eng
Волоконно-оптический датчик деформации, обладающий всеми свойствами волоконно-оптической измерительной техники, может успешно применяться в строительстве для контроля перемещений и деформации элементов конструкций. Оптимальную структуру датчика для решения задач строительного мониторинга разработало ООО "Мониторинг-Центр".
Волоконно-оптический датчик деформации (ВОДД) предназначен для контроля деформации в элементах любых строительных конструкций, в том числе находящихся в условиях воздействия сильных электромагнитных полей, повышенной пожаро- и взрывоопасности, радиации и т.д.
Принцип действия сенсорного элемента
В основе действия ВОДД (рис.1) лежит зависимость коэффициента отражения света в сенсорном элементе, жестко связанном с контролируемым объектом, от величины деформации этого объекта. Оптическая схема сенсорного элемента включает в себя участок световода, служащего для передачи и приема излучения, и зеркало, расположенное на расстоянии z от торца световода (рис.2а). При допущении, что коэффициент отражения от зеркала равен 100%, а отражением от торца световода можно пренебречь, доля оптической мощности r (рис.2б), поступающая обратно в световод после отражения от зеркала, равна:
...
где p=2·NA·z/a,
а NA — числовая апертура, характеризующая расходимость света на выходе из световода (см. рис.2а); a — радиус сердцевины световода.
Из зависимости r(z) (рис.3) видно, что в интервале значений z = a–3a функция r(z) близка к линейной. Этот важный факт позволяет утверждать, что если на сенсорный элемент оказывается воздействие, в результате которого изменяется расстояние z, то оптическая мощность, регистрируемая фотоприемным устройством и выводимая на индикатор, представляет собой линейную функцию от величины этого воздействия.
Разработанный в ООО "Мониторинг-Центр" волоконно-оптический датчик деформации амплитудного типа имеет следующие характеристики:
Диапазон измеряемых деформаций 0–10-3
Погрешность измерения 0,5%
Удаленность места управления и
регистрации измерений от наблю-
даемого объекта до 500 м
Размеры датчика диаметр 20 мм, длина 50 мм
Количество измерительных каналов...1—8
Время одного цикла опроса
измерительных каналов 10 с
Потребляемая мощность не более 2 Вт
Особенности создания датчика
Для практической реализации датчика необходимо преодолеть множество проблем, главные из которых могут быть сформулированы так:
· конструкция датчика должна отвечать требованиям точности и долговечности при заданных параметрах эксплуатации;
· необходимо, чтобы технология производства датчика была оптимальна с точки зрения темпов наладки производства и минимизации затрат, а также низкой себестоимости;
· технология установки (монтажа) датчика на различных контролируемых объектах должна быть такой, чтобы его внедрение и адаптация не требовали больших временных и ресурсных затрат.
Конструктивные принципы датчика определяются исходя из перечисленных задач и того факта, что ВОДД, в зависимости от поставленной задачи, может быть закреплен как на наружной поверхности, так и заделан внутрь объекта контроля (например, монолитной конструкции). Конструкция сенсорного элемента и технология его закрепления на объекте контроля должны быть разработаны таким образом, чтобы обеспечивалось взаимно-однозначное соответствие между расстоянием z и величиной измеряемой деформации e (e = Dl/l — относительная деформация объекта).
Необходимо подчеркнуть, что в реальных условиях, с учетом отражения от торца световода, при малых расстояниях z и достаточно узкой ширине спектра источника света Dl<> 20 мкм достаточно применять серийные светодиоды с типичной шириной спектра Dl >> 30—40 нм.
Экспериментальные исследования
Специалистами ООО "Мониторинг-Центр" были проведены экспериментальные исследования работы представленного ВОДД при деформации контрольного объекта (рис.4). В задачи исследований входило сопоставление экспериментальных зависимостей с расчетными, а также определение погрешности датчика. Эксперименты включали в себя две серии:
· внешнее крепление датчика на стальную трубу при помощи эпоксидного клея;
· внутренняя установка датчика путем размещения его в цементно-песчаном образце (ЦПО) при заливке.
В первой серии экспериментов ВОДД наклеивался с помощью эпоксидного клея на внешнюю поверхность стальной трубы вдоль образующей (рис.5). Труба устанавливалась на нижнюю опорную пластину пресса и прижималась верхней пластиной.
Во второй серии датчик помещался в опалубочную форму, заливался цементно-песчаной смесью, и образец выдерживался в течение 28 дней для приобретения требуемой прочности. Затем образец помещался в рабочую область пресса, как и при установке трубы (рис.6).
Исследуемый датчик подключался к мультиметру. Далее происходил цикл ступенчатой нагрузки с шагом 5 т для трубы и с шагом 0,5 т для цементно-песчаного образца. После окончания цикла нагрузки происходил цикл ступенчатой разгрузки с соблюдением условий стабилизации.
Типичные результаты экспериментов представлены на рис. 7 и 8.
Большой объем проведенных экспериментов в сочетании с результатами численного моделирования позволил разработать оптимальную конструкцию датчика для решения задач строительного мониторинга. Рассмотренный датчик как элемент системы технического мониторинга установлен в нескольких зданиях Москвы и Подмосковья.
Принцип действия сенсорного элемента
В основе действия ВОДД (рис.1) лежит зависимость коэффициента отражения света в сенсорном элементе, жестко связанном с контролируемым объектом, от величины деформации этого объекта. Оптическая схема сенсорного элемента включает в себя участок световода, служащего для передачи и приема излучения, и зеркало, расположенное на расстоянии z от торца световода (рис.2а). При допущении, что коэффициент отражения от зеркала равен 100%, а отражением от торца световода можно пренебречь, доля оптической мощности r (рис.2б), поступающая обратно в световод после отражения от зеркала, равна:
...
где p=2·NA·z/a,
а NA — числовая апертура, характеризующая расходимость света на выходе из световода (см. рис.2а); a — радиус сердцевины световода.
Из зависимости r(z) (рис.3) видно, что в интервале значений z = a–3a функция r(z) близка к линейной. Этот важный факт позволяет утверждать, что если на сенсорный элемент оказывается воздействие, в результате которого изменяется расстояние z, то оптическая мощность, регистрируемая фотоприемным устройством и выводимая на индикатор, представляет собой линейную функцию от величины этого воздействия.
Разработанный в ООО "Мониторинг-Центр" волоконно-оптический датчик деформации амплитудного типа имеет следующие характеристики:
Диапазон измеряемых деформаций 0–10-3
Погрешность измерения 0,5%
Удаленность места управления и
регистрации измерений от наблю-
даемого объекта до 500 м
Размеры датчика диаметр 20 мм, длина 50 мм
Количество измерительных каналов...1—8
Время одного цикла опроса
измерительных каналов 10 с
Потребляемая мощность не более 2 Вт
Особенности создания датчика
Для практической реализации датчика необходимо преодолеть множество проблем, главные из которых могут быть сформулированы так:
· конструкция датчика должна отвечать требованиям точности и долговечности при заданных параметрах эксплуатации;
· необходимо, чтобы технология производства датчика была оптимальна с точки зрения темпов наладки производства и минимизации затрат, а также низкой себестоимости;
· технология установки (монтажа) датчика на различных контролируемых объектах должна быть такой, чтобы его внедрение и адаптация не требовали больших временных и ресурсных затрат.
Конструктивные принципы датчика определяются исходя из перечисленных задач и того факта, что ВОДД, в зависимости от поставленной задачи, может быть закреплен как на наружной поверхности, так и заделан внутрь объекта контроля (например, монолитной конструкции). Конструкция сенсорного элемента и технология его закрепления на объекте контроля должны быть разработаны таким образом, чтобы обеспечивалось взаимно-однозначное соответствие между расстоянием z и величиной измеряемой деформации e (e = Dl/l — относительная деформация объекта).
Необходимо подчеркнуть, что в реальных условиях, с учетом отражения от торца световода, при малых расстояниях z и достаточно узкой ширине спектра источника света Dl<> 20 мкм достаточно применять серийные светодиоды с типичной шириной спектра Dl >> 30—40 нм.
Экспериментальные исследования
Специалистами ООО "Мониторинг-Центр" были проведены экспериментальные исследования работы представленного ВОДД при деформации контрольного объекта (рис.4). В задачи исследований входило сопоставление экспериментальных зависимостей с расчетными, а также определение погрешности датчика. Эксперименты включали в себя две серии:
· внешнее крепление датчика на стальную трубу при помощи эпоксидного клея;
· внутренняя установка датчика путем размещения его в цементно-песчаном образце (ЦПО) при заливке.
В первой серии экспериментов ВОДД наклеивался с помощью эпоксидного клея на внешнюю поверхность стальной трубы вдоль образующей (рис.5). Труба устанавливалась на нижнюю опорную пластину пресса и прижималась верхней пластиной.
Во второй серии датчик помещался в опалубочную форму, заливался цементно-песчаной смесью, и образец выдерживался в течение 28 дней для приобретения требуемой прочности. Затем образец помещался в рабочую область пресса, как и при установке трубы (рис.6).
Исследуемый датчик подключался к мультиметру. Далее происходил цикл ступенчатой нагрузки с шагом 5 т для трубы и с шагом 0,5 т для цементно-песчаного образца. После окончания цикла нагрузки происходил цикл ступенчатой разгрузки с соблюдением условий стабилизации.
Типичные результаты экспериментов представлены на рис. 7 и 8.
Большой объем проведенных экспериментов в сочетании с результатами численного моделирования позволил разработать оптимальную конструкцию датчика для решения задач строительного мониторинга. Рассмотренный датчик как элемент системы технического мониторинга установлен в нескольких зданиях Москвы и Подмосковья.
Отзывы читателей
