Көшкінбаев сәулетбек жолдықараұлы технологиялық процестерді бақылауға арналған талшықты-оптикалық көпфункционалды датчиктердің функционалдығын зерттеу және модельдеу
Талшықты Брэгг торларын қолдана отырып, жоғары жылдамдықты деформацияларды өлшеу
жүктеу/скачать 6,91 Mb.
|
koshkynbaev-s-zh-phd-s-sp
| 3.3 Талшықты Брэгг торларын қолдана отырып, жоғары жылдамдықты деформацияларды өлшеу
Бұл экспериментте қолданылатын құрылғы зерттелетін материалдардың бір ось бойынша тікелей созылуын қамтамасыз етеді. Құрылғы схемасында пайда болатын соққы жүктемесі импульстік магнит өрісінің әсерінен зерттелетін объектіге мыс шиналары арқылы әсер етеді. Брэгг торы бар талшық металл үлгіге (жалпақ мыс шиналар) керілген түрде бекітіледі және металл үлгіге 100 кА импульстік ток әсер етеді. 2 мкс импульстік токтың әсер ету уақыты және металл үлгісінің өзгеретін бөлігі 6. суретте көрсетілген импульстік магнит өрісімен үлгілерді өңдеутін магниттік жүйеде бір осьтік тікелей созылуға ұшырайды. Берілген токтың әсерінен металл үлгісінің ығысуы болады және оған бекітілген Брэгг торы бар оптикалық талшықта созылады. Нәтижесінде DPO2024 цифрлық осциллографында импульсті созу жүктемесі бар Брэгг торынан сигнал осциллограммалары алынды (Сурет 3.7). Сурет 3.7 – DPO2024 цифрлық осциллографы суреті Эксперименттік схемада көрсетілген Роговский белдеуі металл үлгісіне импульстік ток әсер еткенде тордың жылжуын тіркеуде маңызды рөл атқарады. Токтың пішінін өзгерту арқылы пайда болатын импульстік әсердің мәнін сандық модельдер арқылы анықтауға болады. Эксперименттік импульстік соққы жүктемесі белгілі болғандықтан, алынған нәтижелердің дұрыстығын растау үшін Брэгг торының ығысу нәтижелерін жоғары жылдамдықты деформация жағдайында материалдардың өзгеруін анықтайтын қолданыстағы механикалық деформация модельдерімен салыстыруға болады. Осы эксперименттің нәтижелерін алу кезінде зерттелетін бетке механикалық түрде бекітілген Брэгг торларын қолдануға байланысты бірқатар мәселелер туындайды. Айта кету керек, жазықтық бетімен механикалық байланыстың күрделілігіне байланысты оптикалық талшықтың өлшеу нәтижелеріне құрылғының құрылымдық элементтері әсер етуі мүмкін. Нәтижесінде объектінің деформация уақыты мен тордың созылу уақыты арасында кідіріс болуы мүмкін. Жүйенің дұрыс жұмыс істеуінің сенімділігі мен дәлдігі бекіту әдістеріне, жұмыс жағдайларына және таңдалған материал түріне байланысты екенін ескеру маңызды. Эксперимент барысында деформацияланатын затқа әсер ететін импульстік ток талшықтың созылу шегінен асып кеткен жағдайда тордың механикалық бұзылуына әкелуі мүмкін. Егер импульстік токтың мәні талшықтың созылу шегінен аз болса, онда жазықтықтың бетінде ығысудың болуын байқамауға болады. Импульстік магнит өрісіндегі үлгілерді сынауға арналған құрылғының нақты схемасы 3.8- суретте көрсетілген. Сурет 3.8 – Импульстік магнит өрісінің эксперименттік құрылғысының схемасы (зерттелетін үлгіге Брэгг торы бар талшықты-оптикалық кабель бекітіледі) Толқындық форманың бастапқы фрагменті бірінші толқындар арасындағы импульстің өту уақыты екіншісіне қарағанда аз екенін көрсетеді, яғни, импульстік уақыт кейінгі толқындармен артады. Осы импульстардан кейінгі аймақ жүйенің әсерінен туындайды. Импульсті созу жүктемесі кезінде Брэгг торынан шағылысатын сигналдың осциллограммасы 3.9 - суретте көрсетілген. Технологиялық және табиғи процестерде пайда болатын соққы процестері олардың материалдарға әсер ету дәрежесін бақылау және бағалау қажеттілігін тудырады. Материалдарға импульстік әсер ету кезінде деформация жылдамдығының жоғарылауымен шекті деструктивті жүктемелердің, пластикалық ток шегінің және т. б. айтарлықтай тәуелділігі пайда болады. Материалдарды бұзу процестерінің көп факторлылығы іске асырылатын жүктеме режимдері мен схемаларының спектрін кеңейтуге мүмкіндік беретін импульстік қысымдарды құрудың жаңа әдістерін жасауға, сондай-ақ осы әсерлер кезінде материалдардың деформацияларын өлшеу әдістері мен әдістерін жасауға әкеледі. Микро және наносекундтық ұзақтық диапазонында динамикалық жоғары жылдамдықты жүктеме кезінде материалдардың қасиеттерін зерттеу ерекше қызығушылық тудырады. Дәл осы зерттеу бағыты осы жұмыстың тақырыбы болып табылады, ол күрделі және екі бөліктен тұрады: құрылғылар құру, күшті магнит өрісі тудыратын импульстік қысымдарды қалыптастыру және объект бетінің деформациялық ығысуларының қарқынды импульстік әсерінен пайда болатын тіркеулер. Сурет 3.9 – Импульсті созу жүктемесі кезінде Брэгг торынан сигналдың осциллограммасы. мс уақыт шкаласы, іріктеу жиілігі 5 МГц. Бірінші импульстар арасындағы уақыт аралығы 44 мкс, екіншісі 96 мкс Импульстік механикалық жүктемені қалыптастыру құрылғысы Материалдардың динамикалық механикалық қасиеттерін сынауға мүмкіндік беретін бірқатар әдістер бар [5,6,7,8], олар үлгіге импульстік әсер етуді қалыптастырады, ал олар өз кезеңінде әр түрлі сипаттағы энергияның түрленуі әсерінен болады (ВВ, лазерлік абляция, кинетикалық энергия әр түрлі әдістермен жеделдетілген қатты күйдегі соққы және т.б.). Бірқатар жұмыстар импульстік магнит өрісінің энергиясын пайдалану мүмкіндігін көрсетеді, ондағы энергия тығыздығы материалдардың сублимация энергиясына жетуі мүмкін [КСИ-Снежинск, ЖТФ], ал қалыптасқан қысым магнит өрісінің индукциясымен ерекше анықталады. Магниттік жүйелердің конфигурациясы деформация жылдамдығымен дейін сынау мүмкіндігін қамтамасыз ететін әртүрлі жүктеме схемаларын жүзеге асыруға мүмкіндік береді [ ]. Магниттік импульстік әдістің басты ерекшелігі-уақыт бойынша қысымның өзгеруінің амплитудасы, ұзақтығы және берілген динамикасы бақыланатын қысым импульстарын құру мүмкіндігі, бұл әсіресе күшті импульстік әсерлер жағдайында материалдардың әрекетін талдау кезінде өте маңызды. Ұсынылған жұмыста үлгілерге әсер ету үшін магниттік импульстік жүктеме схемасы қолданылады (сурет 3.10). Сурет 3.10 – Жоғары жылдамдықты деформацияларды өлшеуге арналған эксперименттік қондырғы схемасы. 1 – жалпақ шиналар түріндегі 2 жүктемесі бар PCG импульстік ток генераторының эквивалентті тізбегі, 3-үлгі бетіндегі ТБТ бекіту нүктесі, 4-лазерлік диод, 5-фотоқабылдағыш, 6-талшықты жарық өткізгіш, 7 - оптикалық циркулятор, 8 - талшықты Брэгг торы, 9 - оптоэлектрондық блок. Жұмыс принципі келесідей - PGG импульстік ток генераторын магниттік жүйеге бифилярлы мыс шиналар түрінде шығару, олардың арасында импульстік магниттік қысымның пайда болуына әкеледі, ал ол сыналатын үлгілерге беріледі. PGG С = 14.5 мкФ импульстік конденсаторлардан тұрады, ал оның зарядтау кернеуі U0 = 15 = 30 кВ, және аз индуктивті көп арналы разрядтағыш [9] және ток өткізгіштерден тұрады. PGG-нің меншікті индуктивтілігі L = 100 нГн, толқындық кедергі ρ = 0.08 Ом, қысқа тұйықталу режимінде импульстік ток пайда болады, тербеліс периоды T = 7.5 мкс және сөну уақытының тұрақтысы τ ≈ 9 мкс. Бұл жүктеме әдісінің артықшылығы параметрлерді бақылау мүмкіндігі болып табылады, яғни импульстік токты өлшеу арқылы параметрлері (амплитудасы, ұзақтығы, сөнуі) электр тізбегінің параметрлерімен реттелетін импульстік магниттік қысымды есептеуге болады: сыйымдылығы C, индуктивтілігі L, кедергісі R, Зарядтау кернеуі U_0 және магниттік жүйенің геометриясы. I(t) генерацияланған токтың аппроксимация функциясы келесідей: , бұл жағдайда әлсіреу болмаған кезде токтың максималды мәні келесі өрнекпен анықталады , толқын кедергісі , тербеліс периоды . Векторлық магниттік потенциалды және сәйкесінше B индукциясын, h кернеулігін және J ток тығыздығын анықтау үшін Comsol Multiphysics ортасында жүзеге асырылған соңғы элементтер әдісі қолданылды. а) 3D схемасы; b) магнит өрісінің B индукциясының таралуын сандық 2D есептеу нәтижесі Сурет 3.11 – Бифилярлы жазық өткізгіштер бойынша I импульстік ток ағымы кезінде P_m магниттік қысымының қалыптасуы 1 (C-шиналардың ені; h-шиналар арасындағы қашықтық ) : Өткізгіштегі магнит өрісінің индукциясымен импульстік ток тығыздығының өзара әрекеттесуі Лоренцтің көлемдік күштерін тудырады . Берілген күштің өткізгіштің қимасы бойынша интегралы импульстік магниттік қысымды тудырады, оның амплитудасы ток амплитудасының жазық өткізгіштердің еніне қатынасының квадратына тура пропорционал, яғни Im ток амплитудасын және/немесе жазық с шиналарының енін өзгерту арқылы магниттік қысым амплитудасымен өзгертуге болады: , мұндағы km-магниттік жүйенің геометриясымен (өткізгіштердің геометриясы және олардың арасындағы қашықтық), сондай-ақ ток жиілігімен анықталатын магниттік қысым коэффициенті [112]. PM(t) магниттік қысымының эксперименттік импульсін анықтау үшін біз Роговский белдігінің көмегімен разряд тогын өлшедік, разряд тогының айтарлықтай үлкен уақыт константасын өлшеу уақыты. Жоғарыда сипатталған сандық модельдеуді қолдана отырып, магниттік қысым Pm(t) және магниттік қысым коэффициенті km есептелді. Импульстік деформацияны өлшеудің оптикалық схемасы Үлгі бетінің қозғалыс сенсоры ретінде Брэгг торы бар оптикалық талшықты таңдау өлшеу аймағында күшті электромагниттік өрістің болуына байланысты. Датчиктің ТБТ артықшылықтарына жеңілдік, кішігірім өлшем, жоғары сезімталдық және өндіріс процесінде параметрлерді өзгерту мүмкіндігі жатады. Датчиктің жұмысының негізінде талшық өзегінің n_f сыну көрсеткішінің мерзімді өзгеруіне байланысты ТБТ-дан шағылысудың спектрлік селективтілігі жатыр. Толқынның тордан шағылысу шарттары =2 период өзгерген кезде өзгереді, егер ол созылса (сығылса), бұл өз кезегінде берілген толқын ұзындығында шағылысқан сигнал шамасының төмендеуіне әкеледі. Қазіргі уақытта қолданылатын диагностикалық әдістемеде оптикалық сәулелену көзі ретінде реттелетін толқын ұзындығы лазері немесе кең жолақты көзі қолданылады. Бірінші жағдайда орталық толқын ұзындығының өзгеру жылдамдығы жоғары жылдамдықты импульстік процестерді тіркеу үшін жеткіліксіз, ал кең жолақты сәулелену көзі жағдайында ТБТ-дан шағылысқан сигналдың қуаты аз болады. Осы жағдайларды ескере отырып, бұл жұмыста сәулелену көзі бір жиілікті лазерлік диод болды, толқын ұзындығы = 1551 нм (бөлме температурасында), спектрдің жарты ені шамамен 0.016 нм. Талшықты Брэгг торлары орталық толқын ұзындығына лазердің толқын ұзындығына сәйкес келетін жағдаймен жасалған . Әрі қарайғы эксперименттер үшін пайдаланылған талшықты Брэгг торының ұзындығы 10 мм болды, орталық толқын ұзындығы шамамен λBG=1551 нм, спектрдің жарты ені λ= 0,06 нм және шағылысу коэффициенті 90 %. Өлшеу жүйесінің V шығыс кернеуінің ТБТ-ға қолданылатын созылу күшіне S тәуелділігін үш түрлі ТБТ үшін калибрлеу статикалық жүктеме режимінде орындалды. Жұмыс нүктесі – V (s) тәуелділігінің төмендеуінде лазерлік сәулеленудің толқын ұзындығы таңдалды. Алынған тәуелділіктер 3.12 суретте көрсетілген. Тәуелділіктер өлшеу құрылғысындағы Брэгг торларының кеңістіктік орнын өзгерту арқылы бірнеше рет өлшенді. Жергілікті максимумдар мен гетерогенділіктің қайталануы болды. Яғни, v (s) тәуелділігінің біркелкі еместігі өлшеу қателігі емес, ол сыналған ТБТ және пайдаланылған лазердің қасиеті болып табылады [113-115]. V(s) тәуелділігінің біркелкі еместігі тек ТБТ шағылысу спектрінің бүйірлік максимумдарының шамасына және лазердің сәулелену спектріне ғана емес, сонымен қатар созылу кезіндегі ТБТ-ның механикалық қасиеттеріне де байланысты деп болжауға болады. Сондай-ақ, V(s) тәуелділігінің көрсетілген біркелкі еместігі ТБТ шағылысуының орталық толқын ұзындығының талшықты Брэгг торларының салыстырмалы ұзаруына біркелкі сызықтық тәуелділігінде де орын алуы мүмкін деп болжауға болады. Алынған мәліметтерден шығыс сигнал амплитудасы негізінде алынған калибрлеу тәуелділіктері бойынша қолданылатын күш пен салыстырмалы ұзаруды анықтау кезінде, кейбір талшықты Брэгг торлары үлгілерін пайдаланған кезде түсініксіздік туындауы мүмкін. Мұндай әсерді азайту үшін талшықты Брэгг торларына алдын-ала іріктеуді жүргізген жөн немесе бір талшықта жасалған және бір-бірінен біршама қашықтықта орналасқан бірнеше талшықты Брэгг торларын қолданған жөн. Сурет 3.12 – Үш тордың миллиньютондағы Брэгг торына қолданылатын күшке калибрлеу тәуелділігі (1-3). Өлшеу схемасы 3.12 суретте көрсетілген. 4 лазерлік диодтың сәулеленуі 8 Брэгг торынан және 7 циркулятор (немесе сплиттер) және 8 талшықты жарық диоды арқылы 5 фотоқабылдағышқа түсті. Зерттелетін объектіден оптоэлектрондық блок 9-ға дейінгі талшықты толқын өткізгіштің ұзындығы 10 м болды, бұл импульстік электромагниттік өрістердің өлшеу құралдарына әсерін айтарлықтай төмендетуге мүмкіндік берді. Үлгідегі талшықты Брэгг торы бекіту нүктесінен қашықтық (сурет 3.10, 3-элемент) ТБТ-ға дейін шамамен 0,5 м болды. Талшықты Брэгг торына импульстік механикалық әсер ету кезінде алынған шығыс сигналының мысалы 3.13 - суретте келтірілген. Сурет 3.13 – Импульстік механикалық әсердегі шығыс сигналының осциллограммасы: 1 – кедергі, 2, 3-ТБТ созылуының өзгеруінің әсерінен пайда болатын пайдалы сигнал (FBG – 3), 4, 5 – бүкіл құрылымға механикалық әсерден туындаған сигналдар, 6-магниттік-импульстік әсер тудыратын ток импульсі. 1-ші импульс сигнал күшейткішіне бағытталған разрядтауыштың жұмысы кезінде пайда болатын электромагниттік кедергіге байланысты, 2 және 3 импульстар – ТБТ созылуының өзгеруінің механикалық импульсінің алдыңғы және төмендеуіне, 4 және 5 импульстар - шағылысқан толқынның әсеріне және механикалық құрылымның тербелістеріне сәйкес келеді, 6-Роговский белдігінің алынған магниттік-импульстік әсерді тудыратын ток импульсінің осциллограммасы. Ток импульсінің неғұрлым егжей-тегжейлі осциллограммасы 3.14 - суретте көрсетілген, бұл i(t) тәуелділігін модельдеу үшін қолданылатын нақты сәйкестікті растайды. Сурет 3.14 – Роговский белдігінің көмегімен эксперименталды түрде алынған ток осциллограммасы Пайдалы сигналды тіркеудің бұл әдістемесінің маңызды артықшылығы -ол ток импульсіне қатысты кешіктірілген . Тиісінше және кедергі импульсіне қатысты, акустикалық толқынның жарық өткізгішті үлгіге бекіту орындарына жетуі үшін, ВРБ-ға дейін уақыт қажет (сурет. 1, 3-нүкте). Берілген осциллограмма үшін бұл шамамен 0.13 мс, бұл толқынның 3.8 км/с жылдамдығына сәйкес келеді. Калибрлеу тәуелділігіне сәйкес (сурет. 3, FBG-3), пайдалы сигналдың амплитудасы (импульс 2) шамамен 57 мН оптикалық талшықтағы механикалық әсер ету күшіне сәйкес келді. Айта кету керек, механикалық әсердің көрсетілген мөлшері импульстің бастапқы бөлігінде пайда болды, ал 2 және 3 импульстар арасындағы уақыт аралығында үлкен мәндерге жетті. 2 импульстің өлшенген ұзақтығына және шағылысу спектрінің жарты еніне негізделген ε салыстырмалы ұзарудың өзгеру жылдамдығы шамамен 200 με / s болды. ТБТ-ға аз механикалық әсер етілгенде немесе ТБТ-мен оптикалық талшықтың тербелістерінің сөну процесінде ТБТ резонанстық (орталық) толқын ұзындығының өзгеруі оның спектрлік тығыздығының жарты ені диапазонында болуы мүмкін (әсер етілмеген жағдайда). Содан кейін сигнал пішіні 4-суретте көрсетілгенге ұқсас импульстік пішіннен ТБТ созылуынан сығуға және керісінше өтуге байланысты жергілікті минимуммен импульстік пішінге өзгереді. Мұндай осциллограмманың мысалы 3.15 - суретте келтірілген. Сурет 3.15 – ТБТ-ның созылудан қысылуына ауысқанда және керісінше, шартты түрде әлсіз механикалық әсер кезіндегі сигнал осциллограммасы. 4.26 мс, 4.33 мс және 4.45 мс нүктелеріне жақын орналасқан осциллограммадағы жергілікті минимумдар ТБТ созылуынан қысуға және керісінше көрсетілген ауысуға байланысты. Нөлдік сигнал мәндеріне жақын 4.22 мс, 4.3 мс, 4.4 мс нүктелеріне жақын уақыт аралықтары оптикалық талшықтың созылуына немесе қысылуына сәйкес келеді, онда ТБТ резонанстық толқын ұзындығы лазердің сәулелену толқын ұзындығынан едәуір үлкен немесе аз болады. 3.15 - суреттен тербеліс сипаты күрделі сипатта болғандығын көруге болады, яғни әр түрлі периодтар мен амплитудасы бар ТБТ ұзарту тербелісі болған. жүктеу/скачать 6,91 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|