Введение

Достижение принципиально новых эксплуатационных и технических показателей в области авиационной, военной и специальной техники является стратегически важной задачей. Приоритетными направлениями развития материалов и технологий являются [1–4]: «умные» конструкции, полимерные композиционные материалы (ПКМ), металлические и неметаллические материалы с памятью формы, математические методы моделирования свойств материалов и конструкций и другие.

Значительное увеличение применения композиционных материалов, в том числе в авиационно-космической технике, а также в других областях, требующих повышенной надежности конструкций [5, 6], таких как нефтедобывающая, строительная и др., делает задачу мониторинга состояния конструкций (технология SHM – structural health monitoring) весьма актуальной [7–9]. Создание и применение «умных» материалов [10, 11], в том числе и с адаптивными свойствами, также требует применения более совершенной системы мониторинга состояния. Такая система должна своевременно выявлять дефекты в конструкции, адекватно реагировать на их наличие и выдавать соответствующие воздействия или рекомендации [12].

Одним из наиболее перспективных подходов является использование оптоволоконных датчиков в качестве составной части системы мониторинга. Оптоволоконные датчики по сравнению классическими имеют ряд существенных преимуществ:

– малую массу;

– высокую чувствительность;

– электромагнитную совместимость;

– возможность объединения в сети, а также мультиплексирования;

– совместимость с конструкциями из ПКМ;

– возможность измерения множества величин.

Большим преимуществом оптоволоконных датчиков также является возможность измерения множества параметров:

– деформации, давления и силы;

– электрических и магнитных полей;

– звука и вибрации;

– pH и вязкости;

– наличия биологических молекул, бактерий и т. д.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы», комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [4].

Классификация оптоволоконных датчиков

Интерферометрические датчики (interferometric sensors):

– интерферометр Фабри–Перо (Fabry–Perot);

– интерферометр Маха–Цендера (Mach–Zender);

– интерферометр Майкельсона (Michelson);

– интерферометр Саньяка (Signac).

Датчики на основе решеток (Grating-based sensors – FBG):

– волоконная брэгговская решетка (Fiber Bragg grating – FBG);

– длиннопериодная волоконная решетка (Long period grating – LPG);

– чирпированная брэгговская решетка (Chirped Fiber Bragg grating);

– наклонная брэгговская решетка (Tilted Fiber Bragg grating);

Распределенные датчики (Distributed optical fibre sensor – DOFS).

– рамановское рассеяние (Raman scattering);

– рэлеевское рассеяние (Rayleigh scattering);

– бриллюэновское рассеяние (Brillouin scattering).

Прочие оптоволоконные датчики:

– для поверхностного плазмонного резонанса (Surface Plasmon Resonance Fiber-Optic Sensors);

– фотонно-кристаллическое оптическое волокно (Photonic-Crystal Fibers for Sensing);

– жидкокристаллическое оптическое волокно (Liquid Crystal Optical Fibers).

Интерферометрические датчики

Наиболее распространенными волоконно-оптическими схемами являются волоконные интерферометры Маха–Цендера, Мейкельсона, Фабри–Перо, Саньяка. Использование резонатора на пути проходящего излучения является отличительной особенностью интерференционных сенсоров. Совмещение или разделение излучений производится с помощью оптоволоконных разветвителей и зеркал, которыми являются диэлектрические покрытия, в том числе и многослойные, нанесенные на торец оптоволокна [13].

За счет возникающего явления интерференции света возможно определение соответствующих параметров материала или происходящих в нем процессов [14–16]. Этот способ позволяет измерять сверхмалые деформации с высокой частотой, что позволяет регистрировать акустические волны в материале.

Разрешение датчиков Фабри–Перо составляет до 0,000015%, диапазон рабочих деформаций ±0,1% и температур – от -40 до +250°С [17]. Датчики Фабри–Перо имеют небольшие линейные размеры и, как правило, длину от 1 до 20 мм. С помощью этих датчиков возможно регистрировать как ультразвуковые колебания, так и акустическую эмиссию. Для выявления повреждений структуры в авиационных конструкциях из ПКМ возможно применение таких датчиков для регистрации акустических волн.

Волоконнаябрэгговскаярешетка (Fiber Bragg Sensing Technology)

Общие положения

Чувствительным элементом точечного оптоволоконного датчика является волоконная брэгговская решетка (ВБР). Волоконная брэгговская решетка отражает излучение с определенной длиной волны и является прозрачной для остальных длин волн. Такое селективное отражение достигается путем создания периодической структуры в сердечнике оптоволокна. Отраженный сигнал регистрируется приемной аппаратурой [18, 19].

Внешнее воздействие на ВБР приводит к изменению параметров решетки Брэгга, что в свою очередь приводит к изменению длины волны, отраженной от нее. По этому изменению можно судить о необходимых характеристиках – деформации, температуре, давлении.

Датчики на основе ВБР не имеют электронных компонентов, т. е. являются пассивными. Это открывает широкие возможности по применению таких датчиков во взрывоопасных зонах и в зонах с сильными электромагнитными помехами.

На одном оптоволокне может быть создано множество брэгговских решеток. Каждая из них будет отражать излучение на собственной длине волны. Это позволяет создавать распределенную систему мониторинга с мультиплексированием по длине волны.

Преимущества датчиков на основе ВБР:

– широкий диапазон измерений;

– возможность интегрировать датчик в объект контроля;

– взрыво- и пожаробезопасность;

– удобство мультиплексирования;

– нечувствительность к электромагнитным помехам;

– устойчивость к действию окружающей среды [20].

Системы опроса оптоволоконных датчиков

на основе брэгговских решеток

Основной принцип работы датчика на основе брэгговских решеток – это выделение информации из отраженного от решетки света. Для этого применяются специальные устройства, называемые интеррогаторами, которые измеряют сдвиг отраженной волны и преобразуют его в электрический сигнал [21–25].

По принципу преобразования длины волны интеррогаторы делятся на следующие типы преобразователей:

– длина волны–амплитуда;

– длина волны–частота;

– длина волны–фаза;

– длина волны–время;

– длина волны–смещение.

Распределенные оптоволоконные датчики

(DistributedSensingTechnology)

При распределенном методе измерения сам оптоволоконный кабель является распределенным чувствительным элементом, т. е. датчиком (рис. 1). Метод основывается на регистрации вынужденного комбинационного рассеяния. Рассеянный сигнал регистрируется приемной аппаратурой [26, 27].

Рис. 1. Система оптоволоконных датчиков:

а – оптоволоконные датчики на основе брэгговской решетки; б – распределенные оптоволоконные датчики [26]

Существует несколько способов обработки сигналов при использовании распределенного датчика: оптовременна́я рефлектометрия на основе рассеяния Рэлея (optical time-domain reflectometry – OTDR), оптовременна́я рефлектометрия на основе рассеяния Рамана (Raman optical time-domain reflectometry – ROTDR) и оптовременна́я рефлектометрия на основе рассеяния Бриллюэна (Brillouin optical time-domain reflectometry – BOTDR).

Метод OTDR основан на рэлеевском рассеянии, вызываемым прохождением света по оптоволокну. Рассеянный сигнал регистрируется фотодетектором.

Метод ROTDR основан на рамановском рассеянии. В данном случае в рассеянном сигнале появляются составляющие спектра, которые отсутствовали в излученном сигнале – стоксовская и антистоксовская компоненты. По соотношению интенсивностей этих компонент возможно определить температуру оптоволокна в любой точке.

Метод BOTDR основан на рассеянии Бриллюэна. О деформации и температуре оптоволокна, также как и при других методах, можно судить по частоте рассеянного света [28, 29].

Свойства оптоволокна можно варьировать в широких пределах, что позволяет получить оптоволокна со свойствами, удовлетворяющими требованиям в зависимости от области применения.

Применение оптоволоконных методов

для мониторинга структурной целостности конструкций

Акустическая эмиссия

В настоящее время прослеживается непрерывная тенденция увеличения использования композиционных материалов в конструкции самолетов. Однако повреждения в конструкциях из ПКМ выявлять значительно сложнее, чем в металлических, – трещины и расслоения в материале могут возникать без видимых повреждений поверхностных слоев [30]. С помощью мониторинга акустической эмиссии можно выявлять появление таких внутренних повреждений, анализируя исходящие от них звуковые волны, а также определять их расположение [30]. Обычные пьезо-акустические датчики мало применимы в авиакосмической области из-за своей чувствительности к электромагнитным помехам, массивных соединительных кабелей, сложности с мультиплексированием и невозможности применения во взрывоопасных зонах [31].

Применение оптоволоконных распределенных систем для мониторинга акустической эмиссии лишено вышеуказанных недостатков. Возможна также локализация источника акустической эмиссии. Для этих целей в работе [32] применен один из методов искусственного интеллекта, а именно – метод опорных векторов (Support Vector Regression – SVR) [33].

Локализация дефектов

Мониторинг состояния конструкций является критически важной задачей для обеспечения безопасности, выявления повреждений и предсказания срока службы конструкции – особенно в аэрокосмической, нефтегазодобывающей и других областях.

Среди различных методов волны Лэмба имеют значительный потенциал выявления повреждений и дефектов – благодаря чувствительности к малым повреждениям и возможности их распространения на сравнительно большие расстояния.

Применение оптоволоконных датчиков на основе брэгговских решеток для детектирования волн Лэмба, в том числе в качестве фазированной решетки, показано в статье [34]. Имея малые размеры и массу, такой датчик может работать в жестких условиях эксплуатации – при большой влажности, под водой, при высоких температурах, а также может быть встроен в структуру композиционного материала [35]. Возможна также генерация звука с помощью оптоволокна и источника лазерного излучения.

Измерение температуры

Наряду с мониторингом механических напряжений измерение температуры является одной из основных задач, решаемых с помощью оптоволоконных датчиков. Измерение температуры производится с использованием как оптоволоконных датчиков на основе брэгговских решеток, так и распределенных оптоволоконных датчиков [14, 36]. Типичными сферами применения оптоволоконных датчиков температуры являются системы пожарного оповещения, термический контроль силовых кабелей и линий электропередач, контроль температуры химических процессов, обнаружение утечек в трубопроводах. Возможно также встраивание такого датчика в изделия из ПКМ и измерение его температурного поля.

Мониторинг напряжений и деформаций

Мониторинг механических напряжений внутри конструкций является одной из наиболее часто решаемых задач с помощью оптоволоконных датчиков [37–44].

В настоящее время наиболее доступными являются сенсоры на основе волоконной брэгговской решетки, принцип работы которой основан на изменении ее периода под воздействием внешних факторов. К такому изменению приводит как изменение деформации решетки, так и изменение ее температуры. Без информации о температуре невозможно дать однозначную оценку деформации. Для учета влияния температуры существуют различные способы – например, применение ВБР другого типа или применение ВБР с различными откликами по деформации или температуре [45]. Подобный тип датчиков используется для мониторинга состояния мостов [46], плотин, строений, трубопроводов, нефтегазовых скважин, линий электропередач.

Использование встраиваемой в материал ВБР в качестве датчика сопряжено с определенными трудностями, связанными прежде всего с тем, что в результирующую деформацию решетки вносят свой вклад как аксиальная, так и радиальная компоненты [47].

По значениям напряжений внутри конструкции возможна оценка ее формы, что особенно важно для применения в «умных» конструкциях [48–51]. В аэрокосмической отрасли применение «умных» конструкций сделает возможным создание уникальных устройств для активного управления аэродинамическими потоками, что значительно повысит эффективность и безопасность авиакосмической техники.

В настоящее время появляется новый тип приборов или систем – так называемая «лаборатория в волокне» (Lab-in-fiber). Это связано с появлением возможности формировать элементы электроники, оптоэлектроники и микромеханики в тонком и гибком волокне. Эти системы предоставляют новые возможности при использовании их в качестве сенсоров при мониторинге состояния конструкций, в робототехнике, в диагностике заболеваний, в системах коммуникаций и др.

На рис. 2 представлен образец микромеханической структуры, сформированный в волокне.

Рис. 2. Микромеханическая структура, созданная в волокне [52, 53]

С помощью фемтосекундного лазера в волокне могут быть также сформированы различные структуры – волноводы, брэгговские решетки, интерферометры, спектрометры, поляризационные элементы, зеркала и др. (рис. 3). Эти структуры могут иметь различную ориентацию, что может решить проблему трехмерного измерения напряжения и определения формы конструкции с помощью волоконной брэгговской решетки.

Рис. 3. Варианты структур, формируемых в оптоволокне с помощью фемтосекундного
лазера [54]

Благодаря сформированным в волокне волноводам появляется возможность выводить излучение не только через концы оптоволокна. Это открывает широкие возможности для создания распределенных сетей подобных датчиков с разными характеристиками.

В волокно также могут быть встроены элементы микроэлектроники, а именно – транзисторы (рис. 4). Увеличение числа транзисторов и их производительности приведет к созданию дискретных логических элементов, применимых для цифровой обработки сигналов. Возможна также аналоговая обработка сигналов – детектирование, усиление, аналого-цифровое преобразование.

Рис. 4. Структуры элементов микроэлектроники (транзистор), сформированные в волокне [55]

Комплексное развитие таких систем может привести к созданию оптоволоконного сенсора, который не требует интеррогатора или содержит его внутри волокна. Такой датчик может быть встроен в материал и не иметь никаких физических связей с внешним миром, т. е. не будет необходимости выводить датчик наружу и обрабатывать результаты его работы на громоздком оборудовании, что позволит улучшить технологичность и уменьшить цену использования таких датчиков. Результаты замеров будут передаваться по радиоканалу, который также будет встроен в волокно.

Заключения

Использование оптоволоконных датчиков для мониторинга состояния конструкций, в том числе конструкций из ПКМ, является весьма перспективным. Увеличивающееся применение композиционных материалов в авиационной технике, а также создание и применение в будущем «умных» материалов и конструкций, в том числе и с адаптивными свойствами, потребует постоянного совершенствования системы мониторинга состояния конструкции, а также оценки ее геометрической формы, остаточного ресурса и других параметров. Перспективные комплексные системы, формируемые в оптоволокне, сочетающие элементы электроники, оптоэлектроники, микромеханики и фотоники, позволят кардинально изменить способы применения оптоволоконных датчиков в авиационных материалах и конструкциях.