Оптоволоконный акустико-эмиссионный способ с многослойным покрытием оптического волокна веществами с различной хрупкостью

Авторы патента:

Горбачев Олег Викторович (RU)

Самохвалов Сергей Яковлевич (RU)

G01N29/14 - с использованием акустической эмиссии (G01N 29/06 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2712773:

Горбачев Олег Викторович (RU)
Самохвалов Сергей Яковлевич (RU)

Изобретение относится к прогнозированию на всех стадиях возникновения и развития дефектов в больших инженерных сооружениях. Оптоволоконный акустико-эмиссионный способ включает нанесение хрупкого тензочувствительного материала на многомодовое оптическое волокно, отвердение материала и определение по образующимся в материале трещинам зоны опасных пластических деформаций. При этом на оптическое волокно при его закреплении на инженерное сооружение наносится многослойное клейкое покрытие с различной хрупкостью каждого слоя после затвердевания. При обнаружении и классификации дефектов по акустико-эмиссионным сигналам используются их ударные спектры, выделяемые из полученного сигнала частотными фильтрами. Технический результат заключается в повышении чувствительности при регистрации пластической деформации деталей инженерных сооружений на всех стадиях образования и развития дефектов. 3 ил.

Изобретение относится к прогнозированию на всех стадиях возникновения и развития дефектов с помощью волоконно-оптических методов регистрации сигнала акустической эмиссии (АЭ), и может использоваться для выявления наиболее вероятных зон разрушения металлических или бетонных конструкций инженерных сооружений, например газопроводов, мостов, плотин ГЭС и других крупных и протяженных объектов.

Известен акустико-эмиссионный способ зонного контроля, включающий установку локальных преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), обычно пьезоэлектрических, на предварительно зачищенные контактные поверхности. (Руководящий документ РД 03 131-97. Акустико-эмиссионный метод контроля. - С. 8-11, http://snipov.net/c_4653_snip_99823.html). Накопление, запись и оперативную обработку данных АЭ контроля проводят с помощью специального программного обеспечения, входящего в состав акустико-эмиссионных систем. Данный способ сложный и дорогой, имеет не высокую чувствительность, требует применения большого количества датчиков, соединительных проводов, и другой разнообразной аппаратуры.

Известен также оптоволоконный акустико-эмиссионный способ, в котором используется оптическое волокно (ОВ) в качестве распределенного чувствительного элемента (патент на изобретение РФ №2650799). Данный способ много проще и дешевле зонного способа, поскольку ОВ выполняет сразу две функции: датчика вибрации, и линии передачи информационного сигнала. Но этот способ может контролировать только начальную стадию разрушения объекта. Датчик обладает высокой чувствительностью, но является одноразовым, поскольку после полного растрескивания хрупкого покрытия при деформации объекта, или от внешних вибраций, АЭ исчезает, и чувствительность РЧЭ резко снижается.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности при регистрации пластической деформации деталей инженерных сооружений на всех стадиях образования и развития дефектов, начиная от небольшой пластической деформации, и заканчивая обрывом ОВ, и разрушением контролируемой конструкции. Такой результат достигается путем применения многослойного покрытия с различной хрупкостью, нанесенного на ОВ. При этом, значительно расширяется частотный спектр регистрируемых АЭ сигналов. Все покрывающие слои имеют различную хрупкость, и поэтому генерируют сигналы разной частоты. Способ позволяет осуществлять, как раннее прогнозирование образования дефектов, так и дальнейший процесс их развития. Применение многослойного покрытия с различной хрупкостью, способствует увеличению срока службы оптоволоконного распределенного датчика, и более надежному предотвращению аварий и техногенных катастроф.

Сущность изобретения: На Фиг. 1 приведен оптоволоконный датчик с хрупким многослойным покрытием, в разрезе. С помощью первого экструдера на ОВ нанесен первый слой с твердостью HSxl (например, по Шору), и резонансной частотой АЭ сигнала при растрескивании f₁. Далее, с помощью второго экструдера нанесен второй слой с меньшей твердостью (большей пластичностью) HSx2, и меньшей резонансной частотой f₂. Затем нанесен 3-й слой (HSx3, f₃), четвертый (HSx4, f₄), и т.д. Чем дальше от ОВ, тем меньше твердость (хрупкость) покрытия:

HSxl>HSx2>HSx3>HSx4,

f₁>f₂>f₃>f₄

Твердость покрытия (например, эпоксидной смолы) зависит от процентного содержания в нем пластификатора и отвердителя. Частота затухающей АЭ-й волны f (Фиг. 2), пропорциональна хрупкости покрытия (по Шору - HSx). С ростом твердости (хрупкости) покрывающего вещества (HSx), частота затухающих колебаний механической волны (звука) после возникновения удара, при образовании очередной трещины увеличивается

f=1/T,

(где Т - период колебаний). Каждому значению твердости (хрупкости), при одних и тех же размерах механической системы, соответствует своя резонансная частота затухающих колебаний.

https://zetlab.com/podderzhka/vibratsionnyie-ispyitaniya/teoriya-vibroispyitannniy/udarnyiy-spektr-i-dobrotnost-kolebatelnoy-sistemyi/

Таким образом, с увеличением пластической деформации контролируемого объекта, сначала трещины появляются в первом слое с большой хрупкостью (HSxl), затем во втором слое (HSx2), потом в третьем (HSx3), и т.д. Каждый из слоев хрупкого покрытия, генерирует звуковую волну, собственной частоты: f_1,>f_2,>f_3,>f₄. С увеличением пластической деформации объекта (инженерного сооружения) увеличивается вероятность его разрушения (Р), которая пропорциональна количеству импульсов АЭ (n) за время их накопления, и обратно пропорциональна несущей частоте АЭ-го сигнала (f).

P=n/f

Где: Р - вероятность разрушения инженерного сооружения, n - количество импульсов АЭ (трещин) за время накопления, f - несущая частота АЭ-го затухающего сигнала

f=кHSx

Где: к - постоянный коэффициент, HSx - хрупкость (твердость) покрытия.

На фиг. 3 изображена упрощенная структурная схема устройства, поясняющая способ волоконно-оптического акустико-эмиссионного контроля пластической деформации объекта с применением оптоволоконного датчика с многослойным хрупким покрытием. Схема содержит блоки питания (17БП), блок для формирования оптического зондирующего сигнала - оптический излучатель (18ОИ), и устройство для непрерывного направленного ввода оптического сигнала (19УВ) в распределенный чувствительный элемент (20РЧЭ). В качестве оптического излучателя используется светодиод (для малых длин РЧЭ), а для длин РЧЭ более 30 метров, используется полупроводниковый лазер. РЧЭ закрепляется на объекте (инженерном сооружении), для чего при монтаже на него наносят последовательно с помощью экструдеров многослойное хрупкое покрытие - полимеризирующийся материал. Это многослойное покрытие обеспечивает его фиксацию и механический контакт с контролируемым объектом. После затвердевания многослойное покрытие становится хрупким, и генерирует сигнал акустической эмиссии, растрескиваясь от механического воздействия, при деформации контролируемого объекта. Причем, с увеличением пластической деформации, растрескивание происходит сначала в первом слое с максимальной хрупкостью, а заканчивается в последнем слое (на фиг. 1, это 4-й слой), с минимальной хрупкостью. Таким образом, контролируемый объект может оставаться под наблюдением от начала образования дефекта, до полного разрушения объекта. Акустический эмиссионный сигнал зарождается в непосредственной близости от оптического волокна, и воздействует на него, меняя модовое поле, распространяемое по волокну. АЭ сигнал почти без затухания доходит до РЧЭ, т.к. хрупкий материал находится в непосредственной близости, на поверхности оптического волокна. Изменения модового поля, регистрируются на выходном торце волокна (по изменению статической спекл-структуры). После пространственного фильтра (22ПФ), световые сигналы преобразуются блоком приема оптического излучения (23БПр) в электрические сигналы, которые поступают на блок низкочастотных фильтров (24БНЧФ), и разделяются по частотному спектру (на фиг. 3, четыре выходных сигнала). После блока обработки (25БО), сигналы поступают на дисплей (26Д), который выдает информацию о состоянии контролируемого объекта (21О), и рекомендации по ремонту объекта или защите от дальнейшего разрушения. Многослойное хрупкое покрытие на ОВ, создает ударный спектр АЭ-го сигнала, который является прекрасным показателем надежности инженерного сооружения.

Вывод: Чем больше трещин (n), и чем ниже резонансная частота (f) затухающих механических колебаний (сигналов АЭ), тем выше вероятность разрушения инженерной конструкции в данной зоне. С ростом амплитуды АЭ и уменьшением длительности сигналов (затухающих колебаний), вероятность разрушения, также увеличивается.

Заявляемый способ, прошел многочисленные испытания с применением волоконно-оптической системы «СОВА».

(http://www.altsvet.ru/content/files/tso_SOVA.pdf).

Данная система была дополнена низкочастотными фильтрами (24БНЧФ), разделяющими сигналы по частоте АЭ волны, от разных слоев. Системы «СОВА» позволяет контролировать пластическую деформацию протяженных объектов (до 1 км), по всей длине оптического волокна. Экспериментальные результаты показали, не только высокую чувствительность заявляемого способа, но и способность работать на протяжении всего периода возникновения и развития дефекта, при определении пластической деформации крупных объектов. Эксперименты показали простату реализации способа, технологичность, и экономическую эффективность, по сравнению с зонными методами акустической эмиссии.

Далее приведены некоторые результаты одного из экспериментов.

1. «Время накопления» импульсов, превышающих установленный «порог чувствительности» не изменялось: 5 с.

2. Механическая нагрузка на объект (Н, кг) увеличивалась по линейному закону.

3. «Количество импульсов» различной несущей звуковой частоты: N (f1),

N (f2), N (f3), N (f4), за «время накопления»: шт.

4. После регистрации срабатывания формировалась пауза 200 мс (запрет считывания) для борьбы с колебательным процессом в оптическом кабеле.

Подрисуночные подписи с пояснениями

Фиг. 1 Оптическое волокно в разрезе, с многослойным покрытием. Графики зависимости твердости покрывного материала (HSx) от расстояния до поверхности РЧЭ (d). АЧХ-График зависимости амплитуды сигнала (А) от частоты (f)

1, 2, 3, 4 - Слои хрупкого покрытия, имеющие различную твердость

5 - Оптическое волокно в разрезе с многослойным покрытием

6 - Хрупкость слоев (твердость - HSx)

7 - Расстояние от поверхности РЧЭ до очередного слоя (d)

8 - Амплитуда АЭ волн (АЧХ), генерируемых 1-м, 2-м, 3-м, 4-м слоями

9 - частота

10, 11, 12, 13 - Ударные спектры, и резонансные частоты (fl, f2, f3, f4) АЭ волн, генерируемых 1-м, 2-м, 3-м, 4-м слоями.

Фиг. 2 Затухающие колебания в твердом теле после удара

14 - Амплитуда затухающих колебаний АЭ волны (А)

15 - Время (t)

16 - Период колебаний (Т)

Фиг. 3 Упрощенная структурная схема устройства, для волоконно-оптического акустико-эмиссионного контроля пластической деформации объекта, с применением оптоволоконного датчика с многослойным хрупким покрытием.

17 - блок питания; 18 - оптический излучатель; 19 - устройство ввода; 20 -распределенный чувствительный элемент; 21 - контролируемый объект; 22 -пространственный фильтр; 23 - блок приема; 24 - блок низкочастотных фильтров; 25 - блок обработки; 26 - дисплей; 27 - наиболее вероятные зоны возникновения АЭ; 28 - механическая нагрузка.

Оптоволоконный акустико-эмиссионный способ контроля пластических деформаций на всех стадиях образования и развития дефектов больших инженерных сооружений, включающий нанесение хрупкого тензочувствительного материала на многомодовое оптическое волокно, отвердение материала, определение по образующимся в нем трещинам зоны опасных пластических деформаций, отличающийся тем, что на оптическое волокно при его закреплении на инженерное сооружение наносится многослойное клейкое покрытие с различной хрупкостью каждого слоя после затвердевания, а при обнаружении и классификации дефектов по акустико-эмиссионным сигналам используются их ударные спектры, выделяемые из полученного сигнала частотными фильтрами.

Использование: для акустико-эмиссионного контроля качества кольцевого сварного шва. Сущность изобретения заключается в том, что устанавливаются по контуру шва широкополосные преобразователи, осуществляют калибровку объекта контроля, устанавливают пороги селекции выше уровня шумов и осуществляют прием возникающих в зоне сварки акустических сигналов и их усиление, фильтрацию сигналов по величине заданной амплитуды, аналого-цифровое преобразование, регистрацию времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, вычисление координат источников акустических сигналов, при этом выполняют построение браковочной сетки после калибровки по контуру сварного шва, устанавливают пороговые значения нормированного коэффициента по суммарной амплитуде, затем в процессе выполнения каждого прохода сварки осуществляют регистрацию сигналов акустической эмиссии и расчет их суммарной амплитуды для вычисления координат активных областей сварного шва и величины нормированного коэффициента Ki,j в каждой ячейке браковочной сетки, сравнивают их с пороговыми значениями и при превышении первого порогового значения дефект считают малозначительным, при превышении второго порога нормированных коэффициентов дефект считается значительным, затем регистрируют сигналы акустической эмиссии в процессе остывания сварного шва и вычисляют нормированные коэффициенты Ki,j по амплитуде и сравнивают с их пороговым значением для этапа остывания сварного шва, после чего, сравнивая полученные данные, корректируют координаты расположения источников акустических сигналов сварного шва.

Способ регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии в системе диагностического мониторинга производственных объектов // 2709414

Использование: для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии в системе диагностического мониторинга производственных объектов. Сущность изобретения заключается в том, что обнаружение и выделение сигналов АЭ на фоне шума осуществляют посредством математической обработки зарегистрированного временного ряда зашумленных сигналов АЭ путем их цифровой фильтрации в скользящем временном окне со случайной шумовой компонентой с применением трехкаскадного цифрового фильтра - одномерного полосового нормализующего частотного фильтра, адаптивного спектрально-корреляционного фильтра с переменной линией задержки, двумерного статистического частотно-временного фильтра - в три стадии.

Способ моделирования переходных процессов накопления повреждений в диагностируемом объекте и устройство бифуркационной модели // 2704575

Использование: для моделирования неустойчивых переходных процессов накопления повреждений в диагностируемом объекте с регистрацией точек структурной и системной бифуркации.

Способ акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением // 2704146

Использование: для диагностики сосудов и трубопроводов, работающих под давлением, методом акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что проводят предварительное исследование акустических свойств объекта контроля, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов, регистрируют сигналы акустической эмиссии, определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности, первоначально нагружают контролируемый объект до 5% от испытательного давления, регистрируют акустическую эмиссию, разбивают ее на сигналы одинаковой длительности, для каждого сигнала определяют максимальную амплитуду, размах, количество пересечений нулевой линии и количество локальных максимумов амплитуды, отмечают сигналы с шумами и/или помехами, фиксируют их в базе данных, затем продолжают нагружение до испытательного давления, сравнивают параметры каждого сигнала с параметрами из базы данных и в случае подобия считают сигнал неинформативным.

Акустико-эмиссионный способ определения дефектов структуры образца из углепластика // 2704144

Использование: для определения дефектов структуры образца из углепластика. Сущность изобретения заключается в том, что сначала зона контроля образца из углепластика разбивается на квадратные ячейки, в каждой из которых осуществляется регистрация сигналов акустической эмиссии от имитатора, их локация, затем для каждой ячейки, в которой имеется локация сигналов, определяются структурные коэффициенты РИ и критическое значение MARSE, после чего осуществляется ступенчатое статическое нагружение образца увеличивающейся нагрузкой и при появлении в процессе нагружения в ячейках образца устойчивой локации сигналов, рассчитывается параметр MARSE и при превышении его критического значения определяется структурный коэффициент РН для данной ячейки, зона устойчивой локации накрывается локационной сеткой, определяется размер ячейки по скорости распространения акустического сигнала в материале образца, дефект считается опасным при условии, если в ячейке у сигналов параметр MARSE превышает его критическое значение, затем путем сравнения структурных коэффициентов, полученных при работе имитатора РИ и в процессе нагружения РН, судят о типе дефекта в образце: значение РН≤РИ соответствует разрушению матрицы, расслоению композиционного образца, а РР≥РИ - разрыву волокон материала образца.

Способ определения изменения устойчивости мерзлых грунтовых оснований // 2699385

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям, в частности к способам определения изменения устойчивости мерзлых грунтовых оснований. Согласно заявленному способу в грунтовом основании размещают зонды, каждый из которых содержит нагревательный элемент, приемный акустический преобразователь и термометр.

Способ подавления механической неустойчивости алюминиевого сплава // 2698518

Использование: для подавления механических неустойчивостей алюминиевого сплава В95пч. Сущность изобретения заключается в том, что используют установку датчика акустической эмиссии вблизи потенциально опасного участка (концентратора напряжения) изделия или конструкции, осуществляют деформирование растягивающей нагрузкой до появления первого всплеска акустической эмиссии, сигнализирующего о появлении в материале полосы локализованной деформации - предвестника развития макроскопической механической неустойчивости, при этом этот акустический сигнал используется для запуска силового устройства, которое создает в материале импульс сжатия, подавляющий развитие механической неустойчивости.

Способ комплексного контроля качества сварного шва рельсового стыка // 2698510

Использование: для комплексного контроля качества сварного шва рельсового стыка. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют проведение сплошного контроля сварных стыков ультразвуковым (УЗК) методом и выборочного контроля соблюдения заданного режима сварки путем испытания контрольных натурных образцов на статический поперечный изгиб на прессе и измерений твердости металла в сварных стыках рельсов, при этом дополнительно проводят сплошной контроль на наличие зон с мартенситной структурой металла в сварном шве, акустико-эмиссионным (АЭ) методом на стадии термообработки сварных стыков в процессе воздушно-водяного охлаждения сварного шва, одновременно контролируют температуру остывания сварного шва, и контроль, методом магнитной памяти металла (МПМ), сварных швов на головке и на перьях подошвы рельса, при этом заключение о режимах сварки рельсового стыка, параметрах термической обработки сварного стыка делают на основании анализа результатов, полученных от всех видов контроля, МПМ проводят определение зон концентрации напряжений (ЗКН) в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного шва, по собственному магнитному полю рассеяния (СМПР) путем сканирования датчиком магнитометра вдоль сварного шва поверхности головки рельса и перьев подошвы рельсов, в ЗКН определяют Hp - напряженность магнитного поля, А/м, и градиент магнитного поля рассеяния Hp (dHp/dx), где х - линия обследования в ЗКН, полученную информацию хранят как исходную, далее проводят повторную диагностику в плети в ЗКН с определением Hp и его градиента dH/dx, при прохождении по пути 50-150 млн.

Способ контроля качества сварного шва рельсового стыка // 2698508

Использование: для контроля качества сварного шва рельсового стыка. Сущность изобретения заключается в том, что контроль качества сварного шва первый раз проводят акустико-эмиссионным (АЭ) методом с использованием в качестве нагружающего воздействия градиента температур при остывании сварного шва и второй раз методом ультразвукового контроля, при этом контроль качества сварного шва рельсового стыка проводят на стадии термообработки сварных стыков в процессе воздушно-водяного охлаждения сварного шва, одновременно контролируют температуру остывания сварного шва, при этом датчики контроля устанавливают на головке рельса, регистрируют суммарный счет АЭ, скорость счета АЭ, амплитудное распределение сигналов АЭ, образование мартенситной структуры в сварном шве рельсового стыка оценивают на основе анализа полученных параметров акустико-эмиссионного контроля, заключение о годности сварного шва рельсового стыка делают с учетом результатов ультразвукового контроля.

Способ гибридной ультраструйно-эмиссионной диагностики качества конструкционных материалов // 2698485

Использование: для гибридной ультраструйно-эмиссионной диагностики качества конструкционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют воздействие на испытуемый образец струей жидкости под давлением 350…380 МПа при скорости 800…850 м/с, при этом на испытуемый образец устанавливают один или несколько датчиков акустической эмиссии и регистрируют параметры акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости, проводят оценку качества его конструкционного материала, при этом оценку качества конструкционного материала образца осуществляют путем сравнения периода активации трещин, о котором судят по текущей скорости подачи S, изменяющейся по закону равнозамедленного движения, и наличию частотного спектра резонатора типа Гартмана акустико-эмиссионного сигнала из зоны воздействия струи на мишень, с соответствующими характеристиками эталонного образца либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов.