Содержание к диссертации
Введение
Глава. 1. Обзор современной литературы 11
1.1. Методы неразрушающего контроля композитных материалов 11
1.1.1. Существующие методы неразрушающего контроля композитных материалов 15
1.1.2. Преимущества и недостатки встраивания датчиков в материал 18
1.1.3. Текущая тенденция применения волоконно-оптических датчиков для осуществления неразрушающего контроля в композитных материалах 20
1.2. Основные схемы волоконно-оптических измерительных систем 28
1.3. Источники излучения, использующиеся для опроса волоконно-оптических измерительных систем 44
1.3.1. Полупроводниковые лазерные источники 44
1.3.2. Полупроводниковые лазерные источники VCSEL 48
Выводы по главе 1 54
Глава. 2. Поиск путей создания волоконно-оптического регистратора сигналов акустической эмиссии в графит-эпоксидном композитном материале 57
2.1. Создание и исследование нового метода опроса двухлучевого интерферометра 58
2.2. Исследование возможности создания вспомогательной фазовой модуляции для предложенного метода опроса двухлучевого интерферометра 64
Выводы по главе 2 71
Глава 3. Экспериментальное исследование волоконно-оптического регистратора сигналов акустической эмиссии в композитном графит-эпоксидном материале 73
3.1. Создание вспомогательной фазовой модуляции в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемом с помощью предложенного метода 73
3.2. Экспериментальное исследование волоконно-оптического датчика акустической эмиссии 80
3.3. Оценка влияния встраивания разрабатываемого волоконно-оптического датчика в структуру композитной графит-эпоксидной пластины на его чувствительность к внешним воздействиям 87
Выводы по главе 3 92
Глава 4. Метод измерения деформаций с помощью с помощью предложенного метода импульсного опроса и волоконно-оптического интерферометра Фабри Перо 94
4.1. Математический анализ предлагаемого метода и определение требований, предъявляемых к системам измерения деформаций 95
4.2. Принцип работы метода измерения деформаций 97
4.3. Компьютерное моделирование метода измерения деформаций конструкционных элементов из композитного графит-эпоксидного материала с помощью предложенного метода импульсного опроса и волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо 100
4.4. Экспериментальное исследование метода измерения деформаций 106
Вывод по главе 4 112
Заключение 115
Основные выводы и результаты исследования 118
Список сокращений 120
Список используемой литературы 122
Список работ автора 139
- Текущая тенденция применения волоконно-оптических датчиков для осуществления неразрушающего контроля в композитных материалах
- Исследование возможности создания вспомогательной фазовой модуляции для предложенного метода опроса двухлучевого интерферометра
- Оценка влияния встраивания разрабатываемого волоконно-оптического датчика в структуру композитной графит-эпоксидной пластины на его чувствительность к внешним воздействиям
- Экспериментальное исследование метода измерения деформаций
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Последние несколько десятилетий все более активно применяются различные композитные материалы, получившие широкое распространение в таких отраслях как космо- и авиастроение, архитектура, судостроение и многих других, что обусловлено большим количеством преимуществ современных композитных материалов перед металлами. Например, графит-эпоксидные композитные материалы обладают характеристиками прочности и жесткости, аналогичными высококачественным сталям, но при этом вес композита составляет не более двадцати процентов от веса сталей, а также обладают нулевым или почти нулевым коэффициентом теплового расширения.
Из-за сложной структуры композитных материалов, прогноз их поведения в
процессе эксплуатации и при появлении дефектов очень затруднен, поэтому
для контроля характеристик композитных материалов широко применяются
различные методы неразрушающего контроля. Использование методов
неразрушающего контроля позволяет оценивать эксплуатационные
характеристики материалов, определять местоположение возникающих дефектов и степень их критичности и тем самым позволяет предотвращать преждевременное разрушение композитного материала.
Существует большое количество методов неразрушающего контроля, позволяющих производить контроль как поверхности материала, так и его внутренней структуры. Наиболее информативным методом неразрушающего контроля, позволяющим производить пассивный контроль всей структуры материала, считается метод акустической эмиссии, который заключается в регистрации акустических сигналов возникающих при нарушении физических свойств исследуемых материалов, т.е. возникает акустико-эмиссионный сигнал, вызванный необратимой деформацией и разрушением внутренней структуры материала, в частности разрывом одной или нескольких армирующих нитей. При регистрации сигналов акустической эмиссии, в зависимости от их количества принимается решение либо о выводе детали из эксплуатации, либо
4 о продолжении ее эксплуатации, если величина отклонения показаний
находится в допустимых пределах.
В качестве регистраторов акустической эмиссии ранее применялись традиционные пьезоэлектрические преобразователи, но из-за недостатков пьезоэлектрических преобразователей, таких как подверженность электромагнитным воздействиям, необходимость электрического питания, относительно большие размеры, проблематичность встраивания в структуру композитного материала и сложность мультиплексирования, все больше систем акустико-эмиссионного контроля создаются на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД), лишенных этих недостатков. Кроме того, малые размеры волоконно-оптических датчиков позволяют производить их встраивание в структуру композитных материалов практически без изменения прочностных характеристик композитных графит-эпоксидных материалов.
Целью настоящей работы является создание метода и аппаратуры для регистрации акустической эмиссии и деформаций композитного графит-эпоксидного материала на основе анализа амплитудно-фазовых характеристик сигнала волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ существующих методов и аппаратуры используемых для регистрации акустической эмиссии и деформаций композитного графит-эпоксидного материала и используемых для этих целей волоконно-оптических регистраторов;
выбрать оптимальную оптическую схему регистратора сигналов акустической эмиссии и создать метод ее опроса;
исследовать возможность применения полупроводникового поверхностно излучающего лазерного источника с вертикальным резонатором для предложенного метода опроса и создания с помощью него вспомогательной фазовой модуляции в регистраторе, построить компьютерную модель;
создать экспериментальный образец волоконно-оптического регистратора сигналов акустической эмиссии, возникающих в композитном графит-
5 эпоксидном материале при возникновении в нем дефектов и провести
экспериментальное исследование возможности регистрации акустических
сигналов от источников, выделенных в первой главе диссертации;
- создать, исследовать и реализовать метод измерения растяжений-сжатий
конструкционных элементов из композитного графит-эпоксидного материала с
помощью предложенного метода импульсного опроса и волоконно-оптического
интерферометра Фабри-Перо.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
-
Предложен и реализован оригинальный метод опроса волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, позволяющий производить гомодинирование несущей с модуляцией по фазе (пат. №RU 2624837 от 01.04.2016). Предложенный метод обеспечивает возможность измерения интенсивности интерференционного оптического сигнала, приходящего с волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо. Демодуляция полученного интерференционного сигнала осуществляется с помощью существующих алгоритмов, отличительной особенностью которых является отсутствие зависимости между амплитудой выходного сигнала и положением рабочей точки интерферометра. Таким образом, предлагается решить проблему необходимости стабилизации рабочей точки интерферометра, изменяющейся при внешних воздействиях на интерферометр Фабри-Перо, для получения достоверных и воспроизводимых значений амплитуды выходного фазового сигнала.
-
Построена компьютерная модель и реализован метод создания вспомогательной фазовой модуляции в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемого с помощью предложенного импульсного метода. Вспомогательная фазовая создавалась с помощью частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно излучающего лазерного источника с вертикальным резонатором.
-
Экспериментально исследован образец волоконно-оптического регистратора сигналов акустической эмиссии, основанный на детектировании
6 изменения разности фаз в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо,
опрашиваемом предложенным импульсным методом. Амплитуда выходного сигнала регистратора не зависит от положения рабочей точки интерферометра и флуктуаций мощности оптического излучения, что обеспечивает воспроизводимость от измерения к измерению и сохраняемость амплитуд получаемых фазовых сигналов в течении времени измерения.
4. Предложен, реализован и экспериментально исследован метод измерения
относительных удлинений конструкционных элементов из композитного
графит-эпоксидного материала посредством измерения оптической разности
хода лучей в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо,
закрепленного на их поверхности. Предложенный метод позволяет производить
измерения постоянных и переменных относительных удлинений
конструкционных элементов в реальном времени вместе с их акустико-эмиссионным контролем с помощью единственного волоконно-оптического регистратора с СКО собственных шумов экспериментального образца не превышающим 10 мкм/м.
Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Разработан, создан и исследован оригинальный метод импульсного опроса волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, позволяющий производить гомодинирование несущей с модуляцией по фазе и как следствие использовать алгоритмы демодуляции не чувствительные к положению рабочей точки интерферометра и флуктуациям оптической мощности оптического излучения.
-
Построена компьютерная модель, реализован и исследован метод создания вспомогательной фазовой модуляции с помощью полупроводникового поверхностно излучающего лазерного источника с вертикальным резонатором в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемом предложенным методом. Использован алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления функции арктангенса не
7 чувствительный к положению рабочей точки интерферометра и флуктуациям
оптической мощности оптического излучения.
-
Создан и экспериментально исследован образец волоконно-оптического регистратора сигналов акустической эмиссии, основанный на детектировании изменения разности фаз в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемом предложенным импульсным методом. В результате экспериментального исследования, было получено соотношение сигнал/шум величиной, превышающее 10 дБ от воздействия имитатора сигналов акустической эмиссии Су-Нильсена на пластину из графит-эпоксидного композитного материала в полосе частот от 10 до 210 кГц. Собственные шумы экспериментального образца составили 15 мкрад/Гц.
-
Разработан, создан и исследован метод измерения растяжений-сжатий конструкционных элементов из композитного графит-эпоксидного материала с помощью измерения оптической разности хода лучей в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо. Предложенный метод позволяет производить измерения постоянных и переменных относительных удлинений конструкционных элементов в реальном времени вместе с их акустико-эмиссионным контролем с помощью единственного волоконно-оптического регистратора с СКО собственных шумов экспериментального образца не превышающим 10 мкм/м.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Метод импульсного опроса волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, позволяющий производить гомодинирование несущей с модуляцией по фазе.
-
Зарегистрированы сигналы изменения разности фаз в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемом предложенным методом с применением вспомогательной фазовой модуляции на основе частотно-импульсной модуляции VCSEL, от воздействия имитатора сигналов акустической эмиссии Су-Нильсена на пластину из графит-эпоксидного
8 композитного материала с соотношением сигнал/шум более 10 дБ в полосе
частот от 10 до 210 кГц.
-
Метод измерения оптической разности хода лучей в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемом предложенным импульсным методом, для оценки величины растяжений-сжатий конструкционных элементов из композитного графит-эпоксидного материала, позволивший зарегистрировать деформацию в полосе частот до 25 кГц.
-
Получена экспериментальная зависимость амплитуды фазовой модуляции с помощью предложенного метода импульсного опроса и волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо от величины деформации пластины из композитного графит-эпоксидного материала в диапазоне относительных удлинений оптического волокна до 800 мкм/м со среднеквадратичным отклонением собственных шумов измерительной схемы, не превышающим 10 мкм/м.
Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением их с ранее опубликованными экспериментальными данными, использованием традиционных методов измерений деформаций и генерации сигналов акустической эмиссии, а также использованием стандартного оборудования.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III и IV Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, РФ, 2013-2015); на XLIV, XLV, XLVI научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург, РФ, 2014-2017); на международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2015» (Санкт-Петербург, РФ, 2015); на международной научно-практических конференции «Sensorica – 2015» (Санкт-Петербург, РФ, 2015).
Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования используются на кафедре Световодной фотоники Университета ИТМО при выполнении совместных работ с Инжиниринговым центром волоконной оптики АУ «Технопарк-Мордовия» и Научно-инновационным центром «Институт
9 развития исследований, разработок и трансферта технологий» ООО НИЦ
«ИРТ»
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях в журналах, входящих в список ВАК (из них 3, индексируемые базами цитирования Scopus и Web of Science). Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце диссертационной работы и составляет 11 наименований. По результатам диссертационного исследования получен 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 6 таблиц, список цитированной литературы представлен 193 наименованиями.
Текущая тенденция применения волоконно-оптических датчиков для осуществления неразрушающего контроля в композитных материалах
Подавляющее большинство волоконно-оптических систем контроля деформации композитных материалов основано на волоконных брэгговских решетках благодаря легкости их мультиплексирования, малым размерам и относительно низкой стоимости, что позволяет использовать большое количество датчиков для более точной оценки величины и характера деформаций [7–12]. Однако, также встречаются исследования, в которых ВБР использовались в качестве ультразвуковых датчиков [36–38].
В работе [7] приведено сравнение двух типов волоконно-оптических датчиков деформаций – на основе ВБР и низкокогерентного двухлучевого интерферометрического датчика длиной 20 мм. Были получены основные характеристики двух исследуемых волоконно-оптических датчиков: точность, чувствительность и динамический диапазон. При сравнении точности, динамического диапазона и частоты дискретизации датчиков, необходимо учитывать, что они существенно зависят от опрашивающей аппаратуры. Таким образом, самым показательным будет результат сравнения чувствительности двух датчиков. Чувствительность ВБР была оценена как минимально детектируемый сдвиг длины волны, величина которого составила 10 пм для используемого спектроанализатора FTB-5240. Сдвиг резонансной длины волны ВБР на 10-11 м соответствует относительному растяжению на 15 10-6. Чувствительность двухлучевого интерферометрического датчика так же оценивалась по минимально обнаружимому сигналу, что для уровня шумов используемого датчика в 60 мрад соответствует относительному растяжению на 0.6 10-6.
В работе [12] приведен пример использования ВБР для измерения деформаций структуры с целью ее неразрушающего контроля, также рассмотрена возможность использования ВБР в качестве ультразвукового датчика и способы ее защиты при встраивании в композитные материалы. Приведено два метода регистрации ультразвуковых сигналов.
В первом методе, были использованы две волоконные брэгговские решетки, опрашиваемые широкополосным лазерным источником. Первая ВБР с резонансной длиной волны 1550.28 нм находилась на поверхности композитного материала, а вторая с чуть меньшей длиной волны 1550.18 нм, была расположена на входе фотоприемника, регистрирующего изменение длины волны отражения первой ВБР относительно длины волны пропускания второй ВБР. Таким образом, при изменении прилагаемого напряжения на композитный материал, длина волны первой ВБР, расположенной на поверхности композитного материала, изменялась, что на фотоприемнике было представлено увеличением интенсивности при растяжении и уменьшением при сжатии.
Во втором методе, вместо двух ВБР использовалась только одна, а вместо широкополосного источника излучения – перестраиваемый лазерный диод. Длина волны лазерного диода (л на рис. 1.3) была настроена на полувысоту отражения ВБР. В таком случае, изменение интенсивности отраженного от ВБР света, регистрируемого на фотоприемнике (U), соответствует характеристике ультразвукового воздействия, в пределах участка, близкого к линейному [37].
В работе [10] приведено сравнение встроенного в материал внешнего волоконного интерферометра Фабри-Перо и ВБР для мониторинга деформаций и неразрушающего контроля композитного материала в процессе отверждения. Экспериментальное сравнение результатов с интерферометра Фабри-Перо и ВБР показало хорошую корреляцию результатов, получаемых с двух волоконных датчиков и подтвердило возможность их использования для систем неразрушающего контроля.
В работе [11] подробно рассмотрены возможности применения ВБР в системах неразрушающего контроля в авиастроении. А именно: в качестве датчика деформаций, для системы контроля изменения формы деформированного материала; в качестве датчика деформаций конструкции крыла; в системах обнаружения отрыва композитных заплат и контроля мест соединений; в качестве датчика обнаружения и локализации повреждений при столкновении с внешними объектами и т.д.
В работе [24] представлен волоконно-оптический интерферометрический датчик регистрации акустической эмиссии. Датчик представляет собой адаптивный интерферометр на основе динамической голограммы, сформированной в фоторефрактивном кристалле. Для оценки чувствительности предложенного интерферометрического датчика, его параметры контролировались эталонным пьезоэлектрическим преобразователем.
Исследуемый композитный материал представлял собой структуру из двенадцати слоев стеклянной ткани T-10P. Двенадцать оптических волокон диаметром 125 мкм были встроены в материал в процессе его изготовления, восемь из которых были расположены соосно с армирующими нитями и четыре перпендикулярно.
Для сравнения чувствительности четырех волоконно-оптических датчиков и четырех эталонных пьезоэлектрических преобразователей был использован имитатор Су-Нильсена [39]. В результате эксперимента, соотношение сигнал/шум первого эталонного пьезоэлектрического преобразователя составило порядка 45 дБ в максимуме детектируемого сигнала, в то время как сигнал/шум интерференционного датчика составил порядка 20 дБ также в максимуме детектируемого сигнала.
В работе [40] рассмотрен волоконно-оптический датчик акустической эмиссии, для определения появления трещин и определения их местоположения. Датчик представляет собой разбалансированный интерферометр Майкельсона, часть опорного плеча которого намотана на пьезоэлектрический преобразователь для поддержания рабочей точки интерферометра в состоянии квадратуры. В работе сравнивались сигналы от источника Су-Нильсена, регистрируемые опорным пьезоэлектрическим датчиком и исследуемым волоконно-оптическим интерферометрическим датчиком. Из приведенных результатов можно сделать вывод о том, что сигналы, принимаемые опорным и исследуемым датчиками, совпадают по форме и длительности, однако отношение сигнал/шум интерферометрического датчика хуже примерно на 25 дБ.
В работе [41] рассмотрен волоконно-оптический датчик акустической эмиссии основанный на интерферометре Фабри-Перо. Интерферометр был сформирован из двух ВБР шириной порядка 2 мм с одинаковой резонансной длиной волны, записанных в оптическое волокно на расстоянии приблизительно 1 см друг от друга. Для оценки работоспособности предложенного волоконно-оптического датчика использовался имитатор АЭ Су-Нильсена, в качестве контрольного устройства был использован пьезоэлектрический преобразователь. В результате экспериментального исследования, был получено отношение сигнал/шум для волоконно-оптического датчика – порядка 10 дБ и для опорного пьезоэлектрического – порядка 35 дБ.
В работе [42] рассмотрены две волоконно-оптических системы неразрушающего контроля, первая для регистрации АЭ, а вторая для контроля деформации. В системе контроля деформаций чувствительным элементом является ВБР, а низкодобротный интерферометр Фабри-Перо внешнего типа использовался во второй системе для регистрации сигналов акустической эмиссии.
Принцип работы системы регистрации сигналов АЭ заключается в следующем: резонатор Фабри-Перо был сформирован двумя сколотыми под 90 торцами оптических волокон для получения Френелевского отражения – 4% и вклеенных в капиллярную трубку на расстоянии 300 мкм друг от друга (L на рис. 1.4). Интерферометр опрашивается широкополосным лазерным источником, который работает в импульсном режиме. Оптический импульс из резонатора попадает через циркулятор в волоконный разветвитель 1x2, выходные порты которого подсоединены к двум разветвителям 2х1. Эти разветвители обеспечивают проход оптического импульса из резонатора сначала к двум ВБР с разными резонансными длинами волн, а затем к двум фотоприемникам (рис. 1.4).
Для оценки чувствительности предлагаемого датчика было проведено экспериментальное исследование возможности детектирования сигнала от имитатора Су-Нильсена. В результате исследования был зарегистрирован акустический сигнал от имитатора Су-Нильсена, величина соотношения сигнал/шум которого составила примерно 12 дБ.
В работе [43] описан еще один пример создания датчика АЭ на основе внешнего резонатора Фабри-Перо. Также как и в предыдущей работе [42], для избавления зависимости чувствительного интерферометрического элемента от рабочей точки предлагается использовать два сигнала с разностью фаз /2, но вместо ВБР используется демультиплексор длин волн. В качестве источника излучения был использован широкополосный источник излучения с диапазоном длин волн излучения от 1530 до 1600 нм. Конструкция чувствительного элемента повторяет конструкцию описанную в работе [42], с тем отличием что длина резонатора равна 18 мкм. Для получения двух квадратурных сигналов на фотоприемниках, были использованы фильтры демультиплексора на длинах волн 1543.73 и 1560.61 нм. Для оценки возможности детектирования сигналов акустической эмиссии предложенным датчиком использовался имитатор Су-Нильсена, в качестве опорного устройства использовался пьезоэлектрический преобразователь. В результате проведенного исследования сравнивались сигналы, полученные с опорного пьезоэлектрического датчика и исследуемого интерферометрического датчика. Было сделано заключение о возможности детектирования сигналов акустической эмиссии исследуемым датчиком на основе внешнего резонатора Фабри-Перо на частотах до 300 кГц, а разрешение удлинения резонатора составило 9.4 нм.
В работе [44] исследован распределенный волоконно-оптический датчик акустической эмиссии для контроля больших структур, основанный на двойном интерферометре Маха-Цендера с длиной опорного и чувствительного плеч 20 км.
Предложенный волоконно-оптический датчик предназначен как для детектирования сигнала АЭ, так и для определения его местоположения. Принципиальная схема предложенного волоконно-оптического распределенного датчика представлена на рис. 1.5.
Исследование возможности создания вспомогательной фазовой модуляции для предложенного метода опроса двухлучевого интерферометра
Для регистрации сигналов акустической эмиссии, длина чувствительного элемента должна быть кратна половине длины акустической волны максимальной регистрируемой частоты [166,167]. Исходя из этого, можно выразить зависимость длины чувствительного элемента от длины волны акустической волны для получения максимальной чувствительности:
Условие ограничивающее длину ЧЭ обусловлено ухудшением чувствительности и появлением направленности датчика при прохождении акустической волны вдоль чувствительного элемента, при его размерах, превышающих половину длины волны измеряемого акустического сигнала. Ухудшение чувствительности вызвано, соразмерностью чувствительного элемента с длиной акустической волны, что приведет к тому, что он попадет в акустическое поле и с положительной и с отрицательной фазой, влияние которых на чувствительный элемент частично или полностью скомпенсируют друг друга.
Исходя из литературных данных, высокочастотные акустические волны быстро затухают в композитных материалах, звукопоглощение пластмасс и композитов ограничивает возможные частоты детектирования акустико-эмиссионных сигналов до частот, не превышающих 500 кГц [22]. Для таких металлов как алюминий, сталь или титан, зачастую могут быть зарегистрированы частоты вплоть до 1 МГц. Для свинца и меди максимально обнаружимые частоты не превышают 500 кГц; для пластмасс и композитных материалов, максимально обнаружимые частоты составляют порядка 210 кГц [22]. Ввиду большого количества различных шумов в низкочастотной области (до 10 кГц) [168] и высокую частоту регистрируемых акустико-эмиссионных сигналов, имеет смысл ограничить рабочую полосу частот до диапазона от 10 до 210 кГц.
При скорости продольной волны в композитном графит-эпоксидном материале (Gr/Ep) порядка 3000 м/с и поперечной порядка 2000 м/с [169–171], длина волны на частоте 200 кГц при скорости 3000 м/с, будет порядка 14 мм. Это означает, что для приема продольных и поперечных акустических волн, и обеспечения максимальной чувствительности волоконно-оптического датчика, длина чувствительного элемента должна быть порядка 7 мм. Разница оптических путей интерферирующих лучей (Lопт), при использовании метода импульсного опроса волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, будет соответствовать произведению удвоенной длины чувствительного элемента и эффективного показателя преломления сердцевины оптического волокна (Lопт = 20.3 мм).
Для опроса датчика может быть применен коммерчески доступный полупроводниковый лазерный источник VCSEL производства фирмы RAYCAN. Его основные характеристики приведены в таблице 2.1.
Из выражения (20) следует, что длина когерентности данного VCSEL составляет порядка 37 мм, что позволяет использовать его для опроса разбалансированных интерферометров с величиной рассогласования не более 37 мм при контрасте интерференционной картины 50%. Для предложенного метода опроса двухлучевого интерферометра с контрастом 50% такой лазерный источник может быть использован при длинах чувствительного элемента вплоть до 13 мм.
Для создания вспомогательной фазовой модуляции полупроводниковым лазерным источником VCSEL предлагается использовать частотно-импульсную модуляцию для изменения длины волны излучения VCSEL по гармоническому закону с амплитудой достаточной для использования метода гомодинной демодуляции сигналов, описанного в работах [59,132].
Как было показано в работе [163], центральная длина волны VCSEL изменяется в течении подаваемого на него токового импульса из-за прогрева активной области и резонатора, сформированного брэгговскими отражателями, в результате протекания через них тока.
Известна зависимость фазы интерференционного сигнала от величины рассогласования интерферометра и центральной длины волны, определяемая выражением: Л где Lопт - разница оптических путей интерферирующих лучей в интерферометре, - центральная длина волны излучения опрашивающего источника излучения. При изменении длины волны источника в процессе нагрева, будет происходить изменение фазы, что в результате изменения длины волны источника на величину приведет к изменению фазы интерферометра на величину , связанных следующим выражением: Л2 где и - изменение фазы интерферометра и изменение длины волны источника излучения соответственно.
Для создания вспомогательной фазовой модуляции глубиной 2.63 рад, требуемой для корректной работы метода гомодинной демодуляции сигналов, необходимо изменять длину волны источника излучения по гармоническому закону с амплитудой , соответствующей изменению фазы интерферометра на величину = 5.26 рад [59,132]. Величину изменения длины волны источника для создания вспомогательной фазовой модуляции с необходимой амплитудой можно выразить как:
Таким образом, из выражения (23) следует, что глубине вспомогательной фазовой модуляции 2.63 рад соответствует изменение длины волны источника на величину порядка 99 пм при разнице оптических путей 20.3 мм (рассогласовании 14 мм).
Принцип работы частотно-импульсной модуляции VCSEL заключается в изменении скважности модуляционных импульсов, в результате чего, температура активной области и резонатора то увеличивается, то уменьшается, что приводит к изменению их характеристик, в частности к смещению длины волны излучения. Температура активной области и резонатора увеличивается при пропускании через них тока, и чем больше длительность модулирующего токового импульса, тем больше нагрев и тем больше изменение длины волны излучения VCSEL - таким образом, длительность модулирующих токовых импульсов можно условно назвать "временем нагрева". "Временем охлаждения", следовательно, будет временной интервал между соседними токовыми импульсами. Если время охлаждения до температуры стабилизации, поддерживаемой элементом Пельтье на котором располагается кристалл, превышает время между соседними токовыми импульсами, то начальная длина волны следующего импульса будет выше.
Таким образом, при подаче последовательности токовых импульсов с одинаковым интервалом (с постоянной частотой), но переменной длительностью, изменяемой по какому-то закону, характер изменения длины волны излучения VCSEL во времени будет определяться этим законом. Соответственно при неизменной частоте следования и большей длительности текущего токового импульса относительно предыдущего, длина волны излучения текущего импульса будет выше и, наоборот, при длительности текущего токового импульса меньшей по сравнению с предыдущим, длина волны будет меньше (рис. 2.4 а).
Для создания теоретической модели частотно-импульсной модуляции были использованы характеристики нагрева и охлаждения, полученные в ходе исследования температурных зависимостей VCSEL в работе [163]. От источника к источнику эти характеристики будут меняться, из-за отличий физических параметров резонаторов и активных сред, тем не менее, использование для моделирования данных, приведенных в работе [163] позволит продемонстрировать и качественно оценить возможность создания вспомогательной фазовой модуляции в интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемого с помощью предложенного импульсного метода. Вспомогательная фазовая модуляция может быть создана с помощью частотно-импульсной модуляции VCSEL. Изменение длины волны VCSEL от времени подаваемого на него токового импульса определяется выражением [163]: где ах - коэффициент, отражающий максимальное изменение длины волны излучения за время нагрева, h - коэффициент, определяющий скорость изменения центральной длины волны в процессе нагрева. Коэффициенты ах и b для тока накачки 9 мА имели величины 1.823 нм и -1.687 106 нм/с [163].
Функция изменения длины волны VCSEL в процессе охлаждения определяется выражением [163]: &Лохл =cAXQXp(dAXt) (25) где с - коэффициент, отражающий изменение длины волны излучения при подаче на VCSEL токового импульса определенной длительности, d -коэффициент, определяющий скорость охлаждения. Коэффициенты с и d -составили 0.997 нм и -1.681 106 нм/с [163].
В соответствии с теоремой Котельникова, при требуемой максимальной частоте детектирования 200 кГц, частота дискретизации не должна быть меньше 400 кГц. Но для корректной работы алгоритма демодуляции на основе вычисления функции арктангенса (PGC-Atan) необходимым условием является наличие фазовой модуляции, частота которой также определяет рабочую полосу частот разрабатываемого датчика. Для исключения возможности наложения частот (алиасинга), при детектировании сигналов на частотах выше 200 кГц, решено было создать вспомогательную фазовую модуляцию частотой 500 кГц. Для точного описания функции косинуса, рекомендуется использовать не менее десяти точек на период, соответственно для создания несущей на частоте 500 кГц, необходимо иметь частоту дискретизации 5 МГц, т.е. посылать токовые модуляционные импульсы разной длительности на VCSEL каждые 200 нс. Таким образом, имея десять импульсов на период частоты модуляции, длительность первой половины токовых импульсов будет увеличиваться с неравномерным шагом, соответствующим изменению функции косинуса, а длительность второй половины токовых импульсов будет уменьшаться с таким же шагом до изначальной величины.
Оценка влияния встраивания разрабатываемого волоконно-оптического датчика в структуру композитной графит-эпоксидной пластины на его чувствительность к внешним воздействиям
Для оценки эффекта от встраивания разрабатываемого волоконно-оптического датчика были созданы два идентичных чувствительных элемента, один из которых был встроен в середину сорокаслойной композитной графит-эпоксидной пластины (300х50х5 мм), а второй монтирован на ее поверхности на расстоянии десяти миллиметров от встроенного датчика с помощью эпоксидного клея. Фото композитной пластины с расположенными на ней волоконно-оптическими датчиками и опорным пьезоэлектрическим преобразователем представлено на рис. 3.17. В качестве первого исследования была выбрана оценка соотношения сигнал/шум от падения стального шарика диаметром 6 мм с высоты 50 мм. Условия проведения эксперимента были максимально приближены к условиям, в которых испытывался датчик на поверхности, рассмотренный ранее (рис. 3.14). На рис. 3.18 представлено взаимное расположение исследуемых ВОД и опорного преобразователя GT301.
Сигналы с опорного преобразователя GT301 регистрировались с помощью осциллографа Tektronix TDS 2004B с частотой дискретизации 200 Msps. Результаты зарегистрированных акустических сигналов от падения шарика представлены на рис. 3.19. Величины сигналов были нормированы и сопоставлены по времени.
Уровень собственных шумов обоих ВОД составлял порядка 15 мкрад/Гц, в рабочей полосе частот 10 – 210 кГц. При анализе результатов, представленных на рис. 3.19 был сделан вывод о том, что величина соотношения сигнал/шум встроенного ВОД ниже примерно в полтора раза по сравнению с ВОД, монтированным на поверхности, что соответствует снижению чувствительности на 3 дБ, ввиду того что уровень собственных шумов обоих волоконно-оптических датчиков практически одинаков. Величины соотношений сигнал/шум, полученные в результате исследования, составили порядка 18 дБ у встроенного ВОД, порядка 21 дБ у ВОД, монтированного на поверхности, и порядка 35 дБ у опорного преобразователя GT301.
Из рисунка 3.21 также видно, что величина соотношения сигнал/шум сигнала от имитатора Су-Нильсена, зарегистрированного встроенным ВОД, меньше почти в полтора раза, чем у ВОД, монтированного на поверхности, что также соответствует снижению чувствительности почти на 3 дБ. Величина соотношения сигнал/шум сигнала от имитатора Су-Нильсена, зарегистрированного встроенным ВОД составила порядка 7.5 дБ, ВОД монтированного на поверхности – порядка 11.5 дБ и преобразователя GT301 – порядка 28 дБ.
На рисунках 3.22 и 3.23 представлены результаты сигналов от пьезоэлектрического керамического кольца, зарегистрированных встроенным в композитную пластину и закрепленным на ее поверхности волоконно-оптическими датчиками соответственно.
В качестве генератора гармонических сигналов был использован Rigol DG4102, с амплитудой выходного сигнала 10 В. Величина соотношения сигнал/шум от воздействия пьезоэлектрического керамического кольца у встроенного ВОД составила порядка 50 дБ, в то время как у ВОД монтированного на поверхности она составила порядка 53.5 дБ, что соответствует снижению чувствительности при встраивании примерно в полтора раза.
Таким образом, в результате исследования влияния встраивания разрабатываемого ВОД АЭ в структуру графит-эпоксидной композитной пластины, на основании полученных данных может быть сделан вывод о снижении чувствительности к внешним воздействиям примерно в полтора раза или на величину порядка 3 дБ.
Экспериментальное исследование метода измерения деформаций
Следующим шагом исследования вышеописанного метода измерения деформаций [A5, A6] была его практическая реализация и экспериментальное апробирование. В качестве чувствительного элемента был использован описанный ранее волоконно-оптический регистратор акустической эмиссии, основанный на интерферометре Фабри-Перо и опрашиваемый с помощью метода импульсного опроса, описанного во второй главе диссертации (рис. 2.1).
Высокочастотная фазовая модуляция на частоте 500 кГц, необходимая для обеспечения рабочей полосы, требуемой для корректного акустико-эмиссионного контроля, как и низкочастотная фазовая модуляция на частоте 2 кГц необходимая для работы предложенного метода измерения деформаций была создана посредством частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностного излучающего лазерного источника с вертикальным резонатором VCSEL.
На рис. 4.6 представлена осциллограмма сигнала взятия отсчета АЦП по фронту нарастания и интерференционный сигнал приходящий на фотоприемник. Как видно из рис. 4.6, длительность интерференционного импульса постоянно изменяется, это обусловлено изменением скважности VCSEL из-за частотно-импульсной модуляции создающей две фазовые несущие на частотах 500 и 2 кГц.
На рис. 4.7 представлен интерференционный сигнал после АЦП и его спектр. Как видно из рисунка 4.7, принимаемый сигнал во временной области имеет вид суммы двух гармонических сигналов, соответствующий двум создаваемым фазовым несущим, в спектральной части можно увидеть дополнительную фазовую модуляцию на 2 кГц в районе высокочастотной на 500 кГц и их спектральные составляющие.
Для проведения экспериментального исследования, алгоритм вычисления амплитуды низкочастотной фазовой несущей основанный на методе синхронного детектирования был реализован в программной среде MATLAB.
В качестве контрольного устройства была выбрана волоконная брэгговская решетка с известной чувствительностью к деформациям – 1.2 пм/(мкм/м) [133]. Для ее опроса был использован интеррогатор IBSON Photonics I-MON 256, позволяющий производить измерения с точностью до ±5 пм, что соответствует величине относительных деформаций порядка ±4 мкм/м.
В качестве исследуемого образца была использована композитная графит эпоксидной пластина с параметрами 300х50х7.5 мм. Для проведения экспериментальных исследований предложенного метода измерения деформаций, ВБР и чувствительный элемент должны быть закреплены на ее поверхности в месте максимальной деформации, с целью обеспечения большей чувствительности к деформациям композитной пластины.
Для определения оптимального места крепления чувствительных элементов на исследуемом образце было проведено моделирование методом конечных элементов в программном пакете COMSOL Multiphysics. Изменяемыми параметрами в данной модели были величина отклонения края пластины от недеформированного состояния (ось абсцисс на рис. 4.8) и положение ФОИ Ф.-П.
Положение чувствительного элемента наиболее близкое к основанию деформируемой графит-эпоксидной пластины, как видно из результатов моделирования (рис. 4.8), является оптимальным для определения как малых, так и больших деформаций, т.к. при таком расположении даже небольшое отклонение края графит-эпоксидной композитной пластины приведет к существенной деформации выбранного участка пластины и чувствительного элемента, закрепленного на ней.
Для проведения экспериментального исследования, волоконно-оптический датчик основанный на волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемом с помощью предложенного метода импульсного опроса, и ВБР были закреплены на поверхности композитной графит-эпоксидной пластины с параметрами 300х50х7.5 мм на расстоянии примерно 25 мм от основания с помощью эпоксидного клея.
На рис. 4.9 представлена фотография экспериментальной установки для исследования метода измерения деформаций графит-эпоксидной композитной пластины с помощью волоконно-оптического датчика акустической эмиссии основанного на волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемом предложенным импульсным методом.
Для проведения исследований, как и в модели (рис. 4.8), край композитной графит-эпоксидной пластины постепенно отклонялся примерно на 7 мм и одновременно с этим производилась запись данных с устройства контроля резонансной длины волны решетки Брэгга и волоконно-оптического датчика.
На рис. 4.10 представлен вид экспериментальной установки, отражающий проведение экспериментального исследования. деформаций Для проведения экспериментального исследования, были использованы следующие параметры фильтров необходимых для работы предложенного метода измерения деформаций: частота дискретизации – 5 МГц; ПФ с полосой пропускания 2 Гц (1999 – 2001) и децимацией в 100 раз; полоса пропускания ФНЧ – до 2 кГц; частота дискретизации выходного сигнала составила 50 кГц.
Для использования предложенного метода измерения деформаций необходимо произвести измерение амплитуды вспомогательной фазовой несущей на частоте 2 кГц при нахождении композитной исследуемой графит-эпоксидной пластины в недеформированном состоянии (состоянии покоя) согласно выражению (34). Амплитуда дополнительной фазовой модуляции в экспериментальном образце составила 32.625 рад, что соответствует чувствительности к относительным удлинениям 32.625 мкрад/(мкм/м). Это необходимо для определения нулевого значения деформаций (D0), при изменении которого будет пропорционально изменяться амплитуда фазовой несущей (D), что позволит судить о величине возникающих статических или динамически изменяющихся деформаций и их величине.
В результате экспериментального исследования, приведенного на рис. 4.11, были получены величины относительных удлинений разработанного волоконно оптического датчика, основанного на волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо, опрашиваемом предложенным импульсным методом, и опорной волоконной брэгговской решетки. Характер изменения относительных удлинений, измеренных с помощью разработанного волоконно-оптического датчика и опорной волоконной брэгговской решетки при деформациях композитной графит-эпоксидной пластины, хорошо согласуются между собой, а небольшая разница по абсолютным значениям вызвана небольшой разницей места размещения ВБР и ВОД, а также качеством крепления к деформируемой композитной графит-эпоксидной пластине.