2.2 Датчики с магнитными элементами

Принцип работы датчиков с магнитными элементами основан на изменении магнитных свойств под воздействием возникающих в системе механических напряжений. Наиболее эффективны магнитные композиции с частицами анизометрической формы (игольчатой, пластинчитой) - анизотропные магнитопласты, уровень магнитных свойств которых в 3 -3,5 раза выше, чем у изотропных, и на основе самарий - кобальтовых сплавов, обеспечивающих высокие магнитные характеристики (таблица 1.1).

Датчиками для оценки степени вибрации являются магнитоэластичные аморфные материалы с высоким (до 95%) коэффициентом прямого и обратного преобразования электрической энергии в механическую (см. далее. эффективны и как актюаторы), например, на основе полимерных магнитов. Полимерные магнитные материалы -композиции на основе полимерных связующих (термореактивных эпоксидных, фенолоальдегидных, ненасыщенных олигоэфиров; термопластичных —пластифицированный ПВХ, ПЭ, сульфохлорированный ПЭ, полиамиды, полистиролы, сополимеры типа сэвилен; эластичных - резиновые смеси с каучуками различных типов, в том числе олигомерных, «жидких», термоэластопласты) и магнитных порошков (ферриты, порошки сплавов с редкоземельными элементами самарий - кобальт, самарий -железо). [2]

Таблица 2.1 - Магнитные характеристики полимерных магнитов

Вид магнита1), способ формования	Магнитная компонента2)	Магнитные характеристики
		Коэрцитивная сила, Э	Остаточная индукция, Гс	Энергетическое произведение, МГсЭ
Жесткие магниты; литье, литье под давлением, экструзия, прессование	Феррит Ва, Sm-Co NdFeB	2700 - 5000 16000 4300- 16000	2100-2800 6100 4900- 7000	1,4-2,0 8,5 4,8-10,3
Эластичные магниты; каландрование, экструзия	Феррит Ва, NdFeB	2100-3600 10000	2100-2700 5300	1 – 1,8 6

Примечания: 1) магнитные профили с сечением сложной конфигурации, сложной формы, с отверстиями, листовые магниты. 2) для постоянных полимерных магнитов, для магнитомягких магнитопластов -карбонильное железо, никель - цинковые и другие ферриты; Sm - лантаноид самарий, элемент № 62.

2.3 Оптико-волоконные датчики

При помощи оптико-волоконных датчиков фиксируются изменения в структуре ИВПКМ по изменению характеристик оптического сигнала (лазерного излучения) при его транспортировки, отражении.

При использовании одномодовых волноводов регистрируется амплитуда и фаза сигнала (функции длины волны), в многомодовых - фиксируется пространственное распределение этих параметров (места дефектов, трещин).

Использование оптоволоконных датчиков позволяют объединить их со структурой ВПКМ, обеспечить контроль параметров по всему объему изделия из ВПКМ, провести множественные измерения при помощи одного оптического волокна без использования других систем датчиков и средств транспортировки сигналов.

На поверхность оптических волокон вдоль их оси наносят штрихи, образующие периодические дифракционные решетки (Брэгговские дифракционные с длиной до 10000 длин световой волны), что приводит к интерференционным явлениям, обусловленным отражением света от штрихов. Изменения длины отраженной волны имеет место при динамических деформациях. [3]

Если по длине волокна нанесено несколько решеток с различными расстояниями между штрихами, то получают информацию о деформации в нескольких участках материала (в волокна вводят широкий спектр ЭМЭ, регистрируют отраженную ЭМЭ, каждой точке соответствует определенная длина волны). Для анализа уровня деформаций в объеме ВПКМ используют системы волокон с переключением оптоволоконной системы «опроса» на разные оптоволокна. Информация, основанная на интерференции, позволяет определить и распределение температур в объеме ВПКМ.

Измерение напряжений в ИВПКМ по анализу интерференционных картин при взаимодействии мод оптического волокна, по анализу вида выходного сигнала (поляриметрические датчики, линейная зависимость от величины напряжения), что позволяет обнаружить микротрещины.

Метод рефлектометрии с применением оптических временных интервалов (интенсивность отраженного сигнала - функция времени задержки сигнала при его возвращении к входному концу волокна, линейно связано при данной скорости светового сигнала с расстоянием между вводом сигнала и точкой его отражения) эффективен для точного определения местоположения дефекта.

Оптоволоконные сенсоры (оптические волноводы с нанесенными на них решетками Брэгга) позволяют получать информацию о напряженно-деформированном состоянии материала (в частности, ВПКМ), нагружаемой конструкции из него.

Волоконная брэгговская решетка (ВБР) обеспечивает периодическое изменение показателя преломления в сердцевине оптического волокна. ВБР являются блоками структур, в которых фазовые фронты световых волн перпендикулярны продольной оси волновода, а плоскости решеток имеют постоянный период [4].

Свет лазера, пропускаемый через сердцевину оптического волновода, рассеивается каждой плоскостью решетки. Эффективность отражения определяется тем, в какой степени удовлетворяются требования сохранения энергии и импульса, распространяющихся в одном направлении (условия Брэгга для решетки).

Энергия передается от одной волны к другой, если они удовлетворяют условию Брэгга:

₀-₁=2/,

где: ₀,₁-константы распространения волн; - период решетки

В отражающем фильтре свет с константой распространения ₁ движется слева направо. Энергия этой волны переходит к рассеянной волне, распространяющейся в обратном направлении и имеющей ту же длину:

[₀-(-₀)]=2₀=2/

где: ₀=2·n_эфф/_; _-длина волны падающего света; n_эфф- эффективный показатель преломления оптического волновода.

Волна отражается (брэгговская длина волны, _=₀), когда_=2·n_эфф·

Волны с _≠₀ проходят по волноводу не отражаясь. Интенсивность отражения уменьшается. Спектр отражения от брэгговской решетки с однородным профилем показателя преломления материала оптического волновода имеет вид:

При использовании волноводов с уменьшенными у краев решетки показателями коэффициента преломления n_эфф (аподизированная, «отсекающая лепестки», решетка) эффективность отражения возрастает. На спектре отражения увеличивается ширина центрального лепестка:

Для таких брэгговских решеток характерны малые потери (порядка 0,1дБ), высокая точность (порядка 0,05 нм), и подавления помех (до 40 дБ),что обеспечивает высокую интенсивность отражения.

Температурный коэффициент брэгговских решеток обычно составляет 1,25·10^-2 нм/⁰С. Он возникает из-за изменения длины волновода от температуры. Это изменение можно компенсировать, конструируя решетку из материалы, который имеет отрицательный температурный коэффициент расширения. Такого рода пассивные температурно-компенсирующие решетки имеют температурные коэффициенты около 0,07·10^-2 нм/⁰С. У таких решеток очень малый сдвиг центральной длины волны в эксплуатационном диапазоне температур(100⁰С). Они могут работать фактически без контроля температуры.

Решетки записываются (прочерчиваются) на волноводе за счет использования эффекта фоточувствительности. Обычное кремниевое волокно при добавлении германия становится фоточувствительным. Подвергая это волокно воздействию ультрафиолетового света, можно вызвать изменения показателя преломления в сердцевине волокна. В таком волокне решетка может быть создана с помощью облучения волокна двумя интерферирующими ультрафиолетовыми пучками. В результате интенсивность излучения периодически изменяется по длине волокна. Там, где интенсивность высокая, показатель преломления увеличивается ,а где она мала, показатель остается без изменений. Требуемое для получения решеток изменение показателя преломления достаточно мало- около 10^-4. Для производства решеток используют и другие методы, такие, как фазовые маски. Фазовая маска является дифракционным оптическим элементом. Когда она облучается пучком света, она расщепляет этот пучок на разные дифракционные порядки, которые потом интерферируют, прочерчивая решетку внутри волокна. В оптоволоконных сенсорах деформации используют ВБР, включающие большое количество точек отражения, расположенных с определенными интервалами. При прохождении лазерного излучения через волокно часть его при определенной длине волны отражается от решетки. Пик отраженного излучения регистрируется измерительной аппаратурой. В результате деформации изменяется интервал между узлами решетки Брэгга, коэффициент преломления волокна, изменяется длина волны излучения, отраженного от решетки. По изменению длины волны определяют величину деформации. Применение таких сенсоров позволяет непрерывно отслеживать состояние материала и конструкции.

Калибровку оптоволоконных сенсоров, определение их чувствительности на изменение напряженно-деформированного состояния материалы, в объем которого они внесены, проводят, определяя коэффициенты, связывающие напряженно-деформированное состояние материала с изменением длины волны (сигнал излучается лазером),которая в процессе нагружения изменяет (например, при росте напряжении в однонаправленном углепластике с 100 до 1000 МПа длина волны возрастает с 1550 до 1560 нм).

Для фиксирования микровибрации используют датчики микроперемещений -оптоволоконные преобразователи перемещений (СВПП). Датчик СВПП для регистрации относительных виброперемещений состоит из электронной схемы и 2-х световодов. Свет от инфракрасного (λ= 1070 нм) светодиода передается на отражающую поверхность световодом и отразившись от нее поступает на фотодиод, работающий в режиме фотосопротивления.

Изменение (колебание) зазора между поверхностью и концом световода вызывает изменение (колебание) интенсивности светового пучка отражающего света, поступающего на фотодиод, что приводит к формированию сигнала, пропорционального виброперемещению относительно фиксированного положения датчика.

Оптические волокна в структуре ИВПКМ являются средством транспортировки сигналов (см. далее) в системе связи и управления, обеспечивающим их самодиагнозирование и адаптацию.

Для локации дефектов в объеме ИВПКМ используют сенсорные системы, в которых активные сенсоры излучают и принимают сигналы, пассивные - регистрируют и анализируют изменения характеристик ИВПКМ.

Система датчиков позволяет регистрировать внешнее воздействие, определять его местоположение методом триангуляции или по временной разнице между возбуждениями различных датчиков. Частота и амплитуда возбуждающих волн давлений сравниваются с типовыми значениями, информация о которых заложена в памяти микропроцессора (все типы датчиков объединяются с микропроцессорами обработки сигналов). Информация о местоположении повреждения, характере воздействия и степени опасности повреждения анализируется и используется при принятии адекватных мер.

Ядром сенсорной системы является чувствительны элемент (сенсор), выходной сигнал которого изменяется в зависимости от измеряемой величины. В блоке предварительной обработки выходной сигнал сенсора преобразуется с помощью методов преобразования сигналов. Важным компонентом сенсорной системы является интерфейс связи с системами более высокого уровня. Сенсорные системы с самоконтролем и самокалибровкой повышают надежность.

Системы состоящие из одного датчика, могут давать лишь ограниченную информацию. В многосенсорных системах создаются синергические эффекты, повышающие количество и доступность информации о состоянии измеряемого объекта. Основными направлениями развития сенсорной техники являются миниатюризация, применение беспроводных и многосенсорных систем.

Достоинство многосенсорных систем - достижение высокого уровня точности и надежности (слияние данных, поступающих от многих сенсоров, осуществляют животные и человек для точной оценки окружающей обстановки, увеличивая свои шансы на выживание). Развитие многосенсорных систем направлено на использование модулей, позволяющих вводить их в структуру ИВПКМ без нарушения функций сенсоров.

При наличии большого числа компонентов их соединение электрическими проводами создает значительные трудности. Беспроводные системы датчиков размещаются без пространственных ограничений, измеряемый параметр может регистрироваться вблизи источника. Беспроводные датчики могут взаимодействовать с помощью ультразвуковых или инфракрасных сигналов. В воспринимающих элементах (транспондерах) - устройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ-устройства), радиочастотный импульс, передаваемый трансивером, принимается антенной ПАВ и передается на приемник трансивера. Амплитуда, частота, фаза и время отклика несут информацию о поверхностном акустическом отражении, которая относится к измеряемому явлению (температура, давление и т.д.). Для энергетически автономных беспроводных датчиков не требуется токопроводов даже для электропитания.