Способ измерения деформаций

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для нахождения функций распределения осевых деформаций. Способ измерения деформаций включает измерение функции пространственного распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками посредством измерения информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками. Искомую функцию распределения осевых деформаций находят как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-рода, описывающего функционирование оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками, при этом брэгговскую решетку выполняют слабоотражающей и протяженной вдоль оптического волокна. Технический результат заключается в расширении диапазона и повышении точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для нахождения функций распределения осевых деформаций, в частности, в аэрокосмической технике, нефтегазовой промышленности и медико-биологических исследованиях.

При разработке современных оптоволоконных сенсорных систем с брэгговскими решетками для диагностирования пространственных неоднородных полей деформирования, в частности, внутри полимерных композитных конструкций актуальной остается проблема «расшифровки» сложных информативных оптических сигналов отражения от системы неоднородно деформированных брэгговских решеток с взаимопересекающимися спектрами отражения.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ измерения деформации конструкции из композиционного материала, согласно которому вначале измеряют спектр (в частности, положение пиков) интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками, далее, размещают оптическое волокно с брэгговскими решетками внутри композиционного материала или элемента конструкции в процессе его изготовления. Затем измеряют спектр (в частности, положение пиков) и смещения пиков интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками, по значениям которых определяют искомую функцию распределения осевой деформации по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками из решения системы алгебраических уравнений, описывающих математическую модель оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками и функциональные зависимости параметров конструкции, с внедренным в нее оптоволокном и нагруженной эксплуатационными термосиловыми воздействиями (патент RU №2427795 от 27.08.2011), Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ измерения деформации, включающий измерение функции пространственного распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками посредством измерения информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками.

Недостатками известного способа измерения деформации, принятого за прототип, является узкий диапазон и невысокая точность результатов измерения функции распределения осевой деформации для протяженных участков контроля, что обусловлено требованием наличия большого числа различных локальных брэгговских решеток, рабочие частотные диапазоны (спектры и, в частности, положения пиков) которых не должны пересекаться между собой.

Задачей изобретения является расширение диапазона и повышение точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерения деформаций, включающем измерение функции пространственного распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками посредством измерения информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками, согласно изобретению искомую функцию распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками находят как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-рода, описывающего функционирование оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками, при этом брэгговскую решетку выполняют слабоотражающей и протяженной вдоль оптического волокна.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - искомую функцию распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками находят как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-рода, описывающего функционирование оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками; брэгговскую решетку выполняют слабоотражающей и протяженной вдоль оптического волокна.

Такой способ измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля позволяет использовать результаты измерений полного информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками (не ограничиваясь лишь информативными значениями резонансных частот для пиков). Благодаря этому достигается заявленный технический результат: расширение диапазона и повышение точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля.

Расширение диапазона результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля обуславливается допустимостью пересечений (в том числе, однородностью) рабочих частотных диапазонов информативных спектров интенсивностей отраженных световых волн от локальных участков оптического волокна с брэгговскими решетками.

Распределенный и слабоотражающий характер используемых брэгговских решеток (в частности, объединенных в одну непрерывную однородную брэгговскую решетку) позволяет перейти от измерения функции распределения осевых деформаций для локальных участков контроля (на локальных участках размещения брэгговских решеток) к измерению функции распределения осевых деформаций для протяженного непрерывного участка контроля, в частности, вдоль всего оптического волокна, в результате повышается точность измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют расширить диапазон и повысить точность результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 дано взаимное расположение сферического дефекта и участка с распределенной брэгговской решеткой (пунктирная линия) оптоволокна, где интенсивности проходящей I_D и отраженной I_R составляющих входящего I₀ светового потока, коэффициент отражения , величина всестороннего растяжения σ области со сферическим дефектом, координатные оси r_1,2,3.

На фиг. 2 даны зависимости коэффициента отражения от длины волны λ входящего в оптоволокно света I₀ для нагруженной среды с дефектом на расстоянии z₀/a=1.1 (Δ), 1.001 , 0.5 , 0 (о), без дефекта , для ненагруженной среды при относительной длине брэгговской решетки .

На фиг. 3 дана найденная функции плотности распределения осевых деформаций ƒ_ε(e) для случаев отсутствия дефекта и наличия сферического дефекта на расстоянии z₀/a=1.1 при длине брэгговской решетки .

Способ измерения деформаций осуществляется в следующей последовательности.

Для осуществления способа используют оптическое волокно с протяженной слабоотражающей брэгговской решеткой.

Волоконная брэгговская решетка представляет собой оптический интерферометр, встроенный в оптическое волокно, в частности, - это периодическое изменение с периодом Λ₀ показателя преломления в сердцевине одномодового оптического волокна. В результате, интенсивность входящей в оптическое волокно волны I₀ с брэгговской центральной длиной λ₀ имеет как проходящую I_D, так и отраженную I_R составляющие, при этом коэффициент отражения .

Способ измерения деформаций предполагает, что спектры отражения от различных фрагментов неоднородной деформированной брэгговской решетки перекрываются и слабоотражательный характер решеток позволяет допустить линейное суммирование коэффициентов отражения от различных локальных малых участков однородности в целом неоднородной деформированной брэгговской решетки для каждой длины волны входящего в оптоволокно света.

Искомая функция распределения ƒ_ε(е) осевых деформаций ε по длине оптоволоконного датчика с распределенной слабоотражающей брэгговской решеткой находится как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода

по результатам измеряемых значений производной для коэффициентов отражения на «входе/выходе» оптоволокна по длине λ входящих в оптоволокно волн, где искомая функция , ядро Фредгольма рассчитывают через известную функцию коэффициентов отражения для некоторой «базовой» однородной решетки (длиной ) с центральной длиной волны отраженного света λ₀ и длиной падающей световой волны λ. При этом в начальном недеформированном состоянии базовая распределенная брэгговская решетка имеет постоянный по длине оптоволокна период, но в результате появления неоднородных по длине оптоволокна диагностируемых осевых деформаций ε(z) базовая однородная распределенная брэгговская решетка трансформируется в неоднородную по оси z оптоволокна решетку, что обуславливает соответствующие информативные изменения коэффициентов отражения для различных длин λ входящих в оптоволокно волн.

Указанный технический результат, а именно расширение диапазона и повышение точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля, подтвержден результатами численного моделирования и анализом закономерности влияния на информативные изменения коэффициентов отражения света на входе/выходе из оптоволокна для различных модельных и реальных законов распределения диагностируемых осевых деформаций по длине датчика.

Реализация предлагаемого способа представлена на фиг. 1-3 для случая нахождения функций плотностей распределений осевых деформаций (вдоль распределенной брэгговской решетки оптоволокна) в окрестности сферического дефекта (поры) с радиусом а в деформируемой среде при ее всестороннем растяжении.

Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет расширить диапазон и повысить точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля по сравнению с известным техническим решением.

Способ измерения деформаций, включающий измерение функции пространственного распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками посредством измерения информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками, отличающийся тем, что искомую функцию распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками находят как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-рода, описывающего функционирование оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками, при этом брэгговскую решетку выполняют слабоотражающей и протяженной вдоль оптического волокна.