерентной РЛС или когерентного сонара, работающих в ультразвуковом диапазоне, облучают вибрирующую поверхность.

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам контроля местоположения работников на железной дороге. Способ определения интересующего местоположения в области содержит этапы, на которых размещают по меньшей мере первый акустический источник в первом положении в интересующем местоположении и второй акустический источник во втором положении в интересующем местоположении, причем по меньшей мере одно из первого и второго положений представляет внешнюю протяженность интересующего местоположения, активируют по меньшей мере первый акустический источник и второй акустический источник для формирования заданного акустического выходного сигнала, выполняют распределенное акустическое измерение по меньшей мере для одного оптического волокна, размещенного по меньшей мере частично в упомянутой области, и анализируют акустические сигналы, обнаруженные посредством упомянутого распределенного акустического измерения, для обнаружения упомянутой заданной акустической последовательности и определения местоположения упомянутых по меньшей мере первого акустического источника и второго акустического источника.

Изобретение относится к устройствам виброакустического мониторинга внешних воздействий на трубопровод. Заявленное волоконно-оптическое устройство мониторинга трубопроводов содержит два объединенных в одну систему независимых рефлектометра, каждый из которых подключен к разным оптическим волокнам волоконно-оптической линии, при этом рефлектометр содержит лазерный источник непрерывного излучения, соединенный с модулятором интенсивности оптического излучения, циркулятор, один из выходов которого соединен с волоконно-оптической линией, первый и второй эрбиевые усилители, формирователь прямоугольных электрических импульсов, фотоприемник, выполненный в виде балансного детектора с дифференциальным усилителем, волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера, причем рефлектометр содержит фазовый модулятор, генератор тактовых импульсов, генератор прямоугольных электрических импульсов, при этом вход управления модулятора интенсивности оптического излучения соединен с выходом генератора прямоугольных электрических импульсов, который соединен с генератором тактовых импульсов, также модулятор интенсивности оптического излучения соединен с волоконно-оптическим интерферометром Маха-Цендера, имеющим разность плеч ΔL=Vg⋅Δt, где Vg - групповая скорость излучения в оптическом волокне, Δt - время задержки волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера, при этом волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера соединен с первым эрбиевым усилителем, на одном из плеч волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера установлен фазовый модулятор, причем вход фазового модулятора соединен с выходом формирователя прямоугольных электрических импульсов, соединенного с генератором тактовых импульсов, выход первого эрбиевого усилителя соединен с входом циркулятора, второй выход которого соединен со вторым эрбиевым усилителем, при этом второй эрбиевый усилитель также соединен с фотоприемником, выход которого соединен с входом устройства обработки сигнала.

Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера содержит источник излучения, чувствительный элемент и разветвитель, первую и вторую дифракционные решетки Брэгга и фотоприемник.

Автоколлимационный способ контроля ошибки стабилизации оптических стабилизаторов относится к области контроля параметров стабилизации и вибрации и может быть использован для проверки ошибки стабилизации и виброустойчивости стабилизаторов оптических систем прицельно-наводящих комплексов летательных аппаратов.

Устройство контроля напряженно-деформируемого состояния конструкции летательного аппарата содержит измерительные каналы на волоконно-оптических брегговских датчиках, измерительные каналы многовитковых волоконно-оптических датчиков на внутрисветовом эффекте Доплера, блок волоконно-оптической коммутации, блок источника света, блок спектрального анализа, блок хранения и анализа информации, соединенные определенным образом.

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано для измерения параметров трубопроводов, в частности определения собственных частот колебаний трубопровода при пинг-тесте.

Раскрыты способ и устройство для определения саморасцепа железнодорожного состава, когда один или более железнодорожных вагонов/пассажирских вагонов (401) случайно расцепляются от остальной части железнодорожного состава.

Изобретение относится к устройствам для контроля поверхности цилиндрических объектов и, в частности, может быть использовано в производстве ядерного топлива при контроле внешнего вида торцевой поверхности топливных таблеток.

Изобретение относится к вспомогательным приспособлениям контрольно-измерительной техники и может быть использовано для повышения точности измерений деформаций при статических и повторно-статических испытаниях образцов на растяжение, сжатие и изгиб в особенности при многоосевом нагружении образца.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения напряжений и перемещений, связанных с деформацией объектов. Волоконно-оптический тензометрический датчик состоит из оптического волокна, покрытого металлом, двух волоконных брэгговских решеток (ВБР), защитной трубки и корпуса датчика.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения напряжений и перемещений, связанных с деформацией объектов. Волоконно-оптический тензометрический датчик состоит из оптического волокна, покрытого металлом, двух волоконных брэгговских решеток (ВБР), защитной трубки и корпуса датчика.

Изобретение относится к устройствам для регистрации сигналов от набора датчиков физических величин на внутриволоконных решетках Брэгга в системах встроенного неразрушающего контроля.

Изобретения относятся к медицине. Способ калибровки интервенционного медицинского инструмента осуществляют с помощью системы калибровки интервенционного медицинского инструмента.

Заявленная группа изобретений относится области для измерения формы и/или положения связанного объекта в пространстве. Заявленное изобретение состоит из оптической системы, содержащей оптические волокна, имеющие одну или более сердцевин оптического волокна с одной или более волоконными брэгговскими решетками, проходящими вдоль всей длины, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта.

Устройство контроля напряженно-деформируемого состояния конструкции летательного аппарата содержит измерительные каналы на волоконно-оптических брегговских датчиках, измерительные каналы многовитковых волоконно-оптических датчиков на внутрисветовом эффекте Доплера, блок волоконно-оптической коммутации, блок источника света, блок спектрального анализа, блок хранения и анализа информации, соединенные определенным образом.

Способ исследования термических напряжений, возникающих в твердом материальном теле, поляризационно-оптическим методом включает в себя следующие этапы. Модель из пьезооптического материала нагревают локальным тепловым потоком.

Изобретение относится к определению скорости распространения поверхностной волны. Устройство для определения скорости распространения поверхностной волны содержит источник когерентного света для формирования по меньшей мере первого и второго световых пятен на поверхности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала механического узла. Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер, содержит n оптических пар (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, причем прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной и грубой шкал. Технический результат - повышение разрешающей способности однодорожечного энкодера. 13 табл., 8 ил.

Изобретение относится к прогнозированию на ранней стадии возникновения дефектов в больших инженерных сооружениях и направлено на увеличение чувствительности при снижении аппаратурных затрат. Сигнал акустической эмиссии генерируется с помощью хрупкого затвердевающего клея, а регистрируется с применением многомодового волоконно-оптического распределенного датчика. Клей наносится на оптическое волокно, которое выполняет функцию распределенного чувствительного элемента, при его монтаже на инженерное сооружение. После затвердевания клей становится хрупким и не только фиксирует оптическое волокно на объекте, но и генерирует сигнал АЭ при его растрескивании, в случае возникновения пластической деформации контролируемого объекта. Такой способ обладает очень высокой чувствительностью, поскольку сигнал АЭ возникает в непосредственной близости от датчика. Поэтому акустико-эмиссионная волна, практически не ослабленная, почти полностью преобразуется в оптический, а затем в электрический сигнал. Распределенный датчик, приклеенный к инженерному сооружению, регистрирует малейшую пластическую деформацию, которая приводит к растрескиванию хрупкого слоя - затвердевшего клея, нанесенного непосредственно на оптоволокно, по всей его длине. Технический результат заключается в расширении частотного спектра регистрируемых сигналов, возможности обнаружения на ранней стадии участков, на которых может произойти разрушение контролируемого объекта, возможности проведения постоянного дистанционного мониторинга. 1 ил.

Наверх