устройство и способ определения мест предразрушения конструкций

Формула изобретения

1. Устройство определения мест предразрушения конструкций, содержащее три и более V-образных волоконных световодов (датчиков), которые расположены на расстоянии 3 мм друг от друга в зонах возможного появления трещин, три лазерных диода, три измерительных приемника оптического излучения, блок обработки фотоэлектрического сигнала, блок обработки информации с программным обеспечением, отличающееся тем, что в него введены семь оптических каналов датчиков, семь подстроечных и один ограничивающий резистор, блок из семи излучателей, блок из семи приемников, микроконтроллер и приемопередатчик.

2. Способ определения мест предразрушения конструкций, путем нагружения увеличивающейся нагрузкой, включающий измерение прохождения оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения, трех и более V-образных волоконных световодов (датчиков), определение скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точное место разрушения световода после фиксации факта его разрушения, отличающийся тем, что определение мест предразрушения конструкций производят в семи каналах, причем датчики необязательно должны быть одного типа, при этом в каждый из семи оптических каналов датчиков поочередно подают световой импульс, и измеряют величину оптического сигнала на выходе канала, оптические сигналы преобразуют устройством сначала в электрические сигналы с помощью фотоприемников, а затем в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что программа, заложенная в микроконтроллер, определяет порядок и скорость опроса датчиков, выполняет автоматическую коррекцию нуля аналогово-цифрового преобразователя и усредняет измеренные значения для каждого датчика, при этом измерения производят циклами, и в каждом цикле измеряют сигналы со всех семи измерительных каналов, вне зависимости от того, подключен или нет к данному каналу датчик и полученные данные усредняют и передают из устройства через последовательный интерфейс RS232 на управляющий персональный компьютер, который запрашивает данные с требуемого канала передачей в устройство номера этого канала (от 0 к до 6 к) в коде ASCII, в ответ на номер канала устройство передает в компьютер четыре байта, соответствующие усредненному значению измеренной величины для данного канала и каждый из четырех байт представляет шестнадцатеричную цифру в коде ASCII, причем первой передается старшая цифра, а последней - младшая.

4. Способ по п.2 и 3, отличающийся тем, что номера каналов от 0 к до 6 к соответствуют измерительным каналам, данные используют для контроля правильности работы приемно-усилительного тракта и аналогово-цифрового преобразователя, интервалы и порядок опроса определяют исходя из конкретной задачи, решаемой с помощью устройства, измерительное устройство осуществляет опрос каналов в непрерывном режиме, причем время опроса одного канала составляет около двух миллисекунд, после чего в памяти микроконтроллера обновляют данные для выбранного канала, при этом набранные по семи измерениям данные для каждого из каналов усредняются, передаются через последовательный интерфейс по запросу от компьютера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технической физики, а именно к испытаниям элементов конструкций и машин, в том числе летательных аппаратов.

Известно устройство определения мест предразрушения конструкций, которое включает в себя фрагмент испытываемой конструкции летательного аппарата, болтовое или клепаное соединение панелей с ребром жесткости, полимерный световод (датчик); датчик уложен так, что контролируется пространство вокруг каждого отверстия, отражающее серебряное покрытие, блок питания, генератор импульсов, светоизлучающий диод, опорный световод, измерительный приемник оптического излучения, блок обработки фотоэлектрического сигнала, измерительный прибор или ЭВМ, выключатель дополнительного приемника оптического излучения, приемник оптического излучения для локализации места разрушения измерительного световода (датчика). (Н.Р.Рахимов, А.Н.Серьёзнов. Способ определения мест предразрушения конструкций / Патент РФ № 2261430, БИ № 8, 2005).

Недостатком данного устройства является несовершенство конструкции, которое ограничивает его возможности.

Также известен способ определения мест предразрушения конструкций путем нагружения увеличивающейся нагрузкой, включающий измерение прохождения оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения и измерительного прибора или ЭВМ, для повышения достоверности контроля на конструкцию жестко закрепляется V-образный волоконный световод в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея, далее через одно начало световода посредством светоизлучающего диода подается короткий импульс, при этом к приемнику оптического излучения возвращается импульс, отраженный от свободного конца световода, на который нанесено серебряное покрытие толщиной 1 мкм, путем напыления при температуре 250-300°С и давлении 10-4 мм рт.ст., а затем в блоке обработки фотоэлектрического сигнала измерительный импульс сравнивается с импульсом, который поступает от светоизлучающего диода через опорный световод, отношение этих сигналов обрабатывается в блоке обработки фотоэлектрического сигнала и результат подается на измерительный прибор или ЭВМ (Н.Р.Рахимов, А.Н.Серьёзнов. Способ определения мест предразрушения конструкций / Патент РФ № 2261430, БИ № 8, 2005).

Недостатком данного способа является его низкая достоверность и невозможность определения скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, включающееся в себя фрагмент испытываемой конструкции летательного аппарата, болтовое или клепаное соединение панелей с ребром жесткости, три полимерных световода (датчика). Датчики расположены на расстоянии 3 мм друг от друга и уложены так, что контролируется пространство вокруг каждого отверстия, отражающее серебряное покрытие, блок питания (генератор импульсов), коммутатор, три лазерных диода, три опорных световода, три измерительных приемника оптического излучения, блок обработки фотоэлектрического сигнала, усилитель. Далее аналого-цифровой преобразователь, компьютер. (Н.Р.Рахимов, А.Н.Серьёзнов. Способ определения мест предразрушения конструкций / Патент РФ № 2316757, БИ № 4, 2008).

Недостатками данного устройства являются несовершенства установки элементов конструкции, которые не обеспечивают достаточную точность определения мест предразрушения контролируемого изделия, и невысокая достоверность измерений.

И также наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения мест предразрушения конструкций путем нагружения увеличивающейся нагрузкой, включающий измерение прохождения оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения, V-образного волоконного световода, блока обработки фотоэлектрического сигнала и измерительного прибора или ЭВМ, при этом на конструкцию жестко закрепляют три и более V-образных волоконных световода в зонах возможного появления трещин, расположенных на расстоянии 3 мм друг от друга, определяют скорость распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точное место разрушения световода после фиксации факта его разрушения. (Н.Р.Рахимов, А.Н.Серьёзнов. Способ определения мест предразрушения конструкций / Патент РФ № 2316757, БИ № 4, 2008).

Недостатком данного способа является то, что амплитуда сигнала на выходе усилителя-преобразователя фототока приемных диодов в общем случае будет отличаться при переключении каналов в силу ряда причин:

- неодинаковые характеристики излучателей;

- неодинаковые характеристики приемников;

- разброс оптических характеристик волокна по каналам, вызванный дефектами волокна;

- различия в оптическом согласовании приемников и излучателей с волокном.

Все эти факторы могут привести к тому, что сигналы от разных каналов будут отличаться по амплитуде в несколько раз.

В ряде случаев требуется получить одинаковые по амплитуде сигналы со всех каналов перед началом измерений или хотя бы приблизительно равные значения.

Задачей изобретения является повышение точности определения мест предразрушения конструкции за счет достоверности измерения изменений оптического сигнала в оптических волокнах, являющихся чувствительными элементами датчиков каких-либо физических величин (например, деформации, усилия, ускорения, плотности растворов и т.д.).

Поставленная задача решается тем, что устройство определения мест предразрушения конструкций состоит из трех и более V-образных волоконных световодов (датчиков), которые расположены на расстоянии 3 мм друг от друга в зонах возможного появления трещин, трех лазерных диода, трех измерительных приемников оптического излучения, блока обработки фотоэлектрического сигнала, блока обработки информации с программным обеспечением, согласно изобретению в него введены семь оптических каналов датчиков, семь подстроечных и один ограничивающий резистор, блок из семи излучателей, блок из семи приемников, микроконтроллер и приемопередатчик.

Поставленная задача решается тем, что способ определения мест предразрушения конструкций путем нагружения увеличивающейся нагрузкой, включающий измерение прохождения оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения, трех и более V-образных волоконных световодов (датчиков), определение скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точное место разрушения световода после фиксации факта его разрушения, согласно фиг.1 определение мест предразрушения конструкций производят в семи каналах, причем датчики не обязательно должны быть одного типа, при этом в каждый из семи оптических каналов датчиков поочередно подают световой импульс и измеряют величину оптического сигнала на выходе канала, оптические сигналы преобразуются устройством сначала в электрические сигналы с помощью фотоприемников, а затем в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.

Поставленная задача достигается тем, что программа, заложенная в микроконтроллер, определяет порядок и скорость опроса датчиков, выполняет автоматическую коррекцию нуля аналого-цифрового преобразователя и усредняет измеренные значения для каждого датчика, при этом измерения производят циклами, и в каждом цикле измеряют сигналы со всех семи измерительных каналов, вне зависимости от того, подключен или нет к данному каналу датчик и полученные данные усредняют и передают из устройства через последовательный интерфейс RS232 на управляющий персональный компьютер, который запрашивает данные с требуемого канала передачей в устройство номера этого канала (от 0 к до 6 к) в коде ASCII, в ответ на номер канала устройство передает в компьютер четыре байта, соответствующих усредненному значению измеренной величины для данного канала, и каждый из четырех байт представляет шестнадцатеричную цифру в коде ASCII, причем первой передается старшая цифра, а последней - младшая.

Далее поставленная задача достигается тем, что номера каналов от 0 к до 6 к соответствуют измерительным каналам, а канал, обеспечивающий распределение импульсов за счет коммутатора, соответствует уровню нуля в отсутствии сигналов по всем оптическим каналам устройства и данные используют для контроля правильности работы приемно-усилительного тракта и аналого-цифрового преобразователя, интервалы и порядок опроса определяют исходя из конкретной задачи, решаемой с помощью устройства, измерительное устройство осуществляет опрос каналов в непрерывном режиме, причем время опроса одного канала составляет около двух миллисекунд, после чего в памяти микроконтроллера обновляют данные для выбранного канала, при этом набранные по семи измерениям данные для каждого из каналов усредняются, передаются через последовательный интерфейс по запросу от компьютера.

Пример возможной практической реализации предложенного устройства приведен на фиг.1 со следующими условными обозначениями: 1 - фрагмент испытываемой конструкции летательного аппарата, 2 - болтовое или клепаное соединения панелей с ребром жесткости, 3 - трещина, 4 (0 к - 6 к) - полимерные световоды (датчики), 5 - источник питания, 6 - микроконтроллер, 7 - коммутатор, 8 - усилитель мощности, 9-16 подстрочные резисторы, 17-23 - лазерные диоды, 24-30 - измерительные приемники оптического излучения, 31 - усилитель, 32 - приемопередатчик RS232, 33 - аналого-цифровой преобразователь, 34 - компьютер, 35 - файлы данных, 36 - цифровая обработка данных, 37 - математическая обработка результатов, 38 - статистика экспериментов.

Принцип работы устройства следующий. Оптическое волокно 4 (7 каналов датчиков 0 к - 6 к) с отражающим концом жестко закрепляется на испытываемой конструкции 1 в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея (фиг.2). Источник питания 5 вырабатывает импульсы, которые подаются на микроконтроллер 6 либо через усилитель 31, либо напрямую, а затем через коммутатор 7 на усилитель-коммутатор 8. От блока резисторов 9-15 с сопротивлением R и ограничивающего резистора 16 с сопротивлением R₀ световой поток поступает на оптическое волокно 4. Оптический сигнал преобразуется в электрический, он подается на блок приемников 24-30 и далее попадает на усилитель 31 и микроконтроллер 6, где сигнал преобразуется в цифровой код. Сигнал попадает на приемопередатчик RS232 - 32 и передается на аналого-цифровой преобразователь - 33, данные с которого поступают в компьютер, где записываются в виде файла. При статических нагружениях испытуемой конструкции имеет смысл производить опрос раз в 10-20 секунд, а при испытаниях оптических волокон при постоянной нагрузке или фиксированном удлинении опрос производится через 10-15 минут. Дальнейшая обработка сигнала производится с помощью программного обеспечения, она обеспечивает цифровую фильтрацию, определение глубины трещины - предразрушения и выполнение задач исследований, рассчитывая одновременно, например, двадцать таких датчиков.

На фиг.3 представлена временная диаграмма работы устройства при опросе оптических каналов. Здесь сигналы включения излучающих диодов, которые вырабатывает контроллер, обозначены как U₀-U₆. Сигнал на выходе усилителя-преобразователя фототока приемных диодов обозначен как U_adc, т.к. он является входным сигналом аналого-цифрового преобразователя контроллера. На диаграмме показана форма сигнала U_adc для случая, когда волокна двух первых каналов повреждены образовавшейся под ними трещиной.

На фиг.1 и фиг.3 канал 6 к использован в качестве опорного, сигнал с которого может быть использован для учета влияния температуры окружающей среды на мощность излучения светодиодов, т.к. известно, что с ростом температуры окружающей среды, а значит и корпуса светодиода, мощность излучения уменьшается. Чтобы избежать влияния разогрева диодов при прохождении тока через них, выбран режим непрерывного опроса каналов даже в том случае, если канал не используется или компьютер не запрашивает данные измерения в течение длительного времени. При этом можно считать тепловой режим работы излучателей относительно стабильным, а мощность излучения неизменной. Для дополнительной стабилизации мощности излучения питание светодиодов осуществляется от стабилизированного источника напряжения.

Исходя из перечисленных выше недостатков предыдущего метода (Н.Р.Рахимов, А.Н.Серьёзнов. Способ определения мест предразрушения конструкций / Патент РФ № 2316757, БИ № 4, 2008) предприняты несколько мер.

Первое: дефектные волокна заменяются на новые.

Второе: путем выбора взаимного расположения торца волокна и диода (приемника или излучателя) и последующей фиксации можно грубо изменять сигнал в достаточно широком диапазоне. Конструкция блока излучателей и блока приемников, используемая нами, обеспечивает такую возможность, о чем подробнее будет сказано ниже.

Третье: точное выравнивание амплитуды сигналов по каналам можно выполнить с помощью подстроечных резисторов (9-15) на фиг.1, включенных последовательно с каждым излучателем. При этом величина тока, протекающего через излучатели, ограничивается на безопасном уровне общим для всех излучателей резистором 16. Такое ограничение исключает возможность превышения максимально допустимого тока в излучателях при любом значении сопротивлений R.

В процессе выравнивания амплитуды сигналов по каналам внимание должно быть уделено и абсолютным значениям сигналов, которые необходимо устанавливать на уровне 85-95% от полной шкалы аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера (2,56V при коде аналого-цифрового преобразователя, равном 1023) для достижения наибольшей точности измерения сигналов.

Предложена конструкция блоков излучателей и приемников. Их конструкции одинаковы, за исключением размеров посадочных отверстий для излучателей и приемников. Схематическое изображение такого блока в разрезе по оси одного из диодов (излучателя или приемника) показано на фиг.4, со следующими условными обозначениями: 39 - непрозрачный электроизоляционный корпус, 17 - диоды, 4 - оптические волокна, 40 - стальная пластина, 41 - опора, 42, 43, 46, 47 - крепежные винты, 44 - прижимная пластина, 45 - резиновые прокладки, 48 - печатная плата, 49 - жгут.

Основным элементом блока является непрозрачный электроизоляционный корпус 1, по длине которого с шагом 7,5 мм расположены 7 отверстий, предназначенных для установки в них диодов 17 и оптических волокон 4. Диоды и волокна установлены по одной оси. Диоды фиксируются в корпусе за счет достаточно плотной посадки в отверстиях корпуса. Дополнительную фиксацию диодам придают их жесткие выводы, запаянные в общую печатную плату 48. Плата с диодами крепится на верхней стороне корпуса винтами 47.

В плату впаян конец жгута 49, посредством которого диоды электрически соединяются с измерительным устройством. При необходимости плату с диодами и жгутом можно отсоединить от корпуса, отвернув крепежные винты 47 (например, при замене волокон). Жесткости выводов диодов оказывается достаточно для того, чтобы при повторной установке платы на корпус, все диоды попали в свои посадочные отверстия.

К нижней стороне корпуса закреплена стальная пластина 40 при помощи винтов 42. Пластина служит для крепления всего блока к исследуемому образцу (конструкции) во время проведения измерений. На этой же пластине с помощью винтов 43 жестко закрепляется опора 41, служащая для удержания всех семи волокон в неподвижном положении относительно корпуса. Закрепление волокон в требуемом положении достигается зажимом волокон прижимной пластиной 44 через резиновые прокладки 45 на поверхности опоры 41. Для крепления прижимной пластины служат винты 46.

Установку волокон в блок производят в следующей последовательности.

Сначала с корпуса 39 блока снимается плата 48 с диодами 17. Волокна 4 вставляются между прокладками 45 на опоре 41 и прижимной пластине 44 при ослабленных винтах 46, а затем просовываются через отверстия в корпусе так, чтобы их концы выступали из корпуса наружу. В таком положении концы волокон слегка оплавляются для получения микролинз на торцах волокон. Затем волокна втягиваются в отверстия корпуса до упора утолщения, образованного микролинзой на конце волокна, в дно посадочных отверстий диодов. После этого плату с диодами устанавливают на место и закрепляют.

Когда волокна установлены в блоках приемников и излучателей, приступают к юстировке оптического тракта. Для этого подключают измеритель к компьютеру и запускают программу измерения с небольшим (несколько секунд) интервалом опроса каналов. Ориентируясь на получаемые данные, добиваются грубой настройки каждого канала на требуемый уровень сигнала путем перемещения волокна вдоль его оси, а также за счет его поворота вокруг оси. При необходимости, можно в небольших пределах перемещать диод вдоль его оси немного изгибая проволочные выводы. Когда юстировка обоих концов всех волокон завершена, необходимо аккуратно зафиксировать положения волокон в каждом блоке затяжкой винтов 46.

Если требуется точная установка величины сигнала по каждому каналу, то после юстировки можно подобрать токи излучателей с помощью подстроечных резисторов 9-15 (см. фиг.1).

Устройство используется для мониторинга трещинообразования в конструкциях летательных аппаратов, на которые наклеивались отрезки оптических волокон в местах предполагаемого возникновения усталостных трещин. Уменьшение, а затем и полное пропадание оптического сигнала в волокнах свидетельствовало о зарождении и развитии трещин в испытуемой конструкции (образце).

По завершении настройки можно приступать к наклеиванию средней части оптических волокон на исследуемый образец. Когда клей высохнет, необходимо проверить настройку каналов и, если настройка нормальная, приступить к измерениям.

Можно отметить, что описанное устройство применимо не только для определения мест предразрушения конструкций, но может быть использовано с широким кругом оптоволоконных датчиков, в которых используется модуляция светового потока в волокне какой-либо контролируемой физической величиной.