Диссертация (1091115), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Расположение датчика и термопары в печиПроверкаработоспособностиВОДтемпературыпроводиласьвдиапазоне от комнатной температуры до 500°С при линейном нагреве соскоростью 0.25°C/с и свободном остывании печи. На рисунке 3.22 приведенырезультаты измерений и их аппроксимация.Рисунок 3.22. Результаты испытания ВОД температуры.Как видно, в таком широком диапазоне температур относительноеспектральное смещение резонансной длины волны ВБР (Δ) имеет заметнуюнелинейность, которая, вместе с тем, может быть с хорошей точностьюучтенапутемвведенияквадратичногочлена.Поэтомууравнениеаппроксимации в данном случае имеет вид:Δ = 1 ( − 0 ) × �1 + 2 ( − 0 )�(3.2.)Значения коэффициентов квадратичной аппроксимации (3.1.) составили961 = 6.28 ± 0.002 [ppm/°C],2 = (5.65 ± 0.008) × 10−4 [ppm/°C],(3.3.)Отметим, что линейный член (3.3.) в (3.2.) хорошо совпадает слитературными данными [26, 29].
Наличие квадратичного члена обязательно,так как при изменении температуры на 100°С отклонение от линейнойзависимости может достигать 7%.Следует отметить, что фотоиндуцированные волоконные решеткимогут быть использованы в качестве чувствительных элементов ВОДтемпературыивболееширокомтемпературномдиапазоне.Присоответствующей температурной обработке они могут сохранять своисвойства в течение длительного времени до температур 600 – 800°С, а внекоторых случаях и выше.Отклонениеэкспериментальныхданныхотприведеннойкалибровочной зависимости приведено на рисунке 3.23.Рисунок 3.23. Отклонение экспериментальных данныхОсновным источником неравномерности приведенной зависимостиявляется неравномерный режим нагрева.
Если исключить из рассмотрения97это обстоятельство, то можно считать погрешность измерения температурыпри помощи разработанного ВОД температуры не превышающей ±1°С вовсем рассматриваемом диапазоне.Для полноценной оценки работоспособности ВОД температурыисследована характеристика скоростиоткликаВОДнаизменениетемпературы окружающей среды.Оценка проводилась при последовательном погружении ВБР ВОДтемпературы в сосуды с водой, имеющей разную температуру. А именно,при последовательном погружении датчика в сосуды с водой, имеющейкомнатную температуру и температуру порядка 80 °С (Рисунок 3.24.).Рисунок 3.24.
Скорость отклика ВОД температурыОбращает на себя внимание изменение скорости охлаждения припогружении в сосуд с водой комнатной температуры. Это связано с тем, чтоперенос нагретого датчика из одного сосуда в другой занимал конечноевремя, за которое температура ВБР успевала заметно уменьшиться.
Послепогружения датчика в воду комнатной температуры скорость охлаждениязначительно возрастала. Характерная скорость отклика ВОД температуры наизменение температуры в ≈ 50°С составила ≈ 0.3 сек.983.3.2. Экспериментальные исследования характеристик датчикадеформации и выбор схемы измеренияДля исследования зависимости изменения длины волны ВБР отвеличины приложенной к световоду деформации и реализации волоконнооптического датчика деформации применялись два экспериментальныхметода.Первый из них заключался в подвешивании грузов с известной массойнепосредственно к световоду с ВБР. Эта методика относительно проста вреализации, имеет высокую точность и воспроизводимость, однако онатребует детального знания упругих констант материала световода и егогеометрии. Кроме того, сами значения материальных констант могутизменяться при большом диапазоне деформаций.Втораяметодиказаключаетсявнепосредственномизмерениидеформации световода при его растяжении, которое может быть реализовано,например, с помощью микрометрического транслятора.
В этом случаенаибольшую сложность представляет собой реализация надежных истабильных узлов фиксации концов растягиваемого световода.В работе приводится сравнительный анализ использования обеихметодик.Метод 1 (подвешивание калиброванных масс непосредственно ксветоводу).Грузы с известными массами подвешивались к световоду с ВБР спомощью блока как это показано на рисунке 3.25.99Рисунок 3.25. Экспериментальная установкаМасса подвешиваемого груза (Рисунок 3.25) изменялась в диапазонеот 134 грамм (масса пустого подвеса) до 2 кг (сила, близкая к предельнойпрочности световода в области ВБР) [54].
В использованной установкерастягивающая сила прикладывалась одновременно к двум световодам,поэтому расчет проводился с учетом этого обстоятельства (Рисунок 3.26).Рисунок 3.26. Изменения длины волны ВБР от массы подвешенного груза100С учетом площади сечения использованного световода величинарастягивающего давления, действующего на каждый световод, приведенная кединичной массе, составила 0.4 ГПа/кг. С учетом модуля Юнга кварцевогостеклаE = 76 ГПавеличинуэтогодавленияможноперевестивотносительную деформацию световода по формуле: =(3.4)На рисунке 3.26 показаны зависимости изменения длины волны ВБР отвеличины подвешенной массы.
Все приведенные зависимости с высокойточностью (< 1%) совпадают друг с другом и хорошо аппроксимируютсяполиномом второй степени:Δ = 1 + 2 2(3.5)1 = (4.3 ± 0.002) × 10−6 [1⁄кг]2 = (−4.5 ± 0.5) × 10−11 [1⁄кг2 ]При детальном анализе следует учитывать то обстоятельство, что прирастяжении световода подвешенной фиксированной массой происходитуменьшение его поперечного сечения и, следовательно, увеличениерастягивающего давления:Вычисление =0�1 +2 0деформационного�(3.6)коэффициентадляначальноголинейного участка зависимости (3.5) дает следующее значение (приE0 = 76 ГПа, S0 = 12.27×10-9 м2):0 =2 0 0≈ 0.815(3.7)Полученное значение примерно на 5% превышает величину, обычноиспользующуюся в литературе [26].
Это связано с тем, что модуль Юнгастекла использованного нами световода несколько ниже взятого для расчетовлитературного значения.Метод 2 (измерение деформации световода)Непосредственное измерение величины деформации световода при егорастяжении позволяет получить значение деформационного коэффициента,101не прибегая к дополнительным расчетам.
Вместе с тем измерениедеформации представляет определенную сложность, так как требует высокойстабильности узлов фиксации концов световода в процессе измерений.Для тестирования сенсорных элементов использовалась пластина изкомпозиционного материала (КМ) толщиной 2.5 мм, изготовленная в формеравнобедренного треугольника (балка равных деформаций).
Деформацияизгиба создавалась при помощи автоматизированного линейного трансляторапутем приложения поперечной по отношению к плоскости балки силы ввершине треугольника (Рисунок 3.27).Рисунок 3.27. Фотография системы измеренийПластина прочно закреплялась у основания треугольника, ширинакоторого составляла 19 мм. Высота треугольника (плечо деформирующейсилы) была равной L = 63 мм.Известно, что на поверхности балки равных деформаций величинадеформации одинакова для любой точки поверхности и может бытьвычислена с помощью простого соотношения:102 =ℎ(3.6)ℎ2 +2где ε - относительная деформация на поверхности пластины, h –величина перемещения, D – толщина пластины.В приближении малых деформаций (h « L) эта зависимость становитсялинейной с коэффициентом пропорциональности = ⁄2 :В ≈нашихℎ2ℎ2�1 − 2 � ≈ ℎэкспериментах(3.7)максимальнаявеличинаперемещениясоставляла h = 2 мм, то есть даже при максимальном перемещенииотклонение от линейного закона не превышало 0.2%.Коэффициенты деформационной чувствительности обоих ВБР былиравны друг другу с хорошей точностью: для обоих ВБР Kh составил(230±5)×10-6 мм-1.
Эта величина была получена при измерении спектральногосмещения резонансной длины волны ВБР, возникающего вследствиеперемещения транслятора на фиксированное расстояние.Для иллюстрации этого на рисунке 3.28 приведены результатыизмерений, полученные за 15 циклов перемещения транслятора, каждый изкоторых содержал по 4 шага величиной 0.5 мм.400200Изменение0-200ВБРволндлинm-4000100020003000время40005000Рисунок 3.28.
Изменение длин волн для ВБР103Отметим, что кривизна поверхности балки = 1⁄ (где R – радиусизгиба) в приближении малого изгиба прямо пропорциональна линейномуперемещению конца балки h: =12ℎ(3.8)Таким образом, все представленные измерения величины h вприближении малых изгибных деформаций (h«L или L«R) могут бытьпреобразованы в кривизну r простым умножением на коэффициент 1/L2,значение которого в нашем случае составило ~ 0.25×10-3 1/мм2Чувствительность рассматриваемого способа измерения изгибныхдеформацийопределяетсясобственнойпродольнойдеформации,чувствительностьюспектральногосмещениярезонанснойчувствительностьюдлинысхемыволныВБРкрегистрацииВБР,атакжерасстоянием, на котором находится ВБР по отношению к плоскости нулевыхдеформаций.В нашем случае схема регистрации позволяла уверенно детектироватьотносительное изменение резонансной длины волны ВБР на уровне ~10-6.ВБР располагались вблизи противоположных поверхностей балки.Такаяконфигурацияизмеренийобеспечилачувствительностькперемещению dh ~ 10-3 мм, что в пересчете на кривизну составляет dr ~ 0.25×10-6 1/мм.
Для иллюстрации этого результата на рисунке 3.29 приведенфрагмент зависимости h(t) при ступенчатом перемещении транслятора cминимально возможным шагом 1.25 мкм.1040,0150,014мм h,0,0130,0120,0110,0100,00980100Время120140секРисунок 3.29. Зависимость координаты конца балки от времениКак было показано, при изгибе балки на небольшие величины (h ~ 2мм) относительное спектральное смещение резонансной длины волны ВБРпрямо пропорционально h.
На рисунке 3.30 представлены зависимости этойвеличины от времени при медленном перемещении транслятора спостоянной скоростью.400200ВБРволндлинpmИзменение0-200-400050100Время150105Рисунок 3.30. Изменение длин волн для ВБР при линейном изгибе балкиВоспроизводимость измерений изгиба балки измерялась путем анализаизмеряемой величины деформации в процессе, состоящем из 1000 цикловизгиба балки от невозмущенного состояния до h = 2.5 мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
