Распределённые волоконно–оптические датчики деформации

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Международный Научный Институт & quot-Educatio"- X (17), 2015
21
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
РАСПРЕДЕЛЁННЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДЕФОРМАЦИИ
Виркунин Андрей Олегович
Аспирант 1 курс, СибГУТИ, Новосибирск
DISTRIBUTED FIBER OPTIC SENSORS STRAIN
Virkunin Andrey Olegovich
Postgraduate course 1 SibSUTI, Novosibirsk
АННОТАЦИЯ
В данной статье описаны преимущества и уникальные свойства распределённых волоконно-оптических датчиков в целом и датчиков деформации в частности, а также рассмотрены области их применения.
Детально рассмотрены способы реализации распределённых волоконно-оптических датчиков деформации, основанные на различных оптических явлениях. Указаны преимущества и недостатки каждого из них.
Отдельно рассмотрены методы обработки получаемой от датчиков информации, основанные на принципах интеллектуальных нейронных сетей.
ABSTRACT
This article discusses the advantages and unique features of the distributed optical fiber sensors in general and in particular of strain gauges, as well as their applications are considered.
Considered in detail how to implement a distributed fiber optic strain sensors based on different optical phenomena. These advantages and disadvantages of each.
Separately, the methods of processing information received from the sensors based on the principles of intelligent neural networks.
Ключевые слова: датчики деформации- рассеяние Мандельштама-Брюллиена- нейронные сети.
Keywords: strain gauges- Brillouin scattering- neural networks.
Введение
Современный мир немыслим без автоматизированных систем мониторинга, которые применяются в различных отраслях промышленности, строительства, техники, при добыче полезных ископаемых и т. д. Одним из важнейших параметров для мониторинга является определение и измерение деформации. Измерение данного параметра позволяет проводить раннюю диагностику целостности и может предотвратить разрушение объекта. В некоторых случаях, это может спасти человеческие жизни.
В данной статье описаны преимущества волоконно-оптических датчиков перед традиционными электронными и показан их широчайший диапазон применения. Приведены различные схемы и принципы работы волоконно-оптических датчиков.
Преимущества волоконно-оптических датчиков деформации (ВОДД)
Стоит отметить две тенденции в настоящее время. Во-первых, бурное развитие смежных технологий: волоконно-оптической передачи информации, приема и обработки информации, микропроцессорной техники. Всё это способствует развитию оптоволоконной измерительной техники и удешевлению технологии изготовления. Во-вторых, промышленность и регулирующие органы предъявляют все более жесткие требования к условиям эксплуатации, а именно, требования на помехозащищенность, безопасность измерений, точность и пр. Именно этим критериям удовлетворяют оптоволоконные датчики.
Отметим общие достоинства оптических волокон:
• широкополосность (до нескольких десятков терагерц) —
• малые потери (минимальные 0,154 дБ/км) —
• малый диаметр (не более 125 мкм) —
• малая масса (приблизительно 30 г/км) —
• эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм) —
• механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг) —
• отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии. переходных разговоров.) —
• безиндукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети) —
• взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры) —
• высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10 000 B) —
• высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде. [2, с. 65]
Использование оптических принципов измерений, на которых основаны волоконно-оптические датчики (ВОД), так же является наиболее полным и перспективным техническим решением для экстремальных условий эксплуатации. Использование кварцевого стекла в качестве ма-
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- XI (18), 2015
22
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
териала для ВОД и измерительных линий связи является так и по свойствам радиационной стойкости оптических эффективным решением как по механическим свойствам, кварцевых волокон (рисунок 1).
Рисунок 1. Сравнение свойств нержавеющей стали 08Х18Н10 и кварцевого стекла ГОСТ 15 130 И.
Сравнение точностных характеристик и диапазонов измерения электронных датчиков (ЭД) и волоконно-оптических датчиков (ВОД) для экстремальных условий приведено в таблице 1. [1, с. 36]
Таблица 1
Сравнение точностных характеристик и диапазонов измерения ЭД и ВОД.
Параметр Порог чувствительности Диапазон измерения
ЭД ВОД ЭД ВОД
Деформация, млн-1 10−4 10−14 ±5000 ±15 000
Давление, Па 7*10−4 10−6 2*ю8 6*108
Области применения ВОДД
Благодаря своим уникальным характеристикам, оптоволоконные распределённые датчики деформации нашли свое применение во многих областях.
Системы мониторинга, основанные на данной технологии, благодаря своей масштабируемости, экономически
эффективны при использовании на крупномасштабных объектах. Волоконные датчики также являются самым надёжным решением при работе в агрессивных средах, где они находятся в экстремальных условиях, а так же там, где необходима высокая точность измерений.
Таблица 2
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- X (17), 2015
23
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Отрасли применения распределённых волоконно-оптических датчиков деформации
Отрасль Применение ВОД
Горнодобывающая отрасль пожарное извещение в шахтах мониторинг напряженно-деформированного состояния шахтных стволов и горных выработок распределенный мониторинг конвейерных лент
Нефтяная отрасль мониторинг скважин измерение напряженно-деформированного состояния нефтепроводов
Газовая отрасль оценка ресурса нагнетателя мониторинг состояния фундаментов и элементов несущих конструкций узлов и агрегатов компрессорных станций измерение напряженно-деформированного состояния газопроводов комплексный мониторинг компрессорных станций
Гидроэнергетика мониторинг состояния деривационного тоннеля и шахты вертикального водосброса распределенный мониторинг бассейна суточного регулирования контроль деформации, вибрации, наклона и перемещения для гидро- и турбогенераторов комплексный мониторит гидроагегатов контроль нагрузки и деформации в критических узлах конструкций — мосты, тоннели, дамбы
Электроэнергетика распределенный мониторинг силового кабеля распределенный мониторинг грозотроса мониторинг вибрации генераторов
Строительство и ЖКХ мониторинг элементов конструкции зданий (фундамент, несущие конструкции, балки и перекрытия) мониторинг ключевых параметров несущих конструкций спортивных объектов (стадионы, арены) мониторинг мостов, эстакад мониторинг состояния теплотрас
Авиация и космос внедрение чувствительных элементов в композиционные материалы (мониторинг деформации и температуры) мониторинг для измерения предельных нагрузок на конструктивные части летательных аппаратов (крылья, фюзеляж) бортовая система мониторинга
Транспорт мониторинг участков высокоскоростной железнодорожной линии контроль состояния рельс под воздействием трафика или быстро идущего состава контроль структурного состояния: ж/д путей, монорельсовых дорог, метро, подвижного состава, ж/д туннелей, ж/д мостов
Охрана охрана периметра от несанкционированного проникновения охрана промышленных и складских помещений
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- XI (18), 2015
24
технические науки
Способы реализации ВОДД
Система распределённых волоконно-оптических датчиков может быть реализована несколькими способами. Первый способ — связать несколько дискретных датчиков в сеть или массив с выходами от каждого датчика, мультиплексируемыми с разделением по времени (TDM — time division multiplexing), или частоте (FDM — frequency division multiplexing)
Второй способ заключается в использовании присущей волоконно-оптическим системам возможности создания распределенных сенсоров.
Один из вариантов — использование рефлектометрии, рассеяния Мандельштама-Брюллиена. В оптическое волокно подается свет лазера с высокой выходной мощно-
стью и коротким импульсом излучения, и затем измеряются параметры обратного рассеяния Мандельштама-Брюл-лиена, а также френелевского отражения, от неоднородностей, изгибов, стыков и торцов волокна. По временной задержке между моментом излучения импульса и моментом прихода сигнала обратного рассеяния определяется местоположение неоднородности, по интенсивности излучения обратного рассеяния определяются потери в конкретной точке, а так же величину сдвига и характер деформации объекта. Такое сканирование при помощи большого числа импульсов, а так же обработка и усреднение, позволяют получить картину распределения потерь в линии и их изменение в реальном времени под внешним воздействием (Рисунок 2).
Рисунок 2. Распределенный рефлектометрический сенсор
Второй вариант — использование интерферометрических датчиков на Брэгговских решетках. Отражательные Брэгговские решетки в сердцевине одномодового оптического волокна могут быть созданы ультрафиолетовым излучением эксимерного лазера путем облучения через соответствующую маску либо голографическим способом (воздействием двух интерферирующих лучей). Отрезок оптического волокна между двумя решетками представля-
ет собой интерферометр Фабри-Перо, отражение (и пропускание) которого зависят от оптической разности фаз отраженного от первой и второй решетки оптического сигнала. Под воздействием деформации, меняется разность фаз, а, следовательно, и отражение.
Схема волоконно-оптического распределенного датчика с решетками на одну длину волны приведена на рисунке 3.
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- X (17), 2015
25
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рисунок 3. Схема волоконно-оптического распределенного датчика с решетками на одну длину волны и временным
демультиплексированием
В качестве источника излучения используется одномодовый полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме. Импульсы от каждой системы решеток приходят с различной временной задержкой. Для разделения сигналов от каждого участка используется временное мультиплексирование. Для демодуляции сигнала используется синхронное детектирование, для этого в схему введен фазовый модулятор. Оптическая линия задержки формирует серию импульсов, сдвинутых по времени, каждый из которых интерферирует с импульсом, отраженным от соответствующего участка волокна.
Обработка полученной от ВОДД информации
Для отделения значимых сигналов от шумов и помех, целесообразно использовать анализатор сигналов, основанный на принципе нейронной сети. [3, с. 4] Применение нейронной сети обеспечивает высокую надежность обнаружения при низком уровне ложных срабатываний. Типовая схема блока обработки сигналов приведена на рисунке
4.
Рисунок 4. Схема блока обработки сигналов
В применении к задачам распознавания сигналов, используются нейронные сети. Нейронная сеть или нейрокомпьютер — это вычислительная система, алгоритм решения задач в которой представлен в виде сети пороговых элементов с динамически перестраиваемыми коэффициентами и алгоритмами настройки, независимыми от размерности сети, пороговых элементов и их входного пространства.
Алгоритм обучения нейронной сети (так называемый алгоритм обратного распространения) заключается в том, что выход последнего слоя нейронов сравнивается с образцом обучения, и из разницы между желаемым и действительным делается вывод о том, каковы должны быть связи нейронов последнего слоя с предыдущим. Затем подобная операция производится с нейронами предпоследнего слоя. В итоге по нейросети от выхода к входу бежит волна изме-
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- XI (18), 2015
26
технические науки
нения весов связей. Нейронная сеть, в общем виде, обладает двумя замечательными свойствами: способностью к обучению на некотором множестве примеров и стабильно распознавать (прогнозировать) новые ситуации с высокой степенью точности, причем в условиях сильных внешних помех, таких как появление противоречивых или неполных значений. Обучение системы сводится к работе алгоритма подбора весовых коэффициентов, который действует без непосредственного участия оператора.
Сигнал на вход нейросетевого анализатора подается в виде спектрального вектора, который формируется процессором DSP (digital signal processing), принцип действия которого основан на алгоритмах быстрого преобразование Фурье. На входе процессора расположен адаптивный фильтр, который оптимизирует работу устройства.
Всё это позволяет минимизировать количество ложных срабатываний и значительно улучшить стабильность системы.
Вывод
Развитие науки и техники вынуждает нас использовать точные (прецизионные) системы мониторинга и ранней диагностики разрушения объекта. Исходя из данной статьи, можно сделать вывод о том, что волоконно-оптические датчики имеют неоспоримые преимущества по сравнению с электронными. Точно так же и оптическое волокно превосходит металлические проводники практически по всем параметрам.
Благодаря своим уникальным свойствам, распределённые волоконно-оптические датчики деформации могут
быть использованы во многих сферах деятельности человека. В том числе и там, где электронные датчики использованы быть не могут в принципе (легко воспламеняемые среды, места высокого радиационного фона и т. д.).
Из всех типов распределённых волоконно-оптических датчиков деформации, представленных в данной статье, более предпочтительным является датчик с использованием рефлектометрии, детектировании обратного рассеяния Мандельштама-Брюллиена. Данные датчики позволяют локализовать повреждение объекта более точно по сравнению с подобными датчиками на основе Брэгговских решёток. Кроме того они более просты в изготовлении.
Список литературы.
1. Буймистрюк Г. Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий // Control engineering Россия — 2013 — № 3(45). — С. 34 — 40.
2. Томышев К. А., Баган В. А., Астапенко В. А. Распределённые волоконно-оптические датчики давления для применения в нефтегазовой промышленности // Труды МФТИ — 2012. — Том 4. — № 2. — С. 64 — 72.
3. Иванченко П., Красовский В. Распределенные волоконно-оптические системы для охраны периметра: перспективные технологии. — 2007. [электронный ресурс] - Режим доступа. — URL: [http: //guarda. ru/infra_red/22/]

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой