RU2834614C1 - Method of measuring thermomechanical action - Google Patents
Method of measuring thermomechanical action Download PDFInfo
- Publication number
- RU2834614C1 RU2834614C1 RU2024121492A RU2024121492A RU2834614C1 RU 2834614 C1 RU2834614 C1 RU 2834614C1 RU 2024121492 A RU2024121492 A RU 2024121492A RU 2024121492 A RU2024121492 A RU 2024121492A RU 2834614 C1 RU2834614 C1 RU 2834614C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- intensity
- light flux
- optical fiber
- thermomechanical
- Prior art date
Links
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 43
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 43
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 43
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 39
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 33
- XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N Fluoroform Chemical compound FC(F)F XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 18
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 claims description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 8
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 5
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике нахождения локации, величины одиночного (сосредоточенного) термомеханического воздействия или спектра множественного (распределенного) термомеханического воздействия, в частности, ударного импульса (например, кусочками бетонной крошки из-под переднего колеса при взлете с взлетно-посадочной полосы, осколками снарядов и пуль в боевых ситуациях) или квазистатических вдавливаний жестких частиц на поверхность индикаторного полимерного покрытия.The invention relates to measuring technology for finding the location, the magnitude of a single (concentrated) thermomechanical effect or the spectrum of multiple (distributed) thermomechanical effects, in particular, an impact pulse (for example, pieces of concrete chips from under the front wheel during takeoff from the runway, fragments of shells and bullets in combat situations) or quasi-static indentations of hard particles onto the surface of an indicator polymer coating.
Наиболее близким способом измерения термомеханического воздействия является способ измерения спектра распределенного термомеханического воздействия (см. Патент RU № 2766425, опубл. 15.03.2022 г.), при котором используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя со встроенным в виде плоской спирали пьезоэлектролюминесцентным (PEL) оптоволоконным датчиком, осуществляют регулирование интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна посредством изменения управляющего параметра –электрического напряжения на выходах (расположенных вблизи выхода оптоволокна) протяженных электродов оптоволоконного PEL-датчика. Измерение термомеханического воздействия осуществляют по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна как функции управляющего электрического напряжения и искомый спектр множественного (распределенного) термомеханического воздействия по поверхности индикаторного покрытия находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода.The closest method for measuring the thermomechanical effect is the method for measuring the spectrum of the distributed thermomechanical effect (see Patent RU No. 2766425, published on 15.03.2022), which uses an indicator coating as a "coating/sensor" system in the form of a polymer layer with a built-in piezoelectric luminescent (PEL) fiber optic sensor in the form of a flat spiral, regulating the intensity of the light flux at the output of the optical fiber by changing the control parameter - the electrical voltage at the outputs (located near the output of the optical fiber) of the extended electrodes of the fiber optic PEL sensor. The thermomechanical effect is measured based on the measured intensity of the light flux at the output of the optical fiber as a function of the control electrical voltage, and the desired spectrum of the multiple (distributed) thermomechanical effect over the surface of the indicator coating is found from the sequential solution of two Fredholm integral equations of the first kind.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, – используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя со встроенным в виде спирали оптоволоконным датчиком; осуществляют регулирование интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна посредством изменения управляющего параметра на выходе оптоволокна; измерение термомеханического воздействия осуществляют по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна как функции управляющего параметра, в частности, спектр множественного (распределенного) термомеханического воздействия по поверхности индикаторного покрытия находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода. Данный способ принят за прототип.The prototype features that coincide with the essential features of the claimed invention are as follows: the indicator coating is used as a "coating/sensor" system in the form of a polymer layer with a built-in fiber optic sensor in the form of a spiral; the intensity of the light flux at the output of the fiber optic is regulated by changing the control parameter at the output of the fiber optic; the thermomechanical effect is measured based on the measured intensity of the light flux at the output of the fiber optic as a function of the control parameter, in particular, the spectrum of the multiple (distributed) thermomechanical effect on the surface of the indicator coating is found from the successive solution of two Fredholm integral equations of the first kind. This method is adopted as a prototype.
Недостатками известного способа измерения термомеханического воздействия, принятого за прототип, являются:The disadvantages of the known method of measuring thermomechanical impact, adopted as a prototype, are:
- низкая чувствительность и точность измерения, обусловленная малой величиной коэффициента прохождения светового потока (генерируемого электролюминисцентным слоем) внутрь оптоволокна (световода) через его боковую поверхность,- low sensitivity and measurement accuracy due to the low value of the coefficient of transmission of the luminous flux (generated by the electroluminescent layer) into the optical fiber (light guide) through its lateral surface,
- ограниченность области использования, так как наличие управляющего электрического напряжения на электродах (токопроводящей линии) датчика делает невозможным его использование на взрывоопасных объектах.- limited scope of use, since the presence of control electrical voltage on the electrodes (current-carrying line) of the sensor makes it impossible to use it at explosive sites.
Задачей изобретения является повышение чувствительности и точности измерения, расширение области использования способа измерения термомеханического воздействия.The objective of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measurements and expand the scope of application of the method for measuring thermomechanical effects.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерения термомеханического воздействия, при котором используют индикаторное покрытие как систему «покрытие/датчик» в виде полимерного слоя со встроенным в виде спирали оптоволоконным датчиком, осуществляют регулирование интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна посредством изменения управляющего параметра на выходе оптоволокна, измерение термомеханического воздействия осуществляют по измеренной интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна как функции управляющего параметра, спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по поверхности индикаторного покрытия находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, согласно изобретению используют механофотолюминесцентный (MFL) оптоволоконный датчик (см. Патент RU № 2799986, опубл.14.07.2023.) в виде оптоволокна, легированного капсулированными флюороформными оболочками механолюминесцентными частицами, и управляющий параметр в виде интенсивности входящего в оптоволокно управляющего светового потока с частотным спектром светоотдачи механолюминесцентных частиц, измерения термомеханического воздействия осуществляют по результатам измерения на выходе из оптоволокна интенсивности информативного светового потока с частотным спектром фотолюминесценции флюороформных оболочек капсулированных частиц, локацию и величину одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия на индикаторное покрытие находят по измеренному количеству, величинам интенсивностей и значениям временных промежутков между световыми импульсами информативного светового потока на выходе из оптоволокна, спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по индикаторному покрытию находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, в которых левая часть первого уравнения – это функция интенсивности информативного светового потока от управляющего параметра, а левая часть второго уравнения – это решение первого уравнения в виде спектра распределения давления по длине оптоволокна.The stated problem is solved due to the fact that in the known method for measuring the thermomechanical effect, in which an indicator coating is used as a "coating/sensor" system in the form of a polymer layer with a built-in fiber optic sensor in the form of a spiral, the intensity of the luminous flux at the output of the optical fiber is regulated by changing the control parameter at the output of the optical fiber, the thermomechanical effect is measured based on the measured intensity of the luminous flux at the output of the optical fiber as a function of the control parameter, the spectrum of the multiple distributed thermomechanical effect over the surface of the indicator coating is found from the sequential solution of two Fredholm integral equations of the first kind, according to the invention, a mechanophotoluminescent (MFL) fiber optic sensor is used (see Patent RU No. 2799986, published on 14.07.2023.) in the form of an optical fiber doped with encapsulated fluoroform shells of mechanoluminescent particles, and a control parameter in the form of intensity the control light flux entering the optical fiber with the frequency spectrum of the light output of the mechanoluminescent particles, the thermomechanical impact is measured based on the results of measuring the intensity of the informative light flux with the frequency spectrum of the photoluminescence of the fluoroform shells of the encapsulated particles at the output of the optical fiber, the location and magnitude of the single concentrated thermomechanical impact on the indicator coating are found based on the measured quantity, intensity values and values of the time intervals between light pulses of the informative light flux at the output of the optical fiber, the spectrum of the multiple distributed thermomechanical impact on the indicator coating is found from the sequential solution of two Fredholm integral equations of the first kind, in which the left-hand side of the first equation is a function of the intensity of the informative light flux from the control parameter, and the left-hand side of the second equation is the solution of the first equation in the form of a pressure distribution spectrum along the length of the optical fiber.
Может использоваться индикаторное покрытие со встроенным оптоволоконным датчиком в виде спирали Архимеда и локацию одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия осуществляют через вычисление ее радиальной ρ• = cτ•/(2π) и угловой полярных координат по измеренному значению интервала времени τ• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины регистрируемой на выходе из световода последовательности световых импульсов, где – шаг спирали, c – скорость распространения светового импульса в световоде. An indicator coating with a built-in fiber-optic sensor in the form of an Archimedes spiral can be used, and the location of a single concentrated thermomechanical effect is carried out by calculating its radial ρ • = cτ • /(2π) and angular polar coordinates based on the measured value of the time interval τ • between two maximal adjacent pulses from the middle of the sequence of light pulses recorded at the output of the optical fiber, where – helix pitch, c – speed of propagation of light pulse in the light guide.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, – используют механофотолюминесцентный (MFL) оптоволоконный датчик в виде оптоволокна, легированного капсулированными флюороформными оболочками механолюминесцентными частицами, и управляющий параметр в виде интенсивности входящего в оптоволокно управляющего светового потока с частотным спектром светоотдачи механолюминесцентных частиц; измерения термомеханического воздействия осуществляют по результатам измерения на выходе из оптоволокна интенсивности информативного светового потока с частотным спектром фотолюминесценции флюороформных оболочек капсулированных частиц; локацию и величину одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия на индикаторное покрытие находят по измеренному количеству, величинам интенсивностей и значениям временных промежутков между световыми импульсами информативного светового потока на выходе из оптоволокна; спектр множественного распределенного термомеханического воздействия по индикаторному покрытию находят из последовательного решения двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, в которых левая часть первого уравнения – это функция интенсивности информативного светового потока от управляющего параметра, а левая часть второго уравнения – это решение первого уравнения в виде спектра распределения давления по длине оптоволокна; используют индикаторное покрытие со встроенным оптоволоконным датчиком в виде спирали Архимеда и локацию одиночного сосредоточенного термомеханического воздействия осуществляют через вычисление ее радиальной ρ• = cτ•/(2π) и угловой полярных координат по измеренному значению интервала времени τ• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины регистрируемой на выходе из световода последовательности световых импульсов, где – шаг спирали, c – скорость распространения светового импульса в световоде. The features of the claimed technical solution, which are distinctive from the prototype, are the use of a mechanophotoluminescent (MFL) fiber optic sensor in the form of an optical fiber doped with encapsulated fluoroform shells of mechanoluminescent particles, and a control parameter in the form of the intensity of the control light flux entering the optical fiber with the frequency spectrum of the light output of the mechanoluminescent particles; measurements of the thermomechanical effect are carried out based on the results of measuring the intensity of the informative light flux with the frequency spectrum of the photoluminescence of the fluoroform shells of the encapsulated particles at the output from the optical fiber; the location and magnitude of a single concentrated thermomechanical effect on the indicator coating are found based on the measured quantity, intensity values and values of time intervals between light pulses of the informative light flux at the output from the optical fiber; the spectrum of multiple distributed thermomechanical action on the indicator coating is found from the successive solution of two integral Fredholm equations of the first kind, in which the left part of the first equation is a function of the intensity of the informative light flux from the control parameter, and the left part of the second equation is the solution of the first equation in the form of a pressure distribution spectrum along the length of the optical fiber; an indicator coating with a built-in fiber-optic sensor in the form of an Archimedes spiral is used, and the location of a single concentrated thermomechanical action is carried out by calculating its radial ρ • = cτ • /(2π) and angular polar coordinates based on the measured value of the time interval τ • between two maximal adjacent pulses from the middle of the sequence of light pulses recorded at the output of the optical fiber, where – helix pitch, c – speed of propagation of light pulse in the light guide.
Отличительные признаки в совокупности с известными обуславливают достижение заявленного результата – повышение чувствительности и точности измерения, расширение области использования способа измерения термомеханического воздействия.The distinctive features, together with the known ones, determine the achievement of the stated result – an increase in the sensitivity and accuracy of measurements, an expansion of the scope of application of the method of measuring thermomechanical impact.
Способ измерения термомеханического воздействия иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 - 3.The method for measuring thermomechanical impact is illustrated by the drawings presented in Figs. 1 - 3.
На фиг.1 изображено индикаторное покрытие со встроенной спиралью оптоволоконного MFL-датчика.Fig. 1 shows an indicator coating with a built-in fiber optic MFL sensor coil.
На фиг.2 изображен фрагмент оптоволоконного MFL-датчика.Fig. 2 shows a fragment of a fiber optic MFL sensor.
На фиг.3 изображена расчетная схема локации одиночного механического воздействия.Fig. 3 shows the calculation scheme for the location of a single mechanical impact.
Индикаторное полимерное покрытие – это полимерный слой 1 со встроенным в виде плоской спирали, например, спирали Архимеда оптоволоконным механофотолюминесцентным (MFL) датчиком 2; в центре спирали установлен фотодетектор 3 (фиг.1). На фиг.1 изображен случай непересекающихся полидисперсных «зон возмущений» 4 с «пятнами контакта» 5 при множественном (многоточечном) механическом воздействии ударного типа жестких шаровых частиц.The indicator polymer coating is a polymer layer 1 with a built-in fiber-optic mechanophotoluminescent (MFL) sensor 2 in the form of a flat spiral, for example, an Archimedes spiral; a photodetector 3 is installed in the center of the spiral (Fig. 1). Fig. 1 shows the case of non-intersecting polydisperse "perturbation zones" 4 with "contact spots" 5 under multiple (multipoint) mechanical action of the impact type of rigid spherical particles.
На фиг.2 изображен фрагмент механофотолюминесцентного оптического волокна - оптоволоконного MFL-датчика 2 давления p, в котором механолюминесцентные частицы 6 (наночастицы) капсулированы флюороформными оболочками 7 со статистически однородным распределением таких MFL-капсул по объему световода 8 оптоволоконного MFL-датчика 2 с защитной оболочкой 9. Fig. 2 shows a fragment of a mechanophotoluminescent optical fiber - a fiber-optic MFL sensor 2 of pressure p , in which mechanoluminescent particles 6 (nanoparticles) are encapsulated by fluoroform shells 7 with a statistically uniform distribution of such MFL capsules over the volume of the light guide 8 of the fiber-optic MFL sensor 2 with a protective shell 9.
На фиг.3 изображена расчетная схема локации одиночного механического воздействия в точке А индикаторного полимерного покрытия для случая наличия лишь одной «зоны возмущения» 4, включающей в себя две «дуги возмущения» 10 на втором и третьем витках спирали Архимеда оптоволоконного MFL-датчика.Fig. 3 shows a calculation scheme for the location of a single mechanical impact at point A of the indicator polymer coating for the case of the presence of only one “disturbance zone” 4, which includes two “disturbance arcs” 10 on the second and third turns of the Archimedes spiral of the fiber optic MFL sensor.
Множественное механическое (силовое) воздействие на индикаторное покрытие (фиг.1) осуществляется через упругое квазистатическое вдавливание в покрытие одинаковых по размерам жестких шаровых частиц с «пятнами контакта» 5 разными (нормальными к поверхности покрытия) силами , которые являются реализациями некоторой случайной величины , где - число реализаций. Взаимное расположение шаровых частиц по поверхности индикаторного покрытия такое, что полидисперсные «зоны возмущений» 4 – области внутри пунктирных окружностей индикаторного покрытия от действия на частицы этих сил не пересекаются между собой; радиус зоны возмущения пропорционален значению силы, действующей на частицу в этой зоне. В каждой «макроточке» – элементарном объеме индикаторного покрытия расположен фрагмент спирали оптоволоконного MFL-датчика; для предельного случая шаг спирали .Multiple mechanical (force) impact on the indicator coating (Fig. 1) is carried out through elastic quasi-static pressing into the coating of identically sized rigid spherical particles with “contact spots” of 5 different (normal to the coating surface) forces , which are realizations of some random variable , Where - number of realizations. The mutual arrangement of spherical particles on the surface of the indicator coating is such that the polydisperse "perturbation zones" 4 - areas inside the dotted circles of the indicator coating from the action of these forces on the particles do not intersect each other; the radius of the perturbation zone is proportional to the value of the force acting on the particle in this zone. In each "macropoint" - an elementary volume of the indicator coating, there is a fragment of the spiral of the fiber optic MFL sensor; for the limiting case, the spiral pitch is .
В оптоволоконном MFL-датчике 2 (фиг.2) фотолюминесценция каждой флюороформной оболочки 7 вызывается воздействием механолюминесцентного «внутреннего» излучения от капсулированного внутри нее ядра - механолюминесцентной частицы 6 с учетом дополнительного «внешнего» управляющего светового потока механолюминесцентного спектра. Механолюминесцентные частицы 6 и флюороформные оболочки 7 имеют различные частотные спектры излучений. Для рассматриваемых рабочих диапазонов действующих напряжений (давления p, см.фиг.2) интенсивность излучения I ml каждой механолюминесцентной частицы 6 не превышает порогового значения I min для начала фотолюминесценции своей флюороформной оболочки 7. Фотолюминесценция флюороформных оболочек 7 происходит лишь при дополнительном воздействии на них внешнего управляющего светового потока с интенсивностью I con, при этом результирующее значение действующей на каждую флюороформную оболочку 7 интенсивности I* ml = I ml + I con для единого частотного спектра механолюминесцентных частиц 4 и управляющего светового потока. «Вход/выход» световода 8 оптического волокна – оптоволоконного MFL-датчика 2 (фиг.2) выполнен с возможностью входа управляющего светового потока с заданной интенсивностью I con , спектр которого совпадает (или как можно точнее приближен) со спектром излучения механолюминесцентных частиц 6, и с возможностью приема/цифровой обработки характеристик интенсивности выходящего информативного светового потока I inf = I fl со спектром излучения флюороформных частиц (фиг.2). In the fiber-optic MFL sensor 2 (Fig. 2), the photoluminescence of each fluoroform shell 7 is caused by the action of mechanoluminescent "internal" radiation from the core encapsulated inside it - mechanoluminescent particle 6, taking into account the additional "external" control light flux of the mechanoluminescent spectrum. Mechanoluminescent particles 6 and fluoroform shells 7 have different frequency spectra of radiation. For the considered working ranges of the acting voltages (pressure p , see Fig. 2), the radiation intensity I ml of each mechanoluminescent particle 6 does not exceed the threshold value I min for the onset of photoluminescence of its fluoroform shell 7. Photoluminescence of fluoroform shells 7 occurs only with the additional action of an external control light flux with intensity I con on them, while the resulting value of the intensity acting on each fluoroform shell 7 is I* ml = I ml + I con for a single frequency spectrum of mechanoluminescent particles 4 and the control light flux. The “input/output” of the light guide 8 of the optical fiber – the fiber optic MFL sensor 2 (Fig. 2) is designed with the possibility of receiving the control light flux with a given intensity I con , the spectrum of which coincides with (or is as accurately approximated as possible) the emission spectrum of the mechanoluminescent particles 6, and with the possibility of receiving/digitally processing the characteristics of the intensity of the outgoing informative light flux I inf = I fl with the emission spectrum of the fluoroform particles (Fig. 2).
Способ измерения спектра распределенного термомеханического воздействия, в частности, спектра сил вдавливаний (ударных импульсов) множества однотипных жестких шаровых частиц, распределенных по поверхности индикаторного покрытия, осуществляется следующим образом:A method for measuring the spectrum of distributed thermomechanical action, in particular, the spectrum the indentation forces (impact pulses) of a multitude of identical rigid spherical particles distributed over the surface of the indicator coating are carried out as follows:
1) Измеряют интенсивность интегрального информативного светового потока на выходе из оптоволокна MFL-датчика 2 для различных значений интенсивности входящего в оптоволокно управляющего светового потока I con,1) Measure the intensity integral informative light flux at the output from the optical fiber of the MFL sensor 2 for different values of the intensity of the control light flux entering the optical fiberI con,
2) Вычисляют «спектр давления» - спектр распределенного механического воздействия (давления) вдоль спирали MFL-датчика 2 (встроенного в индикаторное покрытие) из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода2) Calculate the "pressure spectrum" - spectrum of distributed mechanical action (pressure) along the spiral of MFL sensor 2 (built into the indicator coating) from the solution of the Fredholm integral equation of the first kind
где - измеренная информативная функция интенсивности фотолюминесцентного (FL) светового потока на выходе оптоволокна, ядроWhere - measured informative function of the intensity of photoluminescent (FL) light flux at the output of the optical fiber, the core
- величина результирующего FL-светового потока на выходе из световода при его однородном по всей длине нагружении, световой поток светоотдачи одиночной FL-оболочки - the value of the resulting FL-luminous flux at the output of the light guide when it is uniform along the entire length loading, luminous flux of light output of a single FL-shell
, ,
как функция значений результирующего ML-светового потока. Величина - малая часть управляющего светового потока (видеоимпульса), которая поглощается FL-оболочкой, где - известный «коэффициент поглощения» одиночной частицы (значение которого зависит, в частности, от оптических свойств и отношения диаметров оболочки частицы и световода), - число капсулированных MFL-частиц на единицу длины световода, коэффициент - характеристика датчика.as a function of values resulting ML-luminous flux. The magnitude - a small part of the control light flux (video pulse), which is absorbed by the FL shell, where - the known “absorption coefficient” of a single particle (the value of which depends, in particular, on the optical properties and the ratio of the diameters of the particle shell and the light guide), - the number of encapsulated MFL particles per unit length of the optical fiber, the coefficient - sensor characteristics.
3) Вычисляют искомый «спектр сил» - спектр распределенного механического воздействия в виде сил вдавливаний множества однотипных жестких шаровых частиц, распределенных по поверхности индикаторного покрытия, из решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода3) Calculate the desired “spectrum of forces” - the spectrum of distributed mechanical action in the form of indentation forces of a multitude of identical rigid spherical particles distributed over the surface of the indicator coating, from the solution of the Fredholm integral equation of the first kind
с ядром Фредгольмаwith Fredholm kernel
, ,
где , , - известные функции. Вид функции следует из известной монотонной зависимости (см., например, Белоус П.А. Осесимметричные задачи теории упругости. - Одесса: ОГПУ, 2000. - 183 с.) для величины напряжения в «зоне возмущений» от значений силы и радиальной координаты , радиус границы (окружности) «зоны возмущения» при действии силы , при этом на границе зоны возмущения () имеем .Where , , - known functions. Function type follows from the well-known monotonic dependence (see, for example, Belous P.A. Axisymmetric problems of elasticity theory. - Odessa: OGPU, 2000. - 183 p.) for the magnitude of stress in the "zone of disturbances" from the force values and radial coordinate , the radius of the boundary (circle) of the "disturbance zone" under the action of force , while at the boundary of the disturbance zone ( ) we have .
Одиночное термо-механическое воздействие (фиг.3), например, в виде квазистатического вдавливания силой P жесткой шаровой частицы в точке А инициирует круговую «область возмущения» с радиусом r о внутри индикаторного покрытия и, как следствие, появление у встроенного в него в виде спирали Архимеда (с уравнением в полярной системе координат, где – шаг спирали) оптоволоконного MFL-датчика некоторого числа n «дуг возмущений», генерирующих в оптоволокне световые импульсы, на различных витках спирали (фиг.3). Считаем, что величина силового воздействия P такая, что значение радиуса r о зоны возмущения равно или превышает шаг a спирали. Выполнение этого условия обуславливает наличие как минимум двух дуг возмущений (и, как следствие, двух световых импульсов) при произвольном положении точки А относительно соседних витков спирали. A single thermo-mechanical action (Fig. 3), for example, in the form of a quasi-static pressing by force P of a rigid spherical particle at point A initiates a circular “region of disturbance” with a radius r o inside the indicator coating and, as a consequence, the appearance of an Archimedes spiral (with the equation in the polar coordinate system, where – the pitch of the spiral) of the fiber-optic MFL sensor of a certain number n of "arcs of disturbances" generating light pulses in the fiber, on different turns of the spiral (Fig. 3). We assume that the magnitude of the force action P is such that the value of the radius r o of the disturbance zone is equal to or exceeds the pitch a of the spiral. Fulfillment of this condition causes the presence of at least two arcs of disturbances (and, as a consequence, two light pulses) at an arbitrary position of point A relative to the neighboring turns of the spiral.
Локацию точки А - «эпицентра» зоны возмущения от одиночного силового воздействия P осуществляем через вычисление радиальной ρ• и угловой ее полярных координат The location of point A, the “epicenter” of the disturbance zone from a single force action P, is carried out by calculating the radial ρ • and angular its polar coordinates
по измеренному значению интервала времени τ• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины регистрируемой на выходе из световода последовательности световых импульсов с учетом, что длина информативного локационного витка спирали Δ•=2πρ• между точками M и N (фиг.3) равна длине окружности с радиусом ρ• - искомой радиальной координатой точки А. При этом величина длины Δ•=сτ• локационного витка MN спирали вычисляется по измеренному значению τ•, а величина вычисляется через найденное значение по уравнению спирали . По количеству и величине наблюдаемых на выходе из световода световых импульсов делаем оценку размера (радиуса) круговой области возмущения и, как результат, определяем величину P одиночного силового воздействия жесткой шаровой частицы на поверхность индикаторного покрытия (фиг.3). Отметим, что решение , для локации точки А (эпицентра) получено для случая, когда точка А расположена на равном удалении от соседних витков, т.е. посередине прямолинейного отрезка MN на фиг.3 и, как следствие, выполняется равенство , что является приемлемым приближением для практического применения решения с использованием индикаторного MFL-покрытия с большим числом витков и малым (относительно радиуса зоны возмущения) значением шага a спирали.based on the measured value of the time interval τ • between two maximal adjacent pulses from the middle of the sequence of light pulses recorded at the output of the light guide, taking into account that the length of the informative location turn of the spiral Δ • =2πρ • between points M and N (Fig. 3) is equal to the length of a circle with radius ρ • - the sought radial coordinate of point A. In this case, the value of the length Δ • = with τ • of the location turn MN of the spiral is calculated based on the measured value τ • , and the value calculated using the found value according to the spiral equation . Based on the number and magnitude of the light pulses observed at the output of the light guide, we estimate the size (radius) of the circular disturbance region and, as a result, determine the magnitude P of a single force action of a rigid spherical particle on the surface of the indicator coating (Fig. 3). Note that the solution , for the location of point A (epicenter) is obtained for the case when point A is located at an equal distance from the adjacent turns, i.e. in the middle of the straight line segment MN in Fig. 3 and, as a consequence, the equality is satisfied , which is an acceptable approximation for the practical application of the solution using an indicator MFL coating with a large number of turns and a small (relative to the radius of the disturbance zone) value of the pitch a of the spiral.
В результате достигается технический результат – повышение чувствительности и точности измерения, расширение области использования способа измерения термомеханического воздействия.As a result, a technical result is achieved – an increase in the sensitivity and accuracy of measurements, an expansion of the scope of application of the method for measuring thermomechanical effects.
Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования решения краевой задачи теории упругости о вдавливании одиночной или множества жестких шаровых частиц в поверхность представительного фрагмента индикаторного полимерного покрытия со встроенным оптоволоконным MFL-датчиком.The specified technical result is confirmed by the results of numerical modeling of the solution of the boundary value problem of elasticity theory on the pressing of a single or multiple rigid spherical particles into the surface of a representative fragment of an indicator polymer coating with a built-in fiber-optic MFL sensor.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2834614C1 true RU2834614C1 (en) | 2025-02-11 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017014870A1 (en) * | 2015-07-21 | 2017-01-26 | Apple Inc. | Transparent strain sensors in an electronic device |
| RU2630537C1 (en) * | 2016-09-06 | 2017-09-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Fiber optic pressure sensor |
| RU2643692C1 (en) * | 2017-04-04 | 2018-02-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Fibre-optic volumetric stress sensor |
| RU2698958C1 (en) * | 2018-12-21 | 2019-09-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Sensor system |
| RU2766425C1 (en) * | 2021-04-12 | 2022-03-15 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method for measuring the spectrum of distributed thermomechanical effects |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017014870A1 (en) * | 2015-07-21 | 2017-01-26 | Apple Inc. | Transparent strain sensors in an electronic device |
| RU2630537C1 (en) * | 2016-09-06 | 2017-09-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Fiber optic pressure sensor |
| RU2643692C1 (en) * | 2017-04-04 | 2018-02-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Fibre-optic volumetric stress sensor |
| RU2698958C1 (en) * | 2018-12-21 | 2019-09-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Sensor system |
| RU2766425C1 (en) * | 2021-04-12 | 2022-03-15 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method for measuring the spectrum of distributed thermomechanical effects |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Panckov А.А., "Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields", Sensors and Actuators A: Physical, 2019, vol. 288,- pp. 171-176. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101086549B1 (en) | Devices including laser sources and optical trains, speckle-based motion detectors, optical mice, computer systems and methods of generating and modifying laser beams | |
| JP6490554B2 (en) | Optical impedance modulation for fuel quantity measurement | |
| US11353367B2 (en) | Fibre optic temperature measurement | |
| EP0281077A2 (en) | Photoelectric conversion sensor for measuring particle size distribution | |
| Bell | Propagation of large amplitude waves in annealed aluminum | |
| Savolainen et al. | Multifrequency VLBA monitoring of 3C 273 during the INTEGRAL Campaign in 2003-I. Kinematics of the parsec scale jet from 43 GHz data | |
| CN106248224A (en) | Optical detection device and optical detection system | |
| RU2834614C1 (en) | Method of measuring thermomechanical action | |
| SE542345C2 (en) | Device for measuring a property of a measurement object by luminescence | |
| WO2022163679A1 (en) | Diamond sensor unit | |
| Zellner et al. | Photon Doppler velocimetry (PDV) characterization of shaped charge jet formation | |
| Rao et al. | A model for RF scattering from field‐aligned heater‐induced irregularities | |
| He et al. | Schlieren techniques for observations of long positive sparks: Review and application | |
| Hul et al. | Investigation of nodal domains in the chaotic microwave ray-splitting rough billiard | |
| CN108802744A (en) | A kind of method and apparatus of remote laser ranging | |
| JP7738019B2 (en) | Diamond sensor unit and diamond sensor system | |
| CN106781193A (en) | Parting grating array optical fiber linear temperature-sensing fire detecting system and method during subregion | |
| RU2766425C1 (en) | Method for measuring the spectrum of distributed thermomechanical effects | |
| CN105659134B (en) | Detector means | |
| RU2834211C1 (en) | Method of locating force action by indicator coating | |
| Musayev | Laser-based large detection area speed measurement methods and systems | |
| Aliseyko et al. | Modeling the Interaction of Solit-Like Pulse Signals with Electromagnetic Shields in the Form of Heterogeneous Media | |
| US20070112515A1 (en) | Light-speed hitpoint sensor | |
| CN108387311A (en) | A kind of laser power meter for realizing adjustable gear using reflected light | |
| Li et al. | Detection sensitivity calculation model and photoelectric detection performance analysis on laser light screens |