Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение

Основное свойство "интеллектуальных" материалов и изделий состоит в способности реагировать на изменение внешних условий и условий эксплуатации. Они могут также ремонтировать себя или изменять свои функциональные характеристики.
...
В книге описаны системы волоконно-оптических датчиков, которые могут измерять деформацию, температуру и механическое напряжение. Обсуждаются способы реагирования интеллектуальных конструкций на возникающие резонансные колебания. Описаны сплавы, обладающие эффектом памяти формы, а также пьезокерамики, широко используемые в качестве датчиков в рассматриваемых структурах. Даны примеры применения магнитострикционных материалов в качестве активных приводов, реагирующих на изменение внешних условий. Описаны жидкостные интеллектуальные системы, способные изменять свое движение под действием электрического сигнала и вызывать появление реальных сил и смещений. Рассмотрены биоимплантанты и живые организмы, изучение которых облегчает разработку принципов работы новых интеллектуальных структур.
...
Редакторы данной книги участвовали во многих конференциях, на которых обсуждались проблемы интеллектуальных технологий. Две из них сыграли очень важную роль в ее создании. Первая была проведена в марте 1998 года Институтом физики в г. Брайтоне. На ней было сделано несколько пленарных докладов специалистами в области интеллектуальных технологий. После этого редакторы книги приняли участие в организации Международной конференции по интеллектуальным технологиям и устройствам, которая была проведена в Эдинбурге в декабре 2001 года. Эта конференция была ориентирована на использование результатов лабораторных исследований в промышленных разработках и на демонстрацию опытных моделей работающих интеллектуальных устройств. В некотором смысле это было естественным переходом от теории к ее практическому использованию.
...
Редакторам книги удалось привлечь ведущих специалистов к написанию книги, которая дает современное представление о быстро развивающейся области интеллектуальных устройств. Каждый автор написал главу, описывающую специфический раздел интеллектуальных технологий. Поскольку эти технологии носят мультидисциплинарный характер, авторы являются специалистами в различных областях, что позволит читателю ознакомиться с различными точками зрения, которые следует учитывать при проектировании интеллектуальных изделий.
...
Акцент была сделан на практическое использование интеллектуальных структур, материалов, устройств и механизмов. Данная книга будет полезна любому, кто хочет ознакомиться с состоянием дел в этой области или нацелен на работу в ней. В книге используются понятные термины, что делает ее доступной для широкого круга студентов, инженеров и исследователей, начиная от новичка и кончая известными специалистами.
...
Редакторы данной книги участвовали во многих конференциях, на которых обсуждались проблемы интеллектуальных технологий. Две из них сыграли очень важную роль в ее создании. Первая была проведена в марте 1998 года Институтом физики в г. Брайтоне. На ней было сделано несколько пленарных докладов специалистами в области интеллектуальных технологий. После этого редакторы книги приняли участие в организации Международной конференции по интеллектуальным технологиям и устройствам, которая была проведена в Эдинбурге в декабре 2001 года. Эта конференция была ориентирована на использование результатов лабораторных исследований в промышленных разработках и на демонстрацию опытных моделей работающих интеллектуальных устройств. В некотором смысле это было естественным переходом от теории к ее практическому использованию.
...
Редакторам книги удалось привлечь ведущих специалистов к написанию книги, которая дает современное представление о быстро развивающейся области интеллектуальных устройств. Каждый автор написал главу, описывающую специфический раздел интеллектуальных технологий. Поскольку эти технологии носят мультидисциплинарный характер, авторы являются специалистами в различных областях, что позволит читателю ознакомиться с различными точками зрения, которые следует учитывать при проектировании интеллектуальных изделий.
...
Акцент была сделан на практическое использование интеллектуальных структур, материалов, устройств и механизмов. Данная книга будет полезна любому, кто хочет ознакомиться с состоянием дел в этой области или нацелен на работу в ней. В книге используются понятные термины, что делает ее доступной для широкого круга студентов, инженеров и исследователей, начиная от новичка и кончая известными специалистами.
...
«Интеллектуальный» — это слово часто можно услышать в рекламе новых товаров. Но зачастую данный термин используют в рекламных целях, неверно называя «интеллектуальным» любое сложное высокотехнологичное изделие. Между тем устройство является действительно интеллектуальным, лишь если оно способно реагировать на изменение внешних условий. Под изменением внешних условий мы понимаем изменение природных условий, условий эксплуатации или, скажем, перемещение конструкции в пространстве. А реакцией является изменение функциональных характеристик устройства.
...
Устройства, «чувствующие» внешние условия и способные изменять свои характеристики, имеют множество преимуществ по сравнению с обычными устройствами: они эффективнее, медленнее изнашиваются и имеют меньшие эксплуатационные затраты.
...
Область применения интеллектуальных изделий поистине безгранична. Они разрабатываются по-разному, но проектировщик обязательно сталкивается с одной и той же проблемой — как «научить» изделие реагировать, не слишком усложняя конструкцию и не увеличивая ее стоимость. Для решения этой задачи приходится применять методы нескольких смежных наук.
...
Интеллектуальное изделие должно иметь систему измерительных датчиков {сенсоров) и механических приводов (преобразователей), реагирующих в зависимости от полученных данных. При этом действия системы
...
могут быть весьма сложными. Если есть несколько вариантов реакции, структура должна выбрать наиболее эффективный способ реагирования. Поэтому во многих системах используются достаточно сложные способы проверки и обработки получаемого сигнала. Ниже мы рассмотрим вопросы, имеющие большое значение в интеллектуальных изделиях.
...
Датчики (сенсоры) измеряют деформацию, температуру или напряжение в разных точках изделия. Измерительная система должна быть не слишком сложной; ее необходимо связать с системой обработки данных, не нарушая при этом целостности структуры.
...
Ниже описаны основные требования, предъявляемые к сенсорным системам, и приведены примеры таких систем. Особое внимание уделено измерению локальных параметров системы и использованию оптических волокон.
...
Снижение веса, что особенно актуально для космической техники, сопровождается увеличением амплитуды колебаний. Были случаи, когда спутники выходили из строя из-за колебаний, возникавших вследствие тепловых нагрузок. Эту проблему можно решить, вводя в структуру датчики и механические преобразователи (обычно пьезоэлектрические).
...
В данной главе приведены общие принципы контроля интеллектуальных структур и даны примеры их работы, например функционирование интеллектуальных антенн. Описаны некоторые идеи будущего использования интеллектуальных структур.
...
Обработка данных имеет огромное значение при создании и эксплуатации интеллектуальных структур. Датчики могут дать обширную информацию о системе, но эти данные бесполезны, если нет алгоритма выделения действительно необходимой информации. В этой главе приведены методы обработки сигнала и даны примеры контроля жизнеспособности сенсоров в интеллектуальных структурах.
...
Существует два типа сплавов с эффектом памяти формы: одни способны к большой обратимой деформации при неизменной температуре (эффект сверхэластичности), другие восстанавливают свою форму при увеличении температуры (эффект тепловой памяти формы). Открытие сплава, названного нитинолем, в 1960-х годах вызвало большой интерес к таким материалам. В последующие годы область применений сплавов с этим необычным свойством сильно расширилась. Как правило, материалы с памятью формы используются в качестве механических приводов. Иногда они преобразуют тепловую энергию в движение или механическую работу.
...
могут быть весьма сложными. Если есть несколько вариантов реакции, структура должна выбрать наиболее эффективный способ реагирования. Поэтому во многих системах используются достаточно сложные способы проверки и обработки получаемого сигнала. Ниже мы рассмотрим вопросы, имеющие большое значение в интеллектуальных изделиях.
...
1.2. Использование интеллектуальных устройств
...
В этой же главе описаны свойства таких сплавов и способы их использования в интеллектуальных структурах. Приведены примеры применения сплавов для контроля дефектности конструкций.
...
Природные пьезоэлектрические кристаллы (такие как диоксид кремния) известны уже более ста лет. Они имеют большую жесткость и могуч использоваться при высоких рабочих частотах. Благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту они успешно применяются в качестве тензодатчиков.
...
Позже появились искусственные керамические пьезоэлектрики; их используют как механические преобразователи. При этом обычно применяется обратный пьезоэлектрический эффект, состоящий в изменении размеров при приложении электрического поля. Возникающая в таких керамиках сила очень велика, а характерное время реагирования мало. Их недостатком является малая величина смещения.
...
В этой главе описаны основы пьезоэлектрического эффекта и даны примеры действия пьезопреобразователей различной формы. Обсуждаются методы увеличения деформации в целях использования пьезо-электриков в обычных устройствах. Описаны примеры применения пье-зоэлектриков в интеллектуальных устройствах.
...
Интерес к магнитострикционным материалам появился сразу после открытия эффекта магнитоупругости - изменения формы и размеров тела при намагничивании - в редкоземельных элементах тербии (ТЪ), самарии (Sm) и диспрозии (Dy). Сначала их недостатком считалась малая величина эффекта. Интерес к ним усилился после открытия компаунда, известного как терфенол и обладающего сильным магнитострикционным эффектом. Этот компаунд обладает огромным потенциалом использования в различных изделиях.
...
В этой главе приведены примеры использования материалов с сильным магнитострикционным эффектом и описаны особенности таких устройств. В частности, обсуждается использование этих материалов в активных интеллектуальных структурах. В заключении описаны тонкие магнитострикционные пленки.
...
Интеллектуальные структуры реагируют на внешнее воздействие благодаря способности изменять свое движение «по команде» электрического сигнала, не меняя при этом конфигурацию аппаратуры. Аналогично источникам электрического напряжения, величина которого зависит от продолжительности импульса на входе, умный механизм должен вызывать появление сил, скоростей и (что наиболее важно) смещений. Необходимость получения больших ускорений и смещений, сопровождаемых значительным выделением тепла, ограничивает возможности интеллектуальных материалов.
...
В этой же главе описаны свойства таких сплавов и способы их использования в интеллектуальных структурах. Приведены примеры применения сплавов для контроля дефектности конструкций.
...
Интеллектуальные конструкции могут иметь различный вид. К ним относятся и самонаводящиеся бомбы, и ткацкий станок, производящий ткани с изменяющимся рисунком (без его остановки), и приборы, оперирующие материалами различной формы. Управление интеллектуальной структурой может осуществляться электромагнитными, гидравлическими или пьезоэлектрическими силами. В этой главе обсуждаются разработки в этой области и, в частности, методы, основанные на применении электрореологических и магнитореологических жидкостей.
...
Имплантация материала в биологическую ткань обычно вызывает реакцию отторжения. Если не проявлять особую осторожность при выборе материала и технологии его производства, имплантант может быть чрезвычайно опасен для организма. Защитные свойства организма ориентированы на выявление и реагирование на инородные тела. Хорошо, если инородным телом является бактерия, которая окружается и уничтожается, но плохо, если это искусственный медицинский имплантат.
...
Реакция организма на инородное тело зависит от особенностей материала и места его имплантации. Она может состоять в отторжении, капсулировании, свертывании крови и т.д. Рассмотрены способы избежать такую реакцию организма. Описаны последние достижения в разработке имплантируемых материалов, помогающих выращиванию новых тканей или вживлению имплантированного материала. Такие материалы особенно актуальны при заживлении ожогов и восстановлении нервных окончаний.
...
Окружающий нас биологический мир содержит огромное количество готовых решений самых разных задач. Работа биолога, видящего такое решение, зачастую состоит в выяснении, какой же была задача. Если по имеющемуся ответу удалось установить заданный Природой вопрос и выяснить способы оптимизации ответа на него, найденные ею решения можно применить и к техническим задачам.
...
Использование в интеллектуальных системах идей, основанных на изучении биологических объектов, требует отхода от традиционных методов проектирования. В этой главе даны примеры, которые показывают применение таких идей как на уровне материала, так и на уровне структуры. В качестве примеров приведены насекомые и растения, имеющие сенсоры и своеобразные активаторы.
...
Интеллектуальные конструкции могут иметь различный вид. К ним относятся и самонаводящиеся бомбы, и ткацкий станок, производящий ткани с изменяющимся рисунком (без его остановки), и приборы, оперирующие материалами различной формы. Управление интеллектуальной структурой может осуществляться электромагнитными, гидравлическими или пьезоэлектрическими силами. В этой главе обсуждаются разработки в этой области и, в частности, методы, основанные на применении электрореологических и магнитореологических жидкостей.
...
Имплантация материала в биологическую ткань обычно вызывает реакцию отторжения. Если не проявлять особую осторожность при выборе материала и технологии его производства, имплантант может быть чрезвычайно опасен для организма. Защитные свойства организма ориентированы на выявление и реагирование на инородные тела. Хорошо, если инородным телом является бактерия, которая окружается и уничтожается, но плохо, если это искусственный медицинский имплантат.
...
1.2. Использование интеллектуальных устройств
...
Система датчиков или сенсоров - это «нервная система» интеллектуальной структуры. Она контролирует состояние конструкции, определяет уровень механической нагрузки и других физических параметров. В идеале датчики должны обнаруживать любые изменения контролируемых параметров во всех частях структуры. Стремясь к этой цели, многие исследователи разрабатывают конструкции, подобные существующим в природе «биологическим моделям» интеллектуальных структур. Впрочем, даже в природных системах сенсоры, как правило, сосредоточены преимущественно лишь в некоторых специфических областях, которые были определены за многие поколения эволюции (рис. 2.1).
...
Рис. 2.1. Иллюстрация эволюции нервной системы у людей. Размеры отдельных участков тела соответствуют степени их чувствительности.
...
Система датчиков или сенсоров - это «нервная система» интеллектуальной структуры. Она контролирует состояние конструкции, определяет уровень механической нагрузки и других физических параметров. В идеале датчики должны обнаруживать любые изменения контролируемых параметров во всех частях структуры. Стремясь к этой цели, многие исследователи разрабатывают конструкции, подобные существующим в природе «биологическим моделям» интеллектуальных структур. Впрочем, даже в природных системах сенсоры, как правило, сосредоточены преимущественно лишь в некоторых специфических областях, которые были определены за многие поколения эволюции (рис. 2.1).
...
Рис. 2.1. Иллюстрация эволюции нервной системы у людей. Размеры отдельных участков тела соответствуют степени их чувствительности.
...
Разработчик интеллектуальной структуры, очевидно, должен поступать аналогично и концентрировать датчики в ее наиболее уязвимых частях. Это - существенная особенность проектирования интеллектуальной системы. Алгоритм создания интеллектуальной системы должен использовать и интуицию проектировщика, и накопленный ранее опыт. Подобно естественному отбору в Природе, происходит постепенное развитие интеллектуальных конструкций, и последующие их поколения могут значительно отличаться от предыдущих.
...
Данная глава посвящена общим принципам функционирования системы датчиков, а не принципам разработки конкретных датчиков. Последняя задача, как правило, решается сравнительно легко. Очевидно, датчики необходимо размещать в местах, в которых максимальны механические нагрузки, скачки температуры или воздействие агрессивной химической среды. В настоящее время происходит постепенная интеграция процессов проектирования и контроля, и в идеале процедура установки датчиков должна стать частью комплексной задачи конструирования и мониторинга механических и других свойств системы. Впрочем, нынешние технологии от этого еще весьма далеки.
...
Полная характеризация контролируемой структуры только с помощью сети сенооров невозможна. Действительно, в любой измерительной системе всегда имеется шум. Ошибки могут быть уменьшены, если использовать фильтры или усреднять результаты большого количества измерений. Однако полностью избавиться от них нельзя. Кроме того, неизбежно появляется проблема обработки огромного количества данных. В идеале объем получаемых данных должен адекватно описывать контролируемые параметры во всех частях геометрически сложной структуры; кроме того, их должно быть достаточно для создания удовлетворительной модели системы. Однако с усложнением системы быстро растет объем информации, особенно если следить за изменением величины сигнала во времени. Так, для записи данных о поведении конструкции небольшого самолета в течение лишь одной секунды необходим объем нескольких CD-ROMob
...
Таким образом, мы должны создать систему сенсоров, удовлетворяющую некоторым минимальным требованиям. Процесс анализа информации можно разделить на две стадии. Для начала нужно установить, надежен ли результат измерения и не противоречит ли он некоторым критериям оценки точности. Вторая стадия состоит в определении ве-
...
Разработчик интеллектуальной структуры, очевидно, должен поступать аналогично и концентрировать датчики в ее наиболее уязвимых частях. Это - существенная особенность проектирования интеллектуальной системы. Алгоритм создания интеллектуальной системы должен использовать и интуицию проектировщика, и накопленный ранее опыт. Подобно естественному отбору в Природе, происходит постепенное развитие интеллектуальных конструкций, и последующие их поколения могут значительно отличаться от предыдущих.
...
Данная глава посвящена общим принципам функционирования системы датчиков, а не принципам разработки конкретных датчиков. Последняя задача, как правило, решается сравнительно легко. Очевидно, датчики необходимо размещать в местах, в которых максимальны механические нагрузки, скачки температуры или воздействие агрессивной химической среды. В настоящее время происходит постепенная интеграция процессов проектирования и контроля, и в идеале процедура установки датчиков должна стать частью комплексной задачи конструирования и мониторинга механических и других свойств системы. Впрочем, нынешние технологии от этого еще весьма далеки.
...
Полная характеризация контролируемой структуры только с помощью сети сенооров невозможна. Действительно, в любой измерительной системе всегда имеется шум. Ошибки могут быть уменьшены, если использовать фильтры или усреднять результаты большого количества измерений. Однако полностью избавиться от них нельзя. Кроме того, неизбежно появляется проблема обработки огромного количества данных. В идеале объем получаемых данных должен адекватно описывать контролируемые параметры во всех частях геометрически сложной структуры; кроме того, их должно быть достаточно для создания удовлетворительной модели системы. Однако с усложнением системы быстро растет объем информации, особенно если следить за изменением величины сигнала во времени. Так, для записи данных о поведении конструкции небольшого самолета в течение лишь одной секунды необходим объем нескольких CD-ROMob
...
личины внешнего воздействия и принятия решения, нужно ли на него реагировать. Для этого, во-первых, необходимо иметь систему реагирования. Во-вторых, необходимо измерять следующие виды воздействия:
...
Технические требования к точности изменений определяются довольно просто. Обычно измерения удлинения с точностью 10 мк и температуры с точностью до десятой доли градуса Цельсия вполне достаточно, поскольку типичные значения удлинения равны нескольким миллиметрам, а рабочий диапазон температур лежит в пределах от -50 до +150°С. Имеются, конечно, и исключения, как в случае газовых турбин и нефтяных скважин. В таких случаях пределы измерений и их точность устанавливаются индивидуально. Но обычно подходит стандартный диапазон температур. Есть и еще один момент, связанный с продолжительностью контроля конструкции и, соответственно, продолжительностью измерений. Здесь различия могут быть огромными. Некоторые контрукции, например корпуса ракет, функционируют лишь несколько минут. Другие же конструкции должны работать десятилетия.
...
личины внешнего воздействия и принятия решения, нужно ли на него реагировать. Для этого, во-первых, необходимо иметь систему реагирования. Во-вторых, необходимо измерять следующие виды воздействия:
...
Помимо измерения механических нагрузкок, необходимо контролировать степень изношенности конструкции. Такие испытания должны проводиться при отсутствии каких-либо нагрузок, в том числе и температурных. Измерения нужно проводить при фиксированной температуре, или, по крайней мере, ее изменение должно быть учтено. Соответственно, измеряться должны как чисто механические напряжения, так и тепловые эффекты.
...
В последние года был достигнут значительный прогресс в развитии систем измерения и анализа механических параметров, но совершенствование самих сенсоров и методов их включения в контролируемые структуры необходимо продолжать. Иная ситуация наблюдается в области контроля химических воздействий. Это связано с тем, что большинство химических реакций необратимо, и поэтому результаты измерений постоянно изменяются (рис. 2.3). Биологические системы справляются с этой проблемой путем непрерывной регенерации сенсорных клеток, но их искусственные аналоги еще не изобретены. Реагенты быстро загрязняются и требуют замены, поскольку в противном случае полученные результаты будут неточными. Скорость химических реакций очень чувствительна к изменению температуры. Эти проблемы еще не решены, и поэтому в дальнейшем мы сосредоточимся на контроле физических, а не химических воздействий.
...
Процедура измерения и обработки данных может быть очень сложной. Прежде всего, необходимо получить электрический сигнал, который требуется передать в систему анализа данных. Методов получения сигнала много, но в любом случае он передается через некоторые поверхности раздела. При пе-
...
Помимо измерения механических нагрузкок, необходимо контролировать степень изношенности конструкции. Такие испытания должны проводиться при отсутствии каких-либо нагрузок, в том числе и температурных. Измерения нужно проводить при фиксированной температуре, или, по крайней мере, ее изменение должно быть учтено. Соответственно, измеряться должны как чисто механические напряжения, так и тепловые эффекты.
...
В последние года был достигнут значительный прогресс в развитии систем измерения и анализа механических параметров, но совершенствование самих сенсоров и методов их включения в контролируемые структуры необходимо продолжать. Иная ситуация наблюдается в области контроля химических воздействий. Это связано с тем, что большинство химических реакций необратимо, и поэтому результаты измерений постоянно изменяются (рис. 2.3). Биологические системы справляются с этой проблемой путем непрерывной регенерации сенсорных клеток, но их искусственные аналоги еще не изобретены. Реагенты быстро загрязняются и требуют замены, поскольку в противном случае полученные результаты будут неточными. Скорость химических реакций очень чувствительна к изменению температуры. Эти проблемы еще не решены, и поэтому в дальнейшем мы сосредоточимся на контроле физических, а не химических воздействий.
...
редаче сигнала его величина не должна меняться из-за физических или химических причин. Во многих установках, особенно химических, сигнал должен быть передан через две или три поверхности раздела. Поэтому неудивительно, что стабильность и воспроизводимость результатов измерений является серьезной проблемой. Некоторые границы раздела нестабильны во времени и чувствительны к химическим процессам или изменению температуры. Не зря говорят, что первая задача конструктора состоит в компенсации температурной чувствительности датчиков.
...
Это - общие требования, предъявляемые к измерительным системам. В случае интеллектуальных структур появляются дополнительные требования. Прежде всего, это необходимость размещения множества различных датчиков. Кроме того, необходима достоверная передача сигналов к системе анализа, а потребление энергии датчиком должно быть не слишком высоким. Есть и другие требования, наиболее важное из которых - близость датчика к интересующему нас участку системы (рис. 2.4).
...
Это основные сенсорные системы. Кратко они будут рассмотрены ниже. Надо отметить, что из всех перечисленных методов регистрации в настоящее время наиболее развиты традиционные, пьезоэлектрические и оптоволоконные датчики.
...
К этой группе относятся термопары, экстензометры, инклинометры, тензометрические датчики, датчики, основанные на колебаниях струны, и некоторые другие системы (рис. 2.5). Наиболее успешно они использовались для определения механических нагрузок и смещений. Химические датчики, которые можно использовать в течение длительного времени, так и не были разработаны. Большинство таких датчиков имеют большой размер, что ухудшает эстетику и функциональные характеристики контролируемой структуры. Из-за своих размеров традиционные датчики используются практически лишь в лабораторных исследованиях и в гражданском строительстве. Только там есть достаточное пространство, позволяющее использовать большие датчики, электрокабели, источники питания, вычислительные машины и иные устройства, необходимые для интеллектуальной системы.
...
Превосходным примером строения, оборудованного традиционными датчиками, является Кингстонский мост в Глазго (рис. 2.6). Более тысячи датчиков, измеряющих деформации, смещения, температуру и углы наклона, распределены по всей длине моста. Цель этой системы
...
Рис. 2.5. Некоторые традиционные датчики: (а) - экстензометры, измеряющие величину смещения; (Ь) — датчики давления; (с) — термопара.
...
Это основные сенсорные системы. Кратко они будут рассмотрены ниже. Надо отметить, что из всех перечисленных методов регистрации в настоящее время наиболее развиты традиционные, пьезоэлектрические и оптоволоконные датчики.
...
К этой группе относятся термопары, экстензометры, инклинометры, тензометрические датчики, датчики, основанные на колебаниях струны, и некоторые другие системы (рис. 2.5). Наиболее успешно они использовались для определения механических нагрузок и смещений. Химические датчики, которые можно использовать в течение длительного времени, так и не были разработаны. Большинство таких датчиков имеют большой размер, что ухудшает эстетику и функциональные характеристики контролируемой структуры. Из-за своих размеров традиционные датчики используются практически лишь в лабораторных исследованиях и в гражданском строительстве. Только там есть достаточное пространство, позволяющее использовать большие датчики, электрокабели, источники питания, вычислительные машины и иные устройства, необходимые для интеллектуальной системы.
...
Превосходным примером строения, оборудованного традиционными датчиками, является Кингстонский мост в Глазго (рис. 2.6). Более тысячи датчиков, измеряющих деформации, смещения, температуру и углы наклона, распределены по всей длине моста. Цель этой системы
...
Рис. 2.5. Некоторые традиционные датчики: (а) - экстензометры, измеряющие величину смещения; (Ь) — датчики давления; (с) — термопара.
...
Рис. 2.6. Кингстонский мост в Глазго контролируется более чем в 1000 точках системой датчиков на длине более 4 км.
...
состояла в контроле за состоянием моста при его ремонте, обусловленном необходимостью исправления серьезного смещения одной из опор. Кульминацией операции ремонта стало снятие с неисправной опоры пролета моста весом 50 тысяч тонн. Ремонт был проведен успешно, и с тех пор система датчиков постоянно контролирует состояние моста.
...
Этот пример очень характерен для использования интеллектуальных систем в гражданском строительстве. Они должны лишь контролировать состояние структуры, не реагируя на изменение ее свойств. В них отсутствует система активного реагирования. В этом смысле исключениями являются системы контроля равновесия зданий в сейсмоопас-ных зонах.
...
Использование оптоволоконных датчиков является одним из наиболее перспективных направлений развития интеллектуальных структур. Волоконные датчики обеспечивают новый уровень интеграции сенсорной системы и контролируемой структуры. Они позволяют объединить датчик со структурой; при этом волокно часто вводится внутрь структуры, а не на ее поверхность. К тому же оптоволоконные системы позволяют создать простую схему волоконной сети, охватывающей все изделие, что невозможно другими методами. Одно волокно может обеспечить контроль в десятках и даже сотнях точек вдоль своей длины, таким образом устранив необходимость использования сложной электронной системы связи (рис. 2.7).
...
Рис. 2.6. Кингстонский мост в Глазго контролируется более чем в 1000 точках системой датчиков на длине более 4 км.
...
состояла в контроле за состоянием моста при его ремонте, обусловленном необходимостью исправления серьезного смещения одной из опор. Кульминацией операции ремонта стало снятие с неисправной опоры пролета моста весом 50 тысяч тонн. Ремонт был проведен успешно, и с тех пор система датчиков постоянно контролирует состояние моста.
...
Этот пример очень характерен для использования интеллектуальных систем в гражданском строительстве. Они должны лишь контролировать состояние структуры, не реагируя на изменение ее свойств. В них отсутствует система активного реагирования. В этом смысле исключениями являются системы контроля равновесия зданий в сейсмоопас-ных зонах.
...
Использование оптоволоконных датчиков является одним из наиболее перспективных направлений развития интеллектуальных структур. Волоконные датчики обеспечивают новый уровень интеграции сенсорной системы и контролируемой структуры. Они позволяют объединить датчик со структурой; при этом волокно часто вводится внутрь структуры, а не на ее поверхность. К тому же оптоволоконные системы позволяют создать простую схему волоконной сети, охватывающей все изделие, что невозможно другими методами. Одно волокно может обеспечить контроль в десятках и даже сотнях точек вдоль своей длины, таким образом устранив необходимость использования сложной электронной системы связи (рис. 2.7).
...
Рис. 2.7. Способы работы оптоволоконных датчиков: (а) — множественные измерения при помощи одного оптического волокна; (Ь) - оптоволоконный датчик, дающий информацию о конкретной точке; (с) - измерение среднего значения, что особенно ценно при контроле гетерогенных материалов; (d) - оптическое волокно, введенное в структуру углепластика; волокно химически и физически совместимо с композитом.
...
Из многих возможностей использования оптических волокон для измерений наибольшее развитие получили волоконные дифракционные решетки (ВДР). Основная идея этой методики состоит в создании периодической решетки вдоль оси волокна. Длина решетки может достигать 10000 длин световой волны. Она приводит к интерференционным явлениям, обусловленными отражением света от ее штрихов. Ширина полосы отраженного назад сигнала обычно равна приблизительно 0,01% исходной ширины сигнала (рис. 2.8). При длине световой волны 1,5 мкм расстояние между соответствующими интерференционными максимумами равно приблизительно 0,15 нм. Период решетки зависит от температуры и деформации, что приводит к сдвигу положения интерференционных максимумов. Измерение соответствующего сдвига длины волны дает простой технический метод определения периода решетки. После этого необходимо определить, обусловлено ли изменение периода решетки температурным расширением или механи-
...
Рис. 2.7. Способы работы оптоволоконных датчиков: (а) — множественные измерения при помощи одного оптического волокна; (Ь) - оптоволоконный датчик, дающий информацию о конкретной точке; (с) - измерение среднего значения, что особенно ценно при контроле гетерогенных материалов; (d) - оптическое волокно, введенное в структуру углепластика; волокно химически и физически совместимо с композитом.
...
Из многих возможностей использования оптических волокон для измерений наибольшее развитие получили волоконные дифракционные решетки (ВДР). Основная идея этой методики состоит в создании периодической решетки вдоль оси волокна. Длина решетки может достигать 10000 длин световой волны. Она приводит к интерференционным явлениям, обусловленными отражением света от ее штрихов. Ширина полосы отраженного назад сигнала обычно равна приблизительно 0,01% исходной ширины сигнала (рис. 2.8). При длине световой волны 1,5 мкм расстояние между соответствующими интерференционными максимумами равно приблизительно 0,15 нм. Период решетки зависит от температуры и деформации, что приводит к сдвигу положения интерференционных максимумов. Измерение соответствующего сдвига длины волны дает простой технический метод определения периода решетки. После этого необходимо определить, обусловлено ли изменение периода решетки температурным расширением или механи-
...
Рис. 2.7. Способы работы оптоволоконных датчиков: (а) — множественные измерения при помощи одного оптического волокна; (Ь) - оптоволоконный датчик, дающий информацию о конкретной точке; (с) - измерение среднего значения, что особенно ценно при контроле гетерогенных материалов; (d) - оптическое волокно, введенное в структуру углепластика; волокно химически и физически совместимо с композитом.
...
ческими нагрузками. Для измерения деформации результаты обычно сравнивают с данными второй (контрольной) волоконной решетки, в которой в точке измерения отсутствуют напряжения. Динамические деформации измеряют исходя из изменения длины отраженной волны. При этом за период колебаний структуры не должна изменяться температура.
...
Расстояние между штрихами дифракционной решетки можно изменять. Если по длине волокна нанесено несколько решеток с различным расстоянием между штрихами, то одно волокно может дать информацию о деформации структуры сразу в нескольких точках. Для этого в волокно нужно ввести широкий спектр света и регистрировать отраженный спектр, в котором определенная длина волн соответствует некоторой точке по длине волокна. Для обращения к различным волокнам обычно используют переключатель.
...
Преимущества использования ВДР очевидны. Период решетки может быть вычислен исходя из длины отраженной волны, которая однозначно определяется и не зависит от интенсивности излучения или чувствительности детектора. Волокно легко прикрепить к поверхности или
...
Рис. 2.8. Волоконная оптическая дифракционная решетка, измеряющая длину отраженной волны; (а) - геометрия решетки; (Ь) - режим работы; решетка отражает свет определенной длины волны; (с) - мультисенсорное волокно; каждая решетка работает в различном диапазоне длин волн.
...
ческими нагрузками. Для измерения деформации результаты обычно сравнивают с данными второй (контрольной) волоконной решетки, в которой в точке измерения отсутствуют напряжения. Динамические деформации измеряют исходя из изменения длины отраженной волны. При этом за период колебаний структуры не должна изменяться температура.
...
Расстояние между штрихами дифракционной решетки можно изменять. Если по длине волокна нанесено несколько решеток с различным расстоянием между штрихами, то одно волокно может дать информацию о деформации структуры сразу в нескольких точках. Для этого в волокно нужно ввести широкий спектр света и регистрировать отраженный спектр, в котором определенная длина волн соответствует некоторой точке по длине волокна. Для обращения к различным волокнам обычно используют переключатель.
...
Преимущества использования ВДР очевидны. Период решетки может быть вычислен исходя из длины отраженной волны, которая однозначно определяется и не зависит от интенсивности излучения или чувствительности детектора. Волокно легко прикрепить к поверхности или
...
Рис. 2.8. Волоконная оптическая дифракционная решетка, измеряющая длину отраженной волны; (а) - геометрия решетки; (Ь) - режим работы; решетка отражает свет определенной длины волны; (с) - мультисенсорное волокно; каждая решетка работает в различном диапазоне длин волн.
...
ввести в структуру конструкции, и это все, что нужно для установки датчика. Дифракционные решетки имеют и недостатки. Например, для них требуется высокая точность измерения и калибровки длины световой волны. Эта задача усложняется присутствием помех. Кроме того, необходимо стабилизировать температуру, калибровать решетки в отсутствие деформации, калибровать независимый источник света типа гелий-неонового лазера, работающего вблизи края ИК-области. Стабильность длины измеряемой волны должна быть не ниже ±0,1 нм во всем рабочем диапазоне. Длину волны можно определять различными методами, и наиболее широко для этого используют интерферометр Фабри— Перо. Используют и настраиваемые акустооптические системы детекции и дисперсионные интерферометры. По сути, дешифратор представляет собой упрощенный спектрометр. Наиболее существенным недостатком дешифраторов для волоконных решеток является их большая стоимость. Есть также и чисто технические сложности, связанные с необходимостью стабилизации температуры. Сложность решения этой задачи зависит от требуемой точности измерений. В самом деле, изменение температуры на ГС приводит к деформации материала, равной примерно 10"5. Поэтому в большинстве случаев, когда необходимо измерять статические деформации, в дополнение к карте распределения деформаций составляется карта температур. Благодаря этому всегда можно определить, связано ли изменение деформации с температурой или с нагрузкой. Монтаж волоконных сенсоров должен проводиться таким образом, чтобы избежать попадание на решетку влаги и обеспечить ее контакт со структурой. На протяжении многих лет пока волокна вводили в структуру вручную это было проблемой. Лишь недавно был изобретен технологический процесс, облегчивший решение этой задачи.
...
Как уже было сказано, есть несколько практических применений ВДР. Например, их вводят в основание мачт дорогих гоночных яхт. Такие мачты изготавливают из волокнистых композитов, а сенсоры позволяют определить нагрузки и степень поврежденности мачты. ВДР применяют также для контроля поведения мостов и дамб, старых зданий и корпусов скоростных морских кораблей.
...
Оптическое волокно позволяет провести измерения в одной точке, в нескольких точках или получить среднее значение измеряемого параметра по всей длине волокна. Распределенные измерения облегчают мониторинг измеряемой величины. В этом случае искомая величина рассматривается как функция от длины, а пространственное разрешение обычно имеет порядок нескольких метров. Диапазон таких измерений составляет несколько десятков километров, и это действительно уникальная особенность оптоволоконной технологии; никакой другой метод измерений такой возможности не имеет. Усредненные измерения фактически дают среднее значение величины по всей длине оптического полотна. Этот метод определяется способностью волокна да-
...
ввести в структуру конструкции, и это все, что нужно для установки датчика. Дифракционные решетки имеют и недостатки. Например, для них требуется высокая точность измерения и калибровки длины световой волны. Эта задача усложняется присутствием помех. Кроме того, необходимо стабилизировать температуру, калибровать решетки в отсутствие деформации, калибровать независимый источник света типа гелий-неонового лазера, работающего вблизи края ИК-области. Стабильность длины измеряемой волны должна быть не ниже ±0,1 нм во всем рабочем диапазоне. Длину волны можно определять различными методами, и наиболее широко для этого используют интерферометр Фабри— Перо. Используют и настраиваемые акустооптические системы детекции и дисперсионные интерферометры. По сути, дешифратор представляет собой упрощенный спектрометр. Наиболее существенным недостатком дешифраторов для волоконных решеток является их большая стоимость. Есть также и чисто технические сложности, связанные с необходимостью стабилизации температуры. Сложность решения этой задачи зависит от требуемой точности измерений. В самом деле, изменение температуры на ГС приводит к деформации материала, равной примерно 10"5. Поэтому в большинстве случаев, когда необходимо измерять статические деформации, в дополнение к карте распределения деформаций составляется карта температур. Благодаря этому всегда можно определить, связано ли изменение деформации с температурой или с нагрузкой. Монтаж волоконных сенсоров должен проводиться таким образом, чтобы избежать попадание на решетку влаги и обеспечить ее контакт со структурой. На протяжении многих лет пока волокна вводили в структуру вручную это было проблемой. Лишь недавно был изобретен технологический процесс, облегчивший решение этой задачи.
...
Как уже было сказано, есть несколько практических применений ВДР. Например, их вводят в основание мачт дорогих гоночных яхт. Такие мачты изготавливают из волокнистых композитов, а сенсоры позволяют определить нагрузки и степень поврежденности мачты. ВДР применяют также для контроля поведения мостов и дамб, старых зданий и корпусов скоростных морских кораблей.
...
Оптическое волокно позволяет провести измерения в одной точке, в нескольких точках или получить среднее значение измеряемого параметра по всей длине волокна. Распределенные измерения облегчают мониторинг измеряемой величины. В этом случае искомая величина рассматривается как функция от длины, а пространственное разрешение обычно имеет порядок нескольких метров. Диапазон таких измерений составляет несколько десятков километров, и это действительно уникальная особенность оптоволоконной технологии; никакой другой метод измерений такой возможности не имеет. Усредненные измерения фактически дают среднее значение величины по всей длине оптического полотна. Этот метод определяется способностью волокна да-
...
ввести в структуру конструкции, и это все, что нужно для установки датчика. Дифракционные решетки имеют и недостатки. Например, для них требуется высокая точность измерения и калибровки длины световой волны. Эта задача усложняется присутствием помех. Кроме того, необходимо стабилизировать температуру, калибровать решетки в отсутствие деформации, калибровать независимый источник света типа гелий-неонового лазера, работающего вблизи края ИК-области. Стабильность длины измеряемой волны должна быть не ниже ±0,1 нм во всем рабочем диапазоне. Длину волны можно определять различными методами, и наиболее широко для этого используют интерферометр Фабри— Перо. Используют и настраиваемые акустооптические системы детекции и дисперсионные интерферометры. По сути, дешифратор представляет собой упрощенный спектрометр. Наиболее существенным недостатком дешифраторов для волоконных решеток является их большая стоимость. Есть также и чисто технические сложности, связанные с необходимостью стабилизации температуры. Сложность решения этой задачи зависит от требуемой точности измерений. В самом деле, изменение температуры на ГС приводит к деформации материала, равной примерно 10"5. Поэтому в большинстве случаев, когда необходимо измерять статические деформации, в дополнение к карте распределения деформаций составляется карта температур. Благодаря этому всегда можно определить, связано ли изменение деформации с температурой или с нагрузкой. Монтаж волоконных сенсоров должен проводиться таким образом, чтобы избежать попадание на решетку влаги и обеспечить ее контакт со структурой. На протяжении многих лет пока волокна вводили в структуру вручную это было проблемой. Лишь недавно был изобретен технологический процесс, облегчивший решение этой задачи.
...

Наплавка и напыление
Термическая обработка сплавов: Справочник
Цветные металлы и сплавы: Справочник
Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение
Индукционная наплавка твердых сплавов
Ультразвуковая дефектоскопия: Справ. пособие
Процессы цементации в цветной металлургии

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение