WWW.NEW.PDFM.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Собрание документов
 


«Всероссийский институт авиационных материалов Одним из наиболее перспективных и эффективных путей перехода на качественно новый уровень безопасности и надежности авиационной техники является ...»

Встроенный контроль: от датчиков до информкомпозитов

Г.Ф. Железина, Д.В. Сиваков, И.Н. Гуляев

Всероссийский институт авиационных материалов

Одним из наиболее перспективных и эффективных путей перехода на

качественно новый уровень безопасности и надежности авиационной

техники является разработка и применение систем встроенного

неразрушающего контроля. Именно встроенный контроль позволит перейти

от эксплуатации авиационной техники по ресурсу к эксплуатации по

состоянию .

Под встроенным неразрушающим контролем следует понимать метод неразрушающего контроля, который позволяет регистрировать величину приложенных нагрузок, момент возникновения и последующее развитие дефекта в конструкциях в процессе эксплуатации авиационной техники. В общем случае система, обеспечивающая встроенный неразрушающий контроль, включает в себя датчики (сенсорные элементы) и систему сбора и обработки информации с датчиков .

Система сбора и обработки информации В системе сбора и обработки информации (ССОИ), снимаемой с сенсорного элемента, вывод информации от сенсорного элемента должен осуществляться с наименьшими потерями и по минимальному числу каналов. Соотношение сигнал/шум должно быть не менее 100 .

Быстродействие системы должно обеспечивать сбор и обработку данных в режиме реального времени. Система сбора должна содержать аналогоцифровые преобразователи данных от сенсора для передачи цифрового сигнала устройству обработки (микропроцессору), а цифровой сигнал должен передаваться устройству обработки по помехозащищенному каналу .

ССОИ может быть как в составе бортовой ЭВМ, так и выполнено на отдельном микропроцессоре, однако в обоих случаях обязательна регистрация параметров на бортовом самописце («черном» ящике) и индикация на информационном табло пилота при возникновении критических ситуаций .

На рис. 1 представлена функциональная схема ССОИ на планере. В зонах, где необходимо производить непрерывный мониторинг величины приложенных нагрузок или возникновения дефектов, устанавливаются датчики. Сигнал, коррелирующий со значением деформации (нагрузки) или с возникновением дефекта, поступает от датчика на блок аналого-цифрового преобразователя по каналу данных. Данные от датчика усиливаются (в случае необходимости) и проходят аналого-цифровое преобразование, после чего по помехозащищенному цифровому интерфейсу передаются для математической обработки в микропроцессор или ЭВМ. В них производится накопление данных со всех сенсорных элементов летательного аппарата и их преобразование после соответствующей математической обработки в значения деформации (либо нагрузок) или регистрируется появление дефекта. Преобразованные данные поступают с определенной периодичностью на бортовую вычислительную машину, где в соответствии с установленными правилами записываются регистратором параметров полета («черный» ящик), и отображаются на информационном табло пилота только при возникновении нагрузки, недопустимой для контролируемой конструкции .

Рисунок 1. Функциональная схема применения системы сбора и обработки информации, снимаемой с датчика Система сбора и обработки информации позволяет получить данные о текущем состоянии труднодоступных и высоконагруженных мест на летательном аппарате, спрогнозировать остаток ресурса конструкции и предупредить о возможном разрушении ее материала .

Сенсорные элементы (датчики) В качестве датчиков (сенсорных элементов) в системах встроенного контроля до настоящего времени использовались электрические, пьезоэлектрические, акустические, тепловые, электромагнитные и другие датчики, закрепляемые в различных точках контролируемой конструкции .





Качество крепления датчиков, наличие высокого уровня шумов и вибрации во время полета, сильные электромагнитные поля, дополнительный вес делали системы встроенного контроля на прикрепляемых датчиках крайне ненадежными. В связи с этим встал вопрос об использовании сенсорных элементов, внедренных в материал, из которого изготавливалась контролируемая конструкция [1]. В этом случае мы избавимся от необходимости крепления датчиков и практически снимем зависимость сигнала датчика от шумов и вибраций. Поэтому возникает задача создания нового класса материалов материалов, обладающих сенсорными

– функциями, реагирующими на изменения внешних воздействий – нагрузок, температур и т.д .

Материалы с сенсорными функциями – информкомпозиты Информкомпозиты – новый класс композиционных материалов [1] со встроенной в структуру системой сенсорных элементов, позволяющих регистрировать и контролировать параметры материала (напряженнодеформированное состояние, появление трещин и т.д.) .

Структура информкомпозита состоит из основного (базового) материала и введенных в него специальных функциональных сенсорных элементов .

Сенсорные элементы обеспечивают получение информации о состоянии материала, которая регистрируется и обрабатывается специальной компьютерной системой .

Работы в этом направлении ведут крупные авиационно-космические и электронные фирмы, в том числе «McDonnell Douglas», «Hughes Aircraft», «Rockwell International», «Boeing», TRW, а также НАСА («Langley Research Center») .

Разрабатываются конструкционные материалы двух типов:

– материалы для силовых элементов летательных аппаратов, которые, помимо традиционных функций (восприятие эксплуатационных нагрузок, обеспечение прочности конструкции), осуществляют самоконтроль за возникновением и развитием усталостных повреждений, их идентификацию и локализацию, а также имеют способность активно реагировать на внешнее воздействие и корректировать напряженное состояние конструктивного элемента в целях ликвидации критической ситуации;

материалы для конструкций со встроенной в ее структуру

– электроникой: разнообразные электронные устройства и антенные системы, осуществляющие функции приема, обработки и передачи информации в различных частотных диапазонах. Все эти устройства расположены непосредственно в материале конструкций летательного аппарата, выполняемых из композиционных материалов, устойчивых к воздействию электромагнитного излучения, радиоэлектронных помех и других внешних факторов .

В ВИАМ для использования в системах встроенного контроля ведутся разработки по трем основным направлениям: использование полосовых металлических сенсорных элементов; применение углеродных волоконных армирующих наполнителей в качестве сенсорных элементов с тензорезистивным эффектом; использование в качестве сенсоров оптических волокон с брэгговскими решетками .

В первом случае полосовые металлические сенсорные элементы выполняли в композиционном материале функции электрических проводников, разрушение которых приводило к изменению общего электрического сопротивления матрицы этих элементов, вводимых в материал .

Матрица датчиков, вводимых в материал, может быть выполнена в одном или нескольких слоях КМ из точечных и ленточных сенсоров, пересекающихся в одной или разных узловых точках в зависимости от направления действующих нагрузок, типа изготавливаемых из данного материала конструкций, допустимых размеров дефектов и т.д .

Подобные «простые» информкомпозиты могут найти применение, например, в стоппер-индикаторах, когда необходимо лишь дать информацию о начале разрушения одного из слоев композиционного материала. В этом случае целесообразно в качестве основного материала использовать слоистые металлокомпозиты – АЛОРы или СИАЛы .

Основной сложностью в создании схемы управления каналами датчиков является разработка блоков, устанавливаемых непосредственно на объекте и вводимых в тело материала .

Большой интерес представляет создание датчиков на основе углеродных волоконных армирующих наполнителей. Углеродные волокна обладают собственной проводимостью и не нуждаются в модификации. При удельном электрическом сопротивлении порядка 0,5–1,6 Ом/мм углепластики имеют ощутимую и стабильную тензометрическую чувствительность на уровне K=1,25–3,1 для различных типов наполнителей. Этот коэффициент при воздействии растягивающих и сжимающих нагрузок остается неизменным .

Кроме того, высокомодульные и высокопрочные углепластики, наряду с высокими упруго-прочностными характеристиками, обладают практически нулевым коэффициентом линейного термического расширения и высокой размеростабильностью, которая в сочетании с регулируемой тепло- и электропроводностью делает их идеальным материалом для тензодатчиков .

Однако применение углеродных сенсоров в углепластике требует эффективного диэлектрического покрытия для них. Изучение коэффициента чувствительности тензодатчиков проводили на специальном стенде, разработанном в ЦАГИ. Исследования проводили на образцах углеродного наполнителя, причем для большей достоверности измерения проводили при периодическом нагружении образцов-датчиков при многократных (до 10) циклах. Углеродные жгуты ЛЖУ-35ВМ (K р =1,4; K с =1,2) и «Гранит 40П»

(K р =1,1; K с =1,05) имеют более высокий коэффициент тензочувствительности (рис. 2) .

Рисунок 2. Зависимость электросопротивления тензодатчика при приложении циклической нагрузки Сенсорные элементы в настоящее время представляют собой углеродное волокно, расположенное в слоях диэлектрической подложки из электроизоляционного стекла Э1-30П .

Результаты изучения процессов совместного отверждения стекло- и углепрепрегов на связующем ЭНФБ-2М позволяют сделать вывод о возможности совместного формования КМ без существенного изменения режима. Однако наиболее надежным и простым способом введения тензорезисторных элементов в состав углепластика является предварительное изготовление тензорезисторных сенсорных элементов. Для обеспечения лучшей чувствительности сенсорных элементов рекомендуется помещать их с одной или двух сторон материала, ближе к поверхностным слоям пакета КМ .

Для обеспечения электрического контакта сенсорного элемента с системой сбора и обработки информации была изготовлена и опробована токопроводящая клеевая композиция ВКП-11. Результаты показали соответствие клеевой композиции требуемым свойствам. Удельная электропроводность токопроводящего клея ВКП-11 Ом, клей 410-4 предназначен для работы при температурах от -60°С до 120°С, прочность клеевого соединения не менее 14 МПа при 20°С и не менее 4 МПа при 120°С .

Проведена оценка изменений электрических параметров сенсорных элементов, введенных в углепластик при статическом и повторностатическом нагружении. Статическое и повторно-статическое нагружения проводили на испытательной машине FPZ 1000/1 при скорости нагружения 2,5 мм/мин. К выведенным сенсорным элементам присоединяли контакты электроизмерительного прибора МЕ-22 фирмы «МЕТЕХ». Электрический сигнал с прибора передавался на ЭВМ и обрабатывался с помощью специальной компьютерной программы Частота «ScopeView-Metex» .

регистрации электрического сигнала 1 точка/с .

Исследования углепластика с сенсорными элементами показали линейную зависимость изменения электросопротивления от деформации при растягивающих и сжимающих нагрузках (1–10 Ом). При приложении изгибающей нагрузки наблюдали стабильное приращение сопротивления, в среднем оно составило от 0,1 до 0,3 Ом. При приложении повторно-статической нагрузки электросопротивление сенсорного элемента возвращалось к исходному значению при всех уровнях нагружения [2] (рис. 3) .

Рисунок 3. Зависимость выходного сигнала dR/R тензодатчика от деформации при приложении повторно-статической нагрузки Оценка влияния дефектов на тензочувствительность и возможность их обнаружения сенсорами требует специального исследования применительно к конкретной конструкции, поскольку способность к самодиагностике будет зависеть от геометрических размеров конструкции, размеров дефектов, силового набора и схемы расположения сенсорных элементов .

Использование в качестве сенсоров оптических волокон с брэгговскими решетками позволило получить наиболее перспективные результаты для создания информкомпозита .

Главными конструктивными элементами волоконно-оптического датчика (сенсора) являются решетки показателя преломления, которые играют роль чувствительного элемента (волоконные брэгговские решетки) и спектральноселективного оптического фильтра (длиннопериодные волоконные брэгговские решетки). При создании таких волоконных элементов используется явление фоточувствительности (фоторефрактивности) волоконного световода, т.е. стабильное при комнатной температуре в течение длительного времени изменение показателя преломления кварцевого стекла при воздействии на него ультрафиолетовым излучением .

Оптические сенсоры (волоконные брэгговские решетки) – структура с периодической модуляцией показателя преломления сердцевины волоконного световода, которая связывает основную моду волоконного световода с модой, имеющей противоположное направление, в результате чего на определенной длине волны возникает отражение. Сдвиг спектрального положения резонансной длины волны оптического сенсора линейно зависит от изменения температуры окружающей среды и от приложенного к волоконному световоду механического напряжения [3] .

Были исследованы два типа волоконных световодов с различными покрытиями. С учетом требования формования композиционного материала (температура до 200°С, давление до 70 МПа) был выбран световод из одномодового волокна с полимерным покрытием и УФ-отверждаемым полимером для защиты участка решетки. Диаметр световода до 250 мкм .

Оптические потери после формования не более 20%. С использованием такого сенсора был изготовлен образец информкомпозита из материала УОЛ-300/ЭНФБ-2М .

Для исследования изменения оптических характеристик отраженного от брэгговских решеток сигнала был создан макет устройства регистрации и обработки параметров отраженного от брэгговской решетки сигнала .

Устройство состоит из следующих функциональных модулей:

– Устройство механической деформации образца ИКМ с регулируемым усилием (рис. 4), представляющее кронштейн для закрепления образца ИКМ, конструктивно соединенный с микрометрическим винтом, оказывающим деформирующее воздействие на образец ИКМ, пропорциональное углу поворота винта .

Рисунок 4. Закрепление образца ИКМ в устройстве нагружения

– Модуль оптико-электронного преобразования, включающий волоконнооптические ответвители, широкополосный источник оптического излучения, волоконно-оптический фильтр, фотоприемники с предусилителями, электронную схему аналого-цифрового преобразователя и электронную схему обработки сигнала тензодатчика .

– Модуль сбора, обработки и визуализации, состоящий из интерфейса обмена данными типа USB и устройства обработки (ПЭВМ), которое осуществляет окончательную обработку данных с помощью соответствующего программного обеспечения (создано в среде «Delphi») и отображение результатов на экране в удобной для восприятия форме (рис. 5) .

Рисунок 5. Изменение длины отряженной волны в зависимости от приложенной нагрузки Итак, системы встроенного контроля на основе информкомпозитов с введенными оптическими сенсорами дают широкие возможности по обработке и интерпретации регистрируемых данных .

На одном оптоволокне может быть использовано большое количество оптических сенсорных элементов .

Список литературы:

1. G.A. Morozov, R.E. Shalin, G.P. Mashinskaya – VIAM, Russia. Intellectual Materials in High Loaded Machinery Build-In Non-Destructive Control Sustems / 7-th European Conference on Non-Destructive Testing. Copenhagen, 26–29 may 1998 .

2. Шалин P.E., Машинская Г.П., Железина Г.Ф., Морозов Г.А. Адаптирующиеся (интеллектуальные) материалы и проблемы их создания // Межотраслевой науч.-техн .

сб. «Технология». Сер. Конструкции из композиционных материалов. – М., 1995, вып. 2, с. 43–48 .

3. Васильев С.А., Медведков О.И., Королев И.Г., Божков А.С., Курков А.С., Дианов Е.М .

Волоконные решетки показателя преломления и их применения // Квантовая



Похожие работы:

«1. Вопросы программы вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 01.01.01 – вещественный, комплексный и функциональный анализ Раздел 1 Теоремы о существовании неявной функции. Равномерная сходимость функциональных последовательностей и рядов. Теорема о...»

«12 ПРОПОВЕДЕЙ О ПРОСЛАВЛЕНИИ Чарльз Х. Сперджен Минск "Завет Христа"Перевод сделан по изданию: Charles H. Spurgeon "12 Sermons on Praise" Перевод с английского Я. Г. Вязовского © Перевод на русский язык, оформление. Це...»

«52. ICHNEUMONIDAE: 14. CTENOPELMATINAE 559 задн. лапки беловато-желтые. Ножны светло-бурые с беловато-желтой вершиной. Птеростигма чернобурая с небольшим светлым пятном в основании. Г о л о т и п –, Прим., Хасанс...»

«Деятельность ОАО "Газпром" по освоению ресурсов углеводородов на шельфе Российской Федерации Заместитель Председателя Правления ОАО "Газпром" В.А.Голубев RAO/CIS Offshore 2013, СанктПетербург Реализуемые проекты ОАО...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ БИОЛОГО–ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ НАСЕКОМЫХ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА РОССИИ В ШЕСТИ ТОМАХ Том IV СЕТЧАТОКРЫЛООБРАЗНЫЕ, СКОРПИОННИЦЫ, ПЕРЕПОНЧАТОКРЫЛЫЕ Часть 5 Под общей редакцией до ктора б и о ло г ич ес к их н а ук А. С. ЛЕЛЕЯ...»

«Annotation Сбылось предреченное Конану-киммерийцу: воин стал королем могущественной державы! Но мало завоевать трон — его нужно еще удержать . А среди врагов правителя не только мятежные бароны и колдуны, но и могущественные потусторонние силы. Олаф Бьорн Локнит ПРЕДВАРЕНИЕ Глава первая Глава вторая Глава третья Глава четвертая Глава пя...»

«Неделя 6. Ритуал и поклонение (3): Тиратана Вандана Текст, специально написанный Ваданайей. Введение Тиратана Вандана – это ряд традиционных строф на пали, выражающих восхваление Трем Драгоценностям и почтение к ним. Тиратана означает "Три Драгоценности", "вандана" означает "приветствие", уважение, почтение, почитание и поклонение. В книге пудж ДЗ...»







 
2018 www.new.pdfm.ru - «Бесплатная электронная библиотека - собрание документов»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.