Определения 3
Введение 4
1. Некоторые сведения об оптово-волоконных датчиках 6
1.1 Общий принцип действия опто-волоконных датчиков 7
1.2 Предпосылки к широкому распространению волоконно-оптических датчиков 10
1.3 Обзор современной литературы по оптоволоконным
датчикам 14
1.4 Некоторые сведенья о точечной сварке 16
1.5 Сведения о датчике деформации 19
2. Экспериментальное исследование частей волоконно-оптического датчика деформации 21
2.1 Экспериментальное исследование ВБР 21
2.1.1 Описание эксперимента 22
2.1.2 Сравнение показаний ВБР и тензорезисторов 23
2.2 Явление гистерезиса в датчике деформации 26
2.3 Испытания точечной сварки 29
2.3.1 Методика испытания 29
2.3.2 Результаты испытания 31
2.4 Испытания точечной сварки на разрыв 34
2.4.1 Методика испытания 34
3. Создание цифрового двойника датчика деформации 38
3.1 Методика испытания 39
3.2. Описание работы 39
3.3. Выбор параметров сетки конечных элементов 41
3.4. Результаты испытания 43
4. Моделирование точечной сварки 52
4.1 Результаты 54
Заключение: 58
Список литературы 59
В течение десятилетий основным способом измерения физических и механических явлений были электрические датчики (тензорезистивные, струнные, потенциометрические и тд.). Несмотря на их повсеместное использование, электрические датчики имеют ряд недостатков, таких как: потери при передаче сигнала, восприимчивость к электромагнитным помехам, необходимость организации искробезопасной электрической цепи (если существует опасность взрыва). Эти присущие им ограничения делают электрические датчики непригодными или сложными для применения при выполнении ряда задач. Использование волоконно-оптических датчиков является отличным решением данных проблем. В волоконно-оптических датчиках сигналом является свет в оптическом волокне, вместо электричества в медном проводе у традиционных электрических датчиков.
За последние двадцать лет огромное количество инноваций в оптоэлектронике и в области волоконно-оптических телекоммуникаций привело к значительному снижению цен на оптические компоненты и к значительному улучшению их качества. Это позволило волоконно-оптическим датчикам перейти из разряда экспериментальных лабораторных приборов в разряд широко применяемых приборов в таких областях как мониторинг зданий и сооружений и т.д.
На основании волоконно-оптических элементов в настоящее время осуществляется разработка датчиков для измерения различных физических величин: температуры,
ускорения, деформации и многих других. В таких датчиках оптическое волокно может использоваться как в качестве средства передачи сигнала, так и в качестве чувствительного элемента.
Оптоволоконные датчики применяются в различных областях. Они получили широкое распространение благодаря ряду преимуществ по сравнению с традиционными электронными датчиками. Во-первых, это высокая производительность. Кроме того, используемые в волоконно-оптических датчиках элементы являются абсолютно пассивными по отношению к электричеству (не излучают и не проводит электрический ток). Весогабаритные характеристики датчиков являются критичными при использовании их в таких областях, как аэрокосмическая. Благодаря своим небольшим размерам и весу, волоконно-оптические датчики получают существенное преимущество по сравнению со многими другими изделиями. К тому же такие датчики невосприимчивы к электромагнитным помехам, устойчивы к воздействиям внешней среды, а твердотельная структура позволяет им выдерживать предельные уровни вибрационных и ударных нагрузок. К перечисленным выше свойствам можно добавить высокую чувствительность и широкополосность.
Для того чтобы разработать высокоэффективный и надежный датчик деформации необходимо математическое описание процессов деформационного взаимодействия всех элементов датчика. Такое математическое моделирование позволит рационально подобрать основную структурную схему датчика.
В данной работе датчик представляет собой оптическое волокно, которое с помощью клея крепится на металлической подложке. Анализ деформационного поведения такой структуры осуществляется в ходе математического моделирования с использованием теории упругости и пластичности. Смоделировано крепление датчика с помощью точечной сварки. Основным вопросом при моделировании датчика является построение модели, которая будет отражать реальные значения с поверхности объекта и нахождением критических зон, которые могут влиять на показания датчиков.
Цель работы - построить математическую модель взаимодействия всех элементов датчика с деформируемой поверхностью, учесть способ крепления датчика и экспериментально исследовать части датчика. Провести экспериментальное исследование частей датчика и выявления зон влияющих на показания. Проверить экспериментально точность показания брэгговской решетки в сравнение с тензорезисторами. По полученным данным составить рекомендации к изменению конструкции датчика.
Научная новизна работы заключается в следующем разработана модель учитывающая особенности приварки датчика деформации на поверхность объекта, решенная в упругой и упруго-пластичной постановке.
В ходе работы разработана математическая модель деформационных процессов, возникающих в элементах волоконно-оптического датчика деформации при взаимодействии его с поверхностью исследуемого объекта.
Экспериментально рассмотрена зона соединения датчика деформации с поверхностью и построена математическая модель. По результат моделирования установлено наличие зон превышающих предел упругости. В зоне точечной сварки доказано наличие пластических деформаций. По итогам экспериментального исследования и наличия точек не пробивающих поверхность образца, рекомендовано оптимизировать процесс приварки и повторить испытания.
Экспериментально исследована волоконно-оптическая решетка и доказана ее точность измерений в сравнение с тензорезисторами.
Экспериментально исследовано влияние клея на показания датчика. Установлено, что большое количество клея вызывает явление гистерезиса, т. е. уменьшает точность показания самого датчика. Рекомендовано уменьшить его количество и повторить исследование.
