Диссертация (1091115), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

В этом случае соотношение (2.16.) имеет вид:d λBGλBG≈1  ∂λBGλBG  ∂ε1  ∂λBG dε +λBG  ∂TKε0 d ε + KT0 dT dT =(2.18)Такая линеаризация позволяет упростить процедуру одновременногоизмерения температуры и деформации объектов. В дальнейшем будемрассматривать именно это соотношение.Если температура исследуемого объекта (окружающей среды) известнаили может быть измерена каким либо другим способом, величинаотносительной деформация объекта может быть легко получена из (2.18):=dε1  d λBG− KT0 dT 0 Kε  λBG(2.19)Этот простейший подход заслуживает упоминания, так как можетреализовываться во многих практических измерениях, и, в силу своейпростоты,обеспечиваетминимальныепогрешностиприизмерениидеформации с помощью ВБР.

Отметим, что измерение температуры можетвыполнятьсяспомощьюдополнительнойВБР,неподвергающейсядеформации.2.3.2. Исследование одновременного температурного идеформационного воздействия на ВБР ВОД [13, 53]Рассмотрим разделение измеряемых параметров на примере двух12однородных ВБР с различными резонансными длинами волн λBG , λBG ,внедренные в композиционный материал (КМ).60Такие ВБР могут быть использованы для одновременного измерениятемпературы и деформации в том случае, если коэффициенты уравнения(2.16) для них существенно отличаются друг от друга.

Тогда системауравнений имеет вид:11 d λBG  Kε01 KT01   d ε λBG dε K== 2 02 dT 2 02    d λBG λBG   Kε KT   dT (2.20)имеет отличный от нуля детерминант ( det( K ) ≠ 0 ) и может быть решенааналитически относительно dε и dT:11 dε −1  d λBG λBG  dT  = K  22   d λBG λBG (2.21)Таким образом, при использовании двух ВБР задача сводится к тому,чтобы спектральный отклик решеток был существенно различный приизменении температуры или при приложении деформации, величину которойтребуется измерить.Для дальнейшего анализа рассмотрим конкретные виды деформаций,которые можно эффективно измерять с учетом температурного воздействия,используя определенные способы внедрения ВБР.Очевидно, наиболее удобным способом измерения деформации изгибакомпозиционного материала (КМ) с помощью двух ВБР является схема, вкоторой ВБР расположены во внешних слоях материала симметричноотносительно его оси, как это схематически показано на рисунке 2.8.Рисунок 2.8.

Схема укладки ВБР в композиционный материалПри такой схеме внедрения ВБР в КМ (в предположении, чтотемператураВБРодинакова)величинадеформацииизгибапрямо61пропорциональна разности относительных изменений резонансных длинволн, в то время как температурное воздействие пропорционально среднемузначению этих величин.2.4. Разработка методики расчета внешнего воздействия на ВБР[37]Наиболее простой методикой, позволяющей рассчитать величинувнешнего воздействия на ВБР, является задание зависимости F(λВБР ), где F –величина внешнего воздействия, в виде полинома: = 0 + 1 λВБР + 2 λ2ВБР + 3 λ3ВБР + ⋯ (2.22)Однако данная методика имеет большое количество недостатков, средикоторых можно выделить:• Ограниченную применимость данного подхода в силу того, что ВБРдатчик почти всегда имеет температурную чувствительность резонанснойдлиныволны.Поэтомуданнаяформулаподходитлишьдлятемпературных датчиков на основе ВБР.• Отсутствие прямого соответствия между величинами калибровочныхкоэффициентов и физико-техническими параметрами, связанными сконструкцией датчика и использованными в нем материалами.• Существенное изменение коэффициентов при перекалибровке ВБРдатчика, существенные изменения коэффициентов при незначительномизменении самой калибровочной зависимости.Перечисленные недостатки можно устранить, если в случае датчиковтемпературы использовать задание калибровочной зависимости (2.22) в виде: = 0 + 1 ∆�1 + 2 ∆(1 + 3 ∆)�(2.23)где величина ∆ задается формулой:∆ = (λВБР − λ0 )⁄λ0(2.24)Одно из преимуществ данной записи заключается в том, что степеньнелинейности калибровочной зависимости всегда можно оценить, сравнив сединицей величины K2⋅∆max и K3⋅∆max, где ∆max – максимальное значение62величины ∆, которое можно легко оценить, зная теоретические величинылинейных коэффициентов чувствительности ВБР к внешнему воздействию.Чтобы распространить данную методику задания калибровочныхзависимостей на случай датчиков прочих физических величин, напримердатчиков деформации, необходимо использовать сенсорный элемент,содержащий две ВБР.

Выражение (2.24) при этом примет вид: = 0 + 11 ∆ �1 + 21 ∆ (1 + 31 ∆ )� + 12 ∆ �1 + 22 ∆ (1 + 32 ∆ )� = 0 + 11 ∆ �1 + 21 ∆ (1 + 31 ∆ )� + 12 ∆ �1 + 22 ∆ (1 + 32 ∆ )�(2.25)где коэффициенты 21 и 21 задают чувствительность измеряемыхпараметров к нормированному изменению РДВ первой ВБР ∆1, акоэффициенты 12 и 12 характеризуют отклик на изменение РДВ второй ВБР∆2 .Наиболеекалибровочныхсущественнымкривыхнедостаткомзаключаетсявданнойсложностиформызаданиявычисленияеекоэффициентов при калибровке и перекалибровке датчика.Чтобыизбежатьданногонедостатка,следуетиспользоватьальтернативную методику задания калибровочных зависимостей в видетемпературной и деформационной чувствительностей резонансной длиныволны ВБР , описанную ниже.Оптимальной с точки зрения простоты калибровки и перекалибровкиформой задания калибровочной зависимости является задание отклика РДВВБР на внешние воздействия в виде:1 = 1 ∙ ∆ �1 + 2 ∙ ∆(1 + 3 ∙ ∆)� + 1 ∙ ∆ �1 + 2 ∙ ∆(1 + 3 ∙ ∆)� + ∙ ∆ ∙ ∆2 = 1 ∙ ∆ �1 + 2 ∙ ∆(1 + 3 ∙ ∆)� + 1 ∙ ∆ �1 + 2 ∙ ∆(1 + 3 ∙ ∆)� + ∙ ∆ ∙ ∆, (2.26)где∆T = (T – T0)–отклонениеотпервоначальногозначениятемпературы и ∆F = (F – F0) – изменение другого измеряемого параметра(деформации).Основными преимуществами данного способа задания калибровочныхзависимостей является простота перекалибровки и ясный физический смысл,63вкладываемый в коэффициенты выражения (2.26).

Кроме того, он легкопозволяет ввести в рассмотрение сенсорные элементы, измеряющие болеечем два параметра по отклику сразу нескольких ВБР, либо учесть влияниедополнительных параметров на сенсорный элемент, работающий с двумяВБР.2.5. ВыводыВтораяглаваквазираспределеннойработыпосвященатеоретическимволоконно-оптическойисследованиямметодикиопределениятемпературы и деформации и разработке алгоритмов обработки измерений.В результате выполненных исследований в связи с поставленнойзадачей диссертационной работы сделаны следующие выводы:Исследованы основные параметры волоконно-оптических решетокБрэгга и по результатам исследований изготовлены образцы для проведенияиспытаний.Исследованы методики нахождения спектров на примере четырехметодик, выявлены недостатки и достоинства каждой из них.Разработаны алгоритмы обработки спектров чувствительных элементовволоконно-оптических датчиков, основанные на умножении спектра нанечетную функцию, и на аппроксимации спектра отражения волоконнойрешетки Брэгга модельным спектром.Исследовано влияние температурного и деформационного воздействияна чувствительные элементы волоконно-оптических датчиков, как приизоляции одного из воздействий, так и при их одновременном воздействии.Разработана методика расчета внешнего воздействия на волоконныерешетки Брэгга.В результате проведенных исследований, можно сделать заключение,что достоинством квазираспределенного метода, основанного на измерениирезонанснойдлиныволныволоконныхрешетоквозможностьодновременнойрегистрациикакБрэгга,температуры,деформации с четким разделением этих физических величин.являетсятаки64ГЛАВА 3.

Разработка технического задания на волоконнооптический телеметрический комплекс (ВоТК) и экспериментальныеисследования применения волоконно-оптической методики измерениятемпературы и деформации производственных объектов3.1. Техническое задание на волоконно-оптическийтелеметрический комплексВолоконно-оптический телеметрический комплекс (ВоТК) состоит изволоконно-оптических датчиков температуры (ВОДТ) и деформации (ВОДД)и регистрирующего блока (УРМ), предназначенного для измеренийспектрального изменения резонансной длины волны волоконной решеткиБрэгга (ВБР), являющегося чувствительным элементом каждого датчика.ВоТК имеет возможность измерять с высокой точностью спектральноеположение резонансной длины волны ВБР ВОДТ и ВОДД, а такжеинтерпретировать этоизменениев видеизменениядеформацииитемпературы в режиме реального времени.ПорезультатамсоставлениятехническогозаданиянаВоТКутверждены технические условия на ВоТК (ТУ-5210-221-77951881-2012).3.1.1.

Техническое задание на унифицированный регистрирующиймодуль (УРМ) [77]УРМ представляет собой блок с габаритными размерами 400х480х132,а так же может быть вставлен в стойку 19’’. Основными частями УРМявляются широкополосный источник света, спектроанализатор I-MON иодноплатный компьютер. УРМ размещается в помещении, удаленном нарасстояниенеболее10кмотобъектахарактеристики УРМ приведены в таблице 3.1.измерений.Технические65Таблица 3.1.

Основные характеристики УРМХарактеристикаЗначениеЧисло оптических каналов1 / 3 / 7 / 15Максимальная частота опроса, кГц8Число ВОД на канал16Спектральный диапазон, нм1525 – 1590Спектральное разрешение, пм< 0,5Интегральнаямощностьисточникаизлучения, дБмФункция измерения опорного спектраВстроенныйрежимопределениямаксимумаТип оптических разъемов~1естьестьFC/APCВсе элементы УРМ соединены специальными оптическими разъемамитипа FC/APC, позволяющими максимально снизить отражение в местахсоединений волоконных световодов.Унифицированный регистрирующий модуль (УРМ) включает в себя:• Источник оптического излучения;• Приёмник оптического излучения, совместимый с источником;• Оптическую систему УРМ, состоящую из оптических циркуляторов,переключателей и разветвителей;• Наборэлектронныхкомпонентов,осуществляющихуправлениеэлементами, считывание, хранение и передачу измеренных показанийприёмника.Источник оптического излученияВ качестве источника оптического излучения выбран широкополоснойисточник непрерывного ближнего инфракрасного излучения, а именноволоконный эрбиевый люминесцентный источник, имеющий выходную66мощностью ∼1 мВт со спектральной шириной ∼ 100 нм (спектр источникаприведен на рисунке 3.1).Рисунок 3.1.

Характеристики

Список файлов диссертации