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.
...
вать усредненную информацию. Такую способность имеют и другие методы измерения, но с учетом общей длины и диапазона измерений данный метод уникален и в этом отношении.
...
Область применения оптоволоконных методов измерения довольно широка. Они особенно полезны, когда требуется выборка по широкому диапазону данных, а измерения проводятся на большой длине. Чтобы пояснять это, рассмотрим три примера.
...
В гражданском строительстве часто необходима информация о суммарном удлинении конструкции на базе нескольких метров. Тензометр или брэгговская решетка измеряют лишь локальные удлинения. Они не дают возможности оценить всю ситуацию, так как трещины и другие концентраторы напряжения влияют на местную величину напряжения. При этом волоконные методы имеют точность порядка нескольких микрон при базе измерения в десятки метров. В Европе такие системы были установлены в нескольких тысячах зданий, и они дают информацию об изменении дефор-
...
Рис. 2.9. Датчик для контроля конструкций в гражданском строительстве: (а) - общая схема; (Ь) - фотография работающий в Швейцарии датчика; (с) — схема чувствительного элемента.
...
вать усредненную информацию. Такую способность имеют и другие методы измерения, но с учетом общей длины и диапазона измерений данный метод уникален и в этом отношении.
...
Область применения оптоволоконных методов измерения довольно широка. Они особенно полезны, когда требуется выборка по широкому диапазону данных, а измерения проводятся на большой длине. Чтобы пояснять это, рассмотрим три примера.
...
В гражданском строительстве часто необходима информация о суммарном удлинении конструкции на базе нескольких метров. Тензометр или брэгговская решетка измеряют лишь локальные удлинения. Они не дают возможности оценить всю ситуацию, так как трещины и другие концентраторы напряжения влияют на местную величину напряжения. При этом волоконные методы имеют точность порядка нескольких микрон при базе измерения в десятки метров. В Европе такие системы были установлены в нескольких тысячах зданий, и они дают информацию об изменении дефор-
...
Рис. 2.9. Датчик для контроля конструкций в гражданском строительстве: (а) - общая схема; (Ь) - фотография работающий в Швейцарии датчика; (с) — схема чувствительного элемента.
...
мации (рис. 2.9). Их используют, например, для контроля дополнительной нагрузки на полотно автодороги, обусловленной строительством моста, для исследования роста трещин в древних церквях, для оценки степени сохранности дамб и т.д. Эта система работает на очень простом оптическом методе, а именно интерферометрии белого цвета. Для этого при помощи волоконного интерферометра измеряется разность оптического пути между измерительным волокном и термостабилизированным контрольным волокном. Точность измерения при этом ограничена длиной световой волны. Изменение положения нескольких соседних интерференционных максимумов возникает из-за механической деформации волокна. Измерения в течение нескольких лет подтвердили общую устойчивость систем, деформация которых не превышала нескольких микрон.
...
Бриллюэновская дифракция света на акустической волне является нелинейным эффектом. Главной особенностью бриллюэновского рассеяния является четкая связь между сдвигом частоты отраженной назад световой волны и длиной акустической волны. Акустическая волна представляет собой фазовую дифракционную решетку. В фазовой решетке период дифрагированной световой волны равен половине длины акустической волны (рис. 2.10). Для большинства оптических волокон, работающих вблизи инфракрасного края излучения, сдвиг по частоте равен 12—15 ГГц. Из величины сдвига и длины оптической волны можно очень точно определить скорость акустической волны. Сдвиг частоты изменяется по длине волокна, и поэтому в конечном счете можно вычислить зависимость скорости звука от длины. Известно, что скорость продольной акустической волны определяется модулем Юнга, плотностью и локальной деформацией, причем первые две характеристики зависят от температуры. В результате мы получаем карту, описывающую температуру и деформацию волокна. Достоинством этой методики является то, что длина контролируемой области может достигать многих
...
мации (рис. 2.9). Их используют, например, для контроля дополнительной нагрузки на полотно автодороги, обусловленной строительством моста, для исследования роста трещин в древних церквях, для оценки степени сохранности дамб и т.д. Эта система работает на очень простом оптическом методе, а именно интерферометрии белого цвета. Для этого при помощи волоконного интерферометра измеряется разность оптического пути между измерительным волокном и термостабилизированным контрольным волокном. Точность измерения при этом ограничена длиной световой волны. Изменение положения нескольких соседних интерференционных максимумов возникает из-за механической деформации волокна. Измерения в течение нескольких лет подтвердили общую устойчивость систем, деформация которых не превышала нескольких микрон.
...
Бриллюэновская дифракция света на акустической волне является нелинейным эффектом. Главной особенностью бриллюэновского рассеяния является четкая связь между сдвигом частоты отраженной назад световой волны и длиной акустической волны. Акустическая волна представляет собой фазовую дифракционную решетку. В фазовой решетке период дифрагированной световой волны равен половине длины акустической волны (рис. 2.10). Для большинства оптических волокон, работающих вблизи инфракрасного края излучения, сдвиг по частоте равен 12—15 ГГц. Из величины сдвига и длины оптической волны можно очень точно определить скорость акустической волны. Сдвиг частоты изменяется по длине волокна, и поэтому в конечном счете можно вычислить зависимость скорости звука от длины. Известно, что скорость продольной акустической волны определяется модулем Юнга, плотностью и локальной деформацией, причем первые две характеристики зависят от температуры. В результате мы получаем карту, описывающую температуру и деформацию волокна. Достоинством этой методики является то, что длина контролируемой области может достигать многих
...
мации (рис. 2.9). Их используют, например, для контроля дополнительной нагрузки на полотно автодороги, обусловленной строительством моста, для исследования роста трещин в древних церквях, для оценки степени сохранности дамб и т.д. Эта система работает на очень простом оптическом методе, а именно интерферометрии белого цвета. Для этого при помощи волоконного интерферометра измеряется разность оптического пути между измерительным волокном и термостабилизированным контрольным волокном. Точность измерения при этом ограничена длиной световой волны. Изменение положения нескольких соседних интерференционных максимумов возникает из-за механической деформации волокна. Измерения в течение нескольких лет подтвердили общую устойчивость систем, деформация которых не превышала нескольких микрон.
...
Бриллюэновская дифракция света на акустической волне является нелинейным эффектом. Главной особенностью бриллюэновского рассеяния является четкая связь между сдвигом частоты отраженной назад световой волны и длиной акустической волны. Акустическая волна представляет собой фазовую дифракционную решетку. В фазовой решетке период дифрагированной световой волны равен половине длины акустической волны (рис. 2.10). Для большинства оптических волокон, работающих вблизи инфракрасного края излучения, сдвиг по частоте равен 12—15 ГГц. Из величины сдвига и длины оптической волны можно очень точно определить скорость акустической волны. Сдвиг частоты изменяется по длине волокна, и поэтому в конечном счете можно вычислить зависимость скорости звука от длины. Известно, что скорость продольной акустической волны определяется модулем Юнга, плотностью и локальной деформацией, причем первые две характеристики зависят от температуры. В результате мы получаем карту, описывающую температуру и деформацию волокна. Достоинством этой методики является то, что длина контролируемой области может достигать многих
...
Рис. 2.11. Оптическая кордная нить контролирует степень изношенности морских канатов: (а) - нить введена в 1000-тонный канат; (Ь) - работа мультиволоконного датчика в экспериментальной кордной нити.
...
километров. Она позволяет, например, контролировать устойчивость грунта в сейсмоопасных областях или определять степень надежности высокопрочных морских канатов, применяемых для крепежа якорей и буксировки судов (рис. 2.11). Бриллюэновский зонд определяет степень поврежденности каната, что позволяет избежать его разрушения. Он также позволяет использовать якорь максимально долго, избегая дорогостоящей замены каната без особой необходимости во время планового технического обслуживания.
...
Информация, получаемая распределенными датчиками, основанными на интерференции света, находит и другие применения. Например, измерение температуры методом рамановского рассеяния позволяет определить распределение температуры по длине волокна. Этот метод используют в промышленных процессах и в системах пожарной сигнализации в тоннелях.
...
Возможно использование распределенных датчиков в химический промышленности. Интересным примером является контроль утечки нефти из трубопроводов и баков. В этом случае датчиком является тонкая пленка специального химического состава, которая набухает при контакте с контролируемой жидкостью. Набухание вызывает микроизгиб волокна, который регистрируется методом оптического преломле-
...
Рис. 2.11. Оптическая кордная нить контролирует степень изношенности морских канатов: (а) - нить введена в 1000-тонный канат; (Ь) - работа мультиволоконного датчика в экспериментальной кордной нити.
...
километров. Она позволяет, например, контролировать устойчивость грунта в сейсмоопасных областях или определять степень надежности высокопрочных морских канатов, применяемых для крепежа якорей и буксировки судов (рис. 2.11). Бриллюэновский зонд определяет степень поврежденности каната, что позволяет избежать его разрушения. Он также позволяет использовать якорь максимально долго, избегая дорогостоящей замены каната без особой необходимости во время планового технического обслуживания.
...
Информация, получаемая распределенными датчиками, основанными на интерференции света, находит и другие применения. Например, измерение температуры методом рамановского рассеяния позволяет определить распределение температуры по длине волокна. Этот метод используют в промышленных процессах и в системах пожарной сигнализации в тоннелях.
...
Возможно использование распределенных датчиков в химический промышленности. Интересным примером является контроль утечки нефти из трубопроводов и баков. В этом случае датчиком является тонкая пленка специального химического состава, которая набухает при контакте с контролируемой жидкостью. Набухание вызывает микроизгиб волокна, который регистрируется методом оптического преломле-
...
ния (рис. 2.12). Правильный выбор рабочего материала (обычно полимерного), его подготовка и приклеивание к поверхности субстрата позволяют создать систему химического контроля, которая остается стабильной после нескольких лет работы и нескольких сотен циклов смачивания.
...
Оптические волокна, возможно, являются наиболее удобными датчиками для новых интеллектуальных систем. Это обусловлено легкостью получения множества сигналов при помощи распределенных дифракционных решеток, а также огромными возможностями передачи сигнала через поверхности раздела между контролируемой структурой и волокном. Оптические волокна имеют и дополнительные преимущества, связанные с возможностью контроля различных физических и химических параметров, хотя при этом требуется компенсация температурных эффектов.
...
Волоконные сенсоры особенно удобны, когда требуется большое количество точек измерения, распределенных по различным участкам конструкции. В конечном счете главным критерием для использования волокон является соотношение цена/свойства, учитывающее специфические особенности контролируемой конструкции. Технические параметры волоконных датчиков чрезвычайно высоки, но немалой является и стоимость такого контроля, и поэтому оценка эффективности их применения достаточно сложна. Тем не менее во многих случаях его применение оправдано, несмотря на относительно большую стоимость.
...
Рис. 2.12. Распределенный датчик, контролирующий утечку углеводородов или воды: (а) — принципиальная схема; (Ь) — микрофотография.
...
ния (рис. 2.12). Правильный выбор рабочего материала (обычно полимерного), его подготовка и приклеивание к поверхности субстрата позволяют создать систему химического контроля, которая остается стабильной после нескольких лет работы и нескольких сотен циклов смачивания.
...
Оптические волокна, возможно, являются наиболее удобными датчиками для новых интеллектуальных систем. Это обусловлено легкостью получения множества сигналов при помощи распределенных дифракционных решеток, а также огромными возможностями передачи сигнала через поверхности раздела между контролируемой структурой и волокном. Оптические волокна имеют и дополнительные преимущества, связанные с возможностью контроля различных физических и химических параметров, хотя при этом требуется компенсация температурных эффектов.
...
Волоконные сенсоры особенно удобны, когда требуется большое количество точек измерения, распределенных по различным участкам конструкции. В конечном счете главным критерием для использования волокон является соотношение цена/свойства, учитывающее специфические особенности контролируемой конструкции. Технические параметры волоконных датчиков чрезвычайно высоки, но немалой является и стоимость такого контроля, и поэтому оценка эффективности их применения достаточно сложна. Тем не менее во многих случаях его применение оправдано, несмотря на относительно большую стоимость.
...
Рис. 2.12. Распределенный датчик, контролирующий утечку углеводородов или воды: (а) — принципиальная схема; (Ь) — микрофотография.
...
Термин «МЭМС» переводится как «микроэлектромеханические системы». К ним относятся и микромеханические датчики. По существу, их получение основано на модификации метода фотолитографического создания плоских и пространственных структур. Фотолитография — это целая группа процессов, среди которых есть простые типа фотокопирования и более сложные, например лазерная запись. Фотокопирование позволяет создать на обрабатываемом изделии некоторую структуру. Она может быть как двумерной, т.е. представлять собой некоторое изображение, так и трехмерной. Эти структуры обычно получают химическим травлением, однако иногда используют и дополнительные приемы. Например, лазерный, электронный или ионный пучок, ускоряющий скорость химической реакции. Отметим, что скорость травления может сильно зависеть от наличия допирующих добавок. Кроме того, на скорость травления могут влиять свойства кристаллической подложки. Список способов травления можно пополнить влажным и сухим травлением, фотопроцессами и т.д. На практике получаемые травлением структуры обычно являются двумерными и имеют большую площадь в плоскости подложки при относительно небольшой толщине (рис. 2.13). Напротив, методом LIGA, использующим ядерную радиацию, можно создавать неплоские призматические структуры в направлении, перпендикулярном плоскости подложки.
...
Термин «МЭМС» переводится как «микроэлектромеханические системы». К ним относятся и микромеханические датчики. По существу, их получение основано на модификации метода фотолитографического создания плоских и пространственных структур. Фотолитография — это целая группа процессов, среди которых есть простые типа фотокопирования и более сложные, например лазерная запись. Фотокопирование позволяет создать на обрабатываемом изделии некоторую структуру. Она может быть как двумерной, т.е. представлять собой некоторое изображение, так и трехмерной. Эти структуры обычно получают химическим травлением, однако иногда используют и дополнительные приемы. Например, лазерный, электронный или ионный пучок, ускоряющий скорость химической реакции. Отметим, что скорость травления может сильно зависеть от наличия допирующих добавок. Кроме того, на скорость травления могут влиять свойства кристаллической подложки. Список способов травления можно пополнить влажным и сухим травлением, фотопроцессами и т.д. На практике получаемые травлением структуры обычно являются двумерными и имеют большую площадь в плоскости подложки при относительно небольшой толщине (рис. 2.13). Напротив, методом LIGA, использующим ядерную радиацию, можно создавать неплоские призматические структуры в направлении, перпендикулярном плоскости подложки.
...
Термин «МЭМС» переводится как «микроэлектромеханические системы». К ним относятся и микромеханические датчики. По существу, их получение основано на модификации метода фотолитографического создания плоских и пространственных структур. Фотолитография — это целая группа процессов, среди которых есть простые типа фотокопирования и более сложные, например лазерная запись. Фотокопирование позволяет создать на обрабатываемом изделии некоторую структуру. Она может быть как двумерной, т.е. представлять собой некоторое изображение, так и трехмерной. Эти структуры обычно получают химическим травлением, однако иногда используют и дополнительные приемы. Например, лазерный, электронный или ионный пучок, ускоряющий скорость химической реакции. Отметим, что скорость травления может сильно зависеть от наличия допирующих добавок. Кроме того, на скорость травления могут влиять свойства кристаллической подложки. Список способов травления можно пополнить влажным и сухим травлением, фотопроцессами и т.д. На практике получаемые травлением структуры обычно являются двумерными и имеют большую площадь в плоскости подложки при относительно небольшой толщине (рис. 2.13). Напротив, методом LIGA, использующим ядерную радиацию, можно создавать неплоские призматические структуры в направлении, перпендикулярном плоскости подложки.
...
Основой большинства микромеханических изделий является кремний. Кремний имеет прекрасные механические свойства. Он прочнее стали и имеет очень высокую температуру плавления. В последнее время появились полимерные и металлические МЭМС-структуры, но пока они почти не применяются. Потому мы будем рассматривать лишь кремниевые системы. В настоящее время предпринимаются попытки объединения в одном микрочипе миниатюрной механической конструкции и кремниевой электросхемы. Создать в одном технологическом процессе одновременно микромеханическую конструкцию и микросхему удается очень редко. Как правило, две части детали делают в двух технологических процессах, после чего их объединяют.
...
Механические датчики должны давать электрический сигнал. Имеется лишь несколько механических явлений, которые могут создать электрический сигнал:
...
Отметим, что смещения и колебания могут возникать при изменении температуры или внешней нагрузки (рис. 2.14). До сих пор все описанные в литературе микромеханические датчики основаны лишь на этих двух явлениях, а именно на изменении резонансной частоты или появлении электрического сигнала при смещении двух частей измерительного элемента. Имеется два процесса, приводящих к возникновению электрического сигнала. Первый состоит в изменении электрического сопротивления термопары при изменении деформации или температуры. Этот принцип широко используют в микромеханических датчиках уже более 20 лет. Второй основан на изменении электрической емкости двух параллельных плоскостей, одна из которых может перемещаться. В некоторых ситуациях движение может быть обнаружено оптически, что позволяет комбинировать тензодатчики и оптические волокна. Хотя этот метод кажется привлекательным, на практике он применялся не слишком широко.
...
Основой большинства микромеханических изделий является кремний. Кремний имеет прекрасные механические свойства. Он прочнее стали и имеет очень высокую температуру плавления. В последнее время появились полимерные и металлические МЭМС-структуры, но пока они почти не применяются. Потому мы будем рассматривать лишь кремниевые системы. В настоящее время предпринимаются попытки объединения в одном микрочипе миниатюрной механической конструкции и кремниевой электросхемы. Создать в одном технологическом процессе одновременно микромеханическую конструкцию и микросхему удается очень редко. Как правило, две части детали делают в двух технологических процессах, после чего их объединяют.
...
Рис. 2.15. Примеры МЭМС, использующих пьезосопротивление и вибрирующие элементы на диафрагмах давления. Сопротивления RQ1H и R образуют мостовую схему. /?отн - контрольное сопротивление; величина R зависит от деформации. Деформация мостовой перемычки зависит от давления на диафрагму. Резонансная частота зависит также от температуры. Сопротивления имеют температурную компенсацию.
...
Первый широко используемый сенсор, основанный на кремниевой МЭМС, представлял собой диафрагму, на краю которой, т.е. в области больших деформаций, размещали пьезорезисторы. Во втором методе к измерительной диафрагме крепили механический резонатор в форме мостовой перемычки, как показано на рис. 2.15. Изгиб диафрагмы вызывает изменение силы натяжения перемычки и, как следствие, изменение ее резонансной частоты. Это позволяет достичь более высокой точности и устойчивости работы измерительного элемента по сравнению с пьезорезисторным методом, причем технологические этапы его создания остаются практически теми же.
...
Измерением резонансной частоты вибратора (рис. 2.15) можно контролировать любой внешний параметр, изменяющий силу растяжения перемычки, в том числе и температуру, поскольку различие коэффициентов теплового расширения вибрирующей перемычки и основания изменяет величину растягивающей силы. С другой стороны, при правильном выборе материалов можно практически полностью избавиться от температурной чувствительности датчика, что увеличивает точность измерения других физических параметров. При помощи такой микроструктуры можно измерять скорость струи газа, действующего на мембрану или измерительную перемычку. Кроме того, измерения можно проводить, нанося на перемычку химически активное покрытие, изменяющее ее размеры или массу под действием химических реакций или адсорбции.
...
На центральную область вибрирующего чувствительного элемента можно поместить массу. В результате сила натяжения перемычки будет зависеть от величины ускорения в направлении, перпендикулярном плоскости перемычки (рис. 2.16). Акселерометр может определять направление ускорения, если сделать перемычку намного более жесткой в перпендикулярном направлении. Акселерометр можно использовать в системе управления, создав «обратную связь» с источником ускоряю-
...
Рис. 2.15. Примеры МЭМС, использующих пьезосопротивление и вибрирующие элементы на диафрагмах давления. Сопротивления RQ1H и R образуют мостовую схему. /?отн - контрольное сопротивление; величина R зависит от деформации. Деформация мостовой перемычки зависит от давления на диафрагму. Резонансная частота зависит также от температуры. Сопротивления имеют температурную компенсацию.
...
Первый широко используемый сенсор, основанный на кремниевой МЭМС, представлял собой диафрагму, на краю которой, т.е. в области больших деформаций, размещали пьезорезисторы. Во втором методе к измерительной диафрагме крепили механический резонатор в форме мостовой перемычки, как показано на рис. 2.15. Изгиб диафрагмы вызывает изменение силы натяжения перемычки и, как следствие, изменение ее резонансной частоты. Это позволяет достичь более высокой точности и устойчивости работы измерительного элемента по сравнению с пьезорезисторным методом, причем технологические этапы его создания остаются практически теми же.
...
Измерением резонансной частоты вибратора (рис. 2.15) можно контролировать любой внешний параметр, изменяющий силу растяжения перемычки, в том числе и температуру, поскольку различие коэффициентов теплового расширения вибрирующей перемычки и основания изменяет величину растягивающей силы. С другой стороны, при правильном выборе материалов можно практически полностью избавиться от температурной чувствительности датчика, что увеличивает точность измерения других физических параметров. При помощи такой микроструктуры можно измерять скорость струи газа, действующего на мембрану или измерительную перемычку. Кроме того, измерения можно проводить, нанося на перемычку химически активное покрытие, изменяющее ее размеры или массу под действием химических реакций или адсорбции.
...
На центральную область вибрирующего чувствительного элемента можно поместить массу. В результате сила натяжения перемычки будет зависеть от величины ускорения в направлении, перпендикулярном плоскости перемычки (рис. 2.16). Акселерометр может определять направление ускорения, если сделать перемычку намного более жесткой в перпендикулярном направлении. Акселерометр можно использовать в системе управления, создав «обратную связь» с источником ускоряю-
...
щей силы. При этом он может иметь также форму балки. Достоинством кремния является исключительная линейность, без сколько-нибудь существенного механического гистерезиса.
...
Большой интерес представляют также МЭМС на основе гироскопического измерительного элемента. Принцип их работы основан на действии кориолисовой центробежной силы. Эта сила модулирует резонансную частоту колебаний вращающегося элемента в форме кольца или бокала (скорость вращения нужно измерить). Сила Кориолиса приводит к различному изменению резонансных частот по двум направлениям в плоскости вращения, причем разность резонансных частот пропорциональна скорости вращения. Одним из достоинств таких гироскопов является отсутствие вращающихся подшипников. МЭМС с колебательным элементом в форме бокала разрабатывали по крайней мере 25 лет, но несмотря на это он не нашел широкого применения до сих пор. Это обусловлено тем, что для получения высокой чувствительности необходима чрезвычайно высокая точность производства деталей. Производство осуществляется с допусками до сотен или даже тысяч слоев кремния, но чувствительность датчика ограничена малой массой. Тем не менее микромеханический кремниевый гироскоп еще не раскрыл весь свой потенциал.
...
В интеллектуальных структурах МЭМС дополняют и отчасти конкурируют с волоконными датчиками. МЭМС-датчики очень малы, а их положение точно известно. При этом в одном чипе можно разместить несколько датчиков, выполняющих различные измерения. Эта особенность датчиков используется пока мало, несмотря на очевидный потенциал применения, например в медицине. МЭМС-датчики потенциально недороги, и их стоимость определяется в основном стоимостью
...
щей силы. При этом он может иметь также форму балки. Достоинством кремния является исключительная линейность, без сколько-нибудь существенного механического гистерезиса.
...
Большой интерес представляют также МЭМС на основе гироскопического измерительного элемента. Принцип их работы основан на действии кориолисовой центробежной силы. Эта сила модулирует резонансную частоту колебаний вращающегося элемента в форме кольца или бокала (скорость вращения нужно измерить). Сила Кориолиса приводит к различному изменению резонансных частот по двум направлениям в плоскости вращения, причем разность резонансных частот пропорциональна скорости вращения. Одним из достоинств таких гироскопов является отсутствие вращающихся подшипников. МЭМС с колебательным элементом в форме бокала разрабатывали по крайней мере 25 лет, но несмотря на это он не нашел широкого применения до сих пор. Это обусловлено тем, что для получения высокой чувствительности необходима чрезвычайно высокая точность производства деталей. Производство осуществляется с допусками до сотен или даже тысяч слоев кремния, но чувствительность датчика ограничена малой массой. Тем не менее микромеханический кремниевый гироскоп еще не раскрыл весь свой потенциал.
...
В интеллектуальных структурах МЭМС дополняют и отчасти конкурируют с волоконными датчиками. МЭМС-датчики очень малы, а их положение точно известно. При этом в одном чипе можно разместить несколько датчиков, выполняющих различные измерения. Эта особенность датчиков используется пока мало, несмотря на очевидный потенциал применения, например в медицине. МЭМС-датчики потенциально недороги, и их стоимость определяется в основном стоимостью
...
корпуса, необходимостью проведения тестирования и сертификации. Они могуть использоваться в разнообразных устройствах, например в акселерометрах и автомобильных воздушных подушках безопасности.
...
В настоящее время МЭМС используются в интеллектуальных структурах очень редко. Между тем они имеют множество достоинств. В частности, они имеют размеры порядка долей миллиметра и способны работать при очень высоких температурах. Информацию с них можно считывать оптически или передавать по миниатюрному электроканалу связи. Еще одним их преимуществом является возможность обеспечения очень быстрого реагирования, за время порядка долей микросекунды.
...
Можно отметить, что МЭМС-датчики, в отличие от волоконно-оптических, особенно удобны для контроля поведения небольших устройств. Уже реализованы системы, исследующие отдельные участки поверхности кристаллов. Это возможно благодаря малости МЭМС-датчиков. Они применяются и в медицинских целях. Тем не менее до сих пор используется лишь малая доля их потенциала, и область широкого применения МЭМС-систем еще не найдена. Наиболее перспективным выглядит их применение в медицине, биологии, экологии и призводстве высокоточного оборудования.
...
В датчиках из пьезоэлектрических материалов напряжения или деформации приводят к появлению электрического заряда на двух поверхностях, что проявляется в виде разности электрического потенциала (рис. 2.17). Наиболее широко применяют циркониевые и титановые пьезоэлектрические керамики. На втором месте стоят пьезоэлектрические полимеры, как правило ПВДФ. Кроме них, используют пьезоэлектрики из титаната бария, ниобата лития и окиси цинка.
...
Рис. 2.17. Принцип действия пьезоэлектрика. Оси приложения напряжения (1, 2, 3) и плоскости сдвига (4, 5, 6). Сдвиговые или осевые напряжения приводят к возникновению электрического поля. Механические напряжения и электрическое поле связаны тензором пьезоконстант. Обычно, хотя и не всегда, электрическое поле направлено вдоль оси нагрузки.
...
корпуса, необходимостью проведения тестирования и сертификации. Они могуть использоваться в разнообразных устройствах, например в акселерометрах и автомобильных воздушных подушках безопасности.
...
В настоящее время МЭМС используются в интеллектуальных структурах очень редко. Между тем они имеют множество достоинств. В частности, они имеют размеры порядка долей миллиметра и способны работать при очень высоких температурах. Информацию с них можно считывать оптически или передавать по миниатюрному электроканалу связи. Еще одним их преимуществом является возможность обеспечения очень быстрого реагирования, за время порядка долей микросекунды.
...
Можно отметить, что МЭМС-датчики, в отличие от волоконно-оптических, особенно удобны для контроля поведения небольших устройств. Уже реализованы системы, исследующие отдельные участки поверхности кристаллов. Это возможно благодаря малости МЭМС-датчиков. Они применяются и в медицинских целях. Тем не менее до сих пор используется лишь малая доля их потенциала, и область широкого применения МЭМС-систем еще не найдена. Наиболее перспективным выглядит их применение в медицине, биологии, экологии и призводстве высокоточного оборудования.
...
В датчиках из пьезоэлектрических материалов напряжения или деформации приводят к появлению электрического заряда на двух поверхностях, что проявляется в виде разности электрического потенциала (рис. 2.17). Наиболее широко применяют циркониевые и титановые пьезоэлектрические керамики. На втором месте стоят пьезоэлектрические полимеры, как правило ПВДФ. Кроме них, используют пьезоэлектрики из титаната бария, ниобата лития и окиси цинка.
...
Пьезоэлектрические сенсорные системы можно использовать совместно с МЭМС и оптоволоконными датчиками. Отметим, что они могут решать обратную задачу, преобразуя электрическое поле в механическое напряжение, возбуждая ультразвуковую волну. Пьезоэлектрические полимеры наносят на волокна для измерения величины электрического поля, а некоторые материалы, преимущественно окись цинка, используют как источники и датчики ультразвука совместно с МЭМС. Кристаллические пьезоэлектрики вроде ниобата лития и пьезокерамик также использовали в качестве источников и датчиков ультразвука в не слишком маленьких МЭМС.
...
Сенсоры в виде поверхностного покрытия известны уже достаточно давно. Например, покрытия, изменяющие цвет под действием внешнего воздействия. Обычно такие покрытия и аналогичные им ткани не позволяют получить точной количественной информации. Однако часто требуется лишь качественная информация о достижении контроли-
...
руемым параметром порогового значения, а в некоторых случаях соответствующий анализ качественных характеристик может дать количественный результат. В инженерном смысле пленки и нити являются плохими датчиками, но именно так биологические системы получают всю информацию, кроме визуальной и акустической.
...
Возможно, самый известный пример таких систем - это трикотажная рубашка, которая становится красной, когда ее температура приближается к температуре тела. Этот случай стал объектом многих, не всегда вежливых, комментариев. В технических изделиях специальные краски и покрытия используют для обнаружения места поверхностного воздействия («синяков») и выявления достижения некоторого порога температуры. Большинство так называемых интеллектуальных красок используют химические реакции в полимерах, в результате которых появляются пигменты, изменяющие цвет поверхности после теплового или механического воздействия.
...
Углеродные волокна изменяют сопротивление под действием деформации, что характерно для пьезорезисторов. Это свойство используют для контроля уровня деформации в углепластиках. Использование волокон для контроля уровня напряжения имеет очевидные преимущества несмотря на то, что их нельзя назвать «хорошими» инженерными датчиками в связи с разбросом характеристик. Тем не менее они дают очень полезную качественную информацию, анализ которой характеризует состояние структуры.
...
Резистивные полимерные нити дают аналогичную информацию о состоянии гибких и жестких конструкций. Полимерные нити вводят в ткани и с помощью множества электродов на концах волокон получают сенсорную систему, которую можно приклеивать к структурам любой формы. Чувствительные полимерные волокна можно вводить и в волокнистые композиты типа углепластиков. Однако в этом случае температура отверждения полимерной матрицы должна быть не слишком высокой, чтобы не испортилось чувствительное полимерное волокно.
...
руемым параметром порогового значения, а в некоторых случаях соответствующий анализ качественных характеристик может дать количественный результат. В инженерном смысле пленки и нити являются плохими датчиками, но именно так биологические системы получают всю информацию, кроме визуальной и акустической.
...
Возможно, самый известный пример таких систем - это трикотажная рубашка, которая становится красной, когда ее температура приближается к температуре тела. Этот случай стал объектом многих, не всегда вежливых, комментариев. В технических изделиях специальные краски и покрытия используют для обнаружения места поверхностного воздействия («синяков») и выявления достижения некоторого порога температуры. Большинство так называемых интеллектуальных красок используют химические реакции в полимерах, в результате которых появляются пигменты, изменяющие цвет поверхности после теплового или механического воздействия.
...
Углеродные волокна изменяют сопротивление под действием деформации, что характерно для пьезорезисторов. Это свойство используют для контроля уровня деформации в углепластиках. Использование волокон для контроля уровня напряжения имеет очевидные преимущества несмотря на то, что их нельзя назвать «хорошими» инженерными датчиками в связи с разбросом характеристик. Тем не менее они дают очень полезную качественную информацию, анализ которой характеризует состояние структуры.
...
Резистивные полимерные нити дают аналогичную информацию о состоянии гибких и жестких конструкций. Полимерные нити вводят в ткани и с помощью множества электродов на концах волокон получают сенсорную систему, которую можно приклеивать к структурам любой формы. Чувствительные полимерные волокна можно вводить и в волокнистые композиты типа углепластиков. Однако в этом случае температура отверждения полимерной матрицы должна быть не слишком высокой, чтобы не испортилось чувствительное полимерное волокно.
...
Такие датчики по своему действию напоминают биологические сенсоры. В отличие от оптоволоконных датчиков и МЭМС, которые после калибровки имеют одинаковые характеристики, свойства каждой ткани индивидуальны и ее нужно калибровать. Конечно, современные программы систем контроля, по крайней мере в случае тканых и волоконных сенсоров, довольно просты и несовершенны. Для них требуется или предварительная калибровка готового изделия, или дополнительные сенсоры для контроля основных параметров в отдельных точках конструкции. В настоящее время именно эту возможность считают наиболее перспективной, однако используют ее пока мало.
...
Диапазон применения сенсорных волокон и покрытий огромен. В перспективе они будут использоваться в медицине. Например, при медицинском осмотре вместо системы накладываемых электродов можно одевать интеллектуальный трикотажный костюм или повязку. Аналогично, для лечения поврежденного сустава или конечности в интеллектуальный протез может быть встроена система преобразователей. Это направление исследований имеет большой потенциал (рис. 2.19 и 2.20).
...
Прежде всего, интеллектуальная структура должна получить информацию. В данной главе мы попытались описать сенсоры, дающие исходные данные. Возможно, дальнейшее развитие сенсорных систем будет ориентировано не на использование компьютеров, а на копирование принципов действия биологических объектов.
...
Сейчас трудно или даже невозможно определить, какое направление развития будет преобладать. Однако, независимо от особенностей конкретной контролируемой структуры, датчики желательно рассматривать как ее составную часть, а не дополнение к ней. Комплексный подход
...
Рис. 2.20. Интеллектуальная ткань (а) и интеллектуальная краска (Ь) для полуколичественного контроля состояния поверхности.
...
Такие датчики по своему действию напоминают биологические сенсоры. В отличие от оптоволоконных датчиков и МЭМС, которые после калибровки имеют одинаковые характеристики, свойства каждой ткани индивидуальны и ее нужно калибровать. Конечно, современные программы систем контроля, по крайней мере в случае тканых и волоконных сенсоров, довольно просты и несовершенны. Для них требуется или предварительная калибровка готового изделия, или дополнительные сенсоры для контроля основных параметров в отдельных точках конструкции. В настоящее время именно эту возможность считают наиболее перспективной, однако используют ее пока мало.
...
Диапазон применения сенсорных волокон и покрытий огромен. В перспективе они будут использоваться в медицине. Например, при медицинском осмотре вместо системы накладываемых электродов можно одевать интеллектуальный трикотажный костюм или повязку. Аналогично, для лечения поврежденного сустава или конечности в интеллектуальный протез может быть встроена система преобразователей. Это направление исследований имеет большой потенциал (рис. 2.19 и 2.20).
...
Прежде всего, интеллектуальная структура должна получить информацию. В данной главе мы попытались описать сенсоры, дающие исходные данные. Возможно, дальнейшее развитие сенсорных систем будет ориентировано не на использование компьютеров, а на копирование принципов действия биологических объектов.
...
Сейчас трудно или даже невозможно определить, какое направление развития будет преобладать. Однако, независимо от особенностей конкретной контролируемой структуры, датчики желательно рассматривать как ее составную часть, а не дополнение к ней. Комплексный подход
...
важен при проектировании любой структуры, будь то интеллектуальный трикотажный костюм или подвесной мост. При этом считывание информации, принятие решения и действия должны подчиняться некоторому набору простых эксплуатационных критериев.
...
В этой главе мы попытались представить краткий обзор методов получения информации при помощи сенсорных систем и дали представление о важности процедуры обработки сигнала. Кроме того, мы обсудили перспективы развития сенсорных технологий. И можно надеяться, что в этой области нас ожидают новые открытия и интересные разработки.
...
важен при проектировании любой структуры, будь то интеллектуальный трикотажный костюм или подвесной мост. При этом считывание информации, принятие решения и действия должны подчиняться некоторому набору простых эксплуатационных критериев.
...
В этой главе мы попытались представить краткий обзор методов получения информации при помощи сенсорных систем и дали представление о важности процедуры обработки сигнала. Кроме того, мы обсудили перспективы развития сенсорных технологий. И можно надеяться, что в этой области нас ожидают новые открытия и интересные разработки.
...
важен при проектировании любой структуры, будь то интеллектуальный трикотажный костюм или подвесной мост. При этом считывание информации, принятие решения и действия должны подчиняться некоторому набору простых эксплуатационных критериев.
...
В этой главе мы попытались представить краткий обзор методов получения информации при помощи сенсорных систем и дали представление о важности процедуры обработки сигнала. Кроме того, мы обсудили перспективы развития сенсорных технологий. И можно надеяться, что в этой области нас ожидают новые открытия и интересные разработки.
...
Все конструкции испытывают воздействие вибрации. В робототехнике, автомобилях и особенно космических аппаратах вибрация нежелательна, поскольку она может привести даже к разрушению конструкции. Разрушение может произойти в результате постепенного роста усталостной трещины, а при большой амплитуде колебаний и путем ее быстрого распространения вследствие неспособности материала противостоять возникающим напряжениям. Однако и при отсутствии разрушения вибрация нежелательна из-за возникающего шума. Иногда конструкции делают более жесткими для уменьшения деформаций и смещения резонансных частот структуры за пределы интервала возбуждающих частот. Для подавления вибраций обычно используют демпферы, подобные автомобильным амортизаторам. Однако они тяжелы и имеют слишком большие размеры, вследствие чего в интеллектуальных структурах их применение весьма ограничено.
...
Общей тенденцией развития техники является создание более легких и энергетически эффективных космических аппаратов, автомобилей и самолетов. При этом снижается жесткость структуры и, как следствие, увеличивается амплитуда колебаний. В этой главе обсуждаются методы уменьшения амплитуды колебаний облегченных конструкций и использование с этой целью интеллектуальных структур.
...
Что можно считать интеллектуальной структурой и как она может контролировать и бороться с нежелательными колебаниями? В интеллектуальной структуре устройства контроля колебаний должны быть небольшими, чтобы не изменялся внешний вид конструкции. Это ограничивает использование крупных датчиков и амортизаторов. Датчики измеряют реакцию структуры на внешнее воздействие, и после обработки поступающего сигнала система производит электрические сигналы, запускающие силовые приводы (преобразователи) для противодействия колебаниям. В последнее десятилетие значительные усилия были затрачены на разработку интеллектуальных структур и материалов. В этой главе обсуждаются лишь основные направления таких исследований. Более подробную информацию можно получить в прилагаемом списке литературы.
...
Все конструкции испытывают воздействие вибрации. В робототехнике, автомобилях и особенно космических аппаратах вибрация нежелательна, поскольку она может привести даже к разрушению конструкции. Разрушение может произойти в результате постепенного роста усталостной трещины, а при большой амплитуде колебаний и путем ее быстрого распространения вследствие неспособности материала противостоять возникающим напряжениям. Однако и при отсутствии разрушения вибрация нежелательна из-за возникающего шума. Иногда конструкции делают более жесткими для уменьшения деформаций и смещения резонансных частот структуры за пределы интервала возбуждающих частот. Для подавления вибраций обычно используют демпферы, подобные автомобильным амортизаторам. Однако они тяжелы и имеют слишком большие размеры, вследствие чего в интеллектуальных структурах их применение весьма ограничено.
...
Общей тенденцией развития техники является создание более легких и энергетически эффективных космических аппаратов, автомобилей и самолетов. При этом снижается жесткость структуры и, как следствие, увеличивается амплитуда колебаний. В этой главе обсуждаются методы уменьшения амплитуды колебаний облегченных конструкций и использование с этой целью интеллектуальных структур.
...
Что можно считать интеллектуальной структурой и как она может контролировать и бороться с нежелательными колебаниями? В интеллектуальной структуре устройства контроля колебаний должны быть небольшими, чтобы не изменялся внешний вид конструкции. Это ограничивает использование крупных датчиков и амортизаторов. Датчики измеряют реакцию структуры на внешнее воздействие, и после обработки поступающего сигнала система производит электрические сигналы, запускающие силовые приводы (преобразователи) для противодействия колебаниям. В последнее десятилетие значительные усилия были затрачены на разработку интеллектуальных структур и материалов. В этой главе обсуждаются лишь основные направления таких исследований. Более подробную информацию можно получить в прилагаемом списке литературы.
...
Ниже будут введены основные понятия теории колебаний. Это необходимо для понимания природы колебаний и, как следствие, методов борьбы с ними. Рассмотрены лишь основы, а для более подробного знакомства с теорией колебаний можно использовать монографии [15, 1]. В параграфе 3.2 рассмотрены типичные системы датчиков и силовых преобразователей. Весьма подробно рассмотрены пьезоэлектрические датчики, используемые наиболее широко. Можно использовать и другие типы датчиков, дополнительная информация о которых приведена в следующих главах. Затем приведен обзор методов контроля колебаний. В параграфе 3.4 описаны примеры использования интеллектуальных структур для борьбы с колебаниями.
...
С колебаниями знакомы все, кто знает, что такое вибрация автомобиля или стиральной машины. Вынужденные колебания обусловлены реакцией системы на действие периодической силы (например, вызываемой двигателем автомобиля или вращением несбалансированного барабана стиральной машины). Удивительно, но при синусоидальной возбуждающей силе (которая имеет единственную частоту) в линейной системе возбуждаются колебания лишь той же самой частоты. Мы рассмотрим лишь линейное поведение конструкций, которое типично для широкого класса космической, автомобильной и другой техники, особенно при небольшой амплитуде возбуждающей силы. Рисунок 3.1 демонстрирует реакцию системы на действие синусоидальной силы. Что произойдет, если частота возбуждающей силы изменится, а ее амплитуда останется прежней? В этом случае частота вынужденных колебаний станет равной новой частоте возбуждающей силы, а амплитуда колебаний изменится. Это иллюстрируется рис. 3.1.
...
Ниже будут введены основные понятия теории колебаний. Это необходимо для понимания природы колебаний и, как следствие, методов борьбы с ними. Рассмотрены лишь основы, а для более подробного знакомства с теорией колебаний можно использовать монографии [15, 1]. В параграфе 3.2 рассмотрены типичные системы датчиков и силовых преобразователей. Весьма подробно рассмотрены пьезоэлектрические датчики, используемые наиболее широко. Можно использовать и другие типы датчиков, дополнительная информация о которых приведена в следующих главах. Затем приведен обзор методов контроля колебаний. В параграфе 3.4 описаны примеры использования интеллектуальных структур для борьбы с колебаниями.
...
С колебаниями знакомы все, кто знает, что такое вибрация автомобиля или стиральной машины. Вынужденные колебания обусловлены реакцией системы на действие периодической силы (например, вызываемой двигателем автомобиля или вращением несбалансированного барабана стиральной машины). Удивительно, но при синусоидальной возбуждающей силе (которая имеет единственную частоту) в линейной системе возбуждаются колебания лишь той же самой частоты. Мы рассмотрим лишь линейное поведение конструкций, которое типично для широкого класса космической, автомобильной и другой техники, особенно при небольшой амплитуде возбуждающей силы. Рисунок 3.1 демонстрирует реакцию системы на действие синусоидальной силы. Что произойдет, если частота возбуждающей силы изменится, а ее амплитуда останется прежней? В этом случае частота вынужденных колебаний станет равной новой частоте возбуждающей силы, а амплитуда колебаний изменится. Это иллюстрируется рис. 3.1.
...
Предположим теперь, что мы измерили амплитуду возникших колебаний в широком интервале возбуждающих частот. Типичный результат таких измерений показан на рис. 3.2. Зависимости такого типа называют частотными характеристиками. Максимумы на частотной характеристике называют резонансными пиками, а соответствующие им частоты - резонансными или собственными частотами. Если частота возбуждающей силы соответствует резонансной частоте структуры, то даже небольшая возбуждающая сила может вызвать колебания большой амплитуды. Если к структуре приложить некоторую силу, а затем ее убрать, возбуждается набор колебаний собственных частот.
...
Демпфирование приводит к потере энергии колебаний, в результате чего они постепенно затухают. Демпфирование может быть обусловлено многими причинами, и часто его очень сложно моделировать. Для анализа потерь энергии проще всего рассмотреть вязкое трение, при котором величина демпфирующей силы пропорциональна скорости. Моделью вязкого демпфера описываются автомобильные амортизато-
...
Предположим теперь, что мы измерили амплитуду возникших колебаний в широком интервале возбуждающих частот. Типичный результат таких измерений показан на рис. 3.2. Зависимости такого типа называют частотными характеристиками. Максимумы на частотной характеристике называют резонансными пиками, а соответствующие им частоты - резонансными или собственными частотами. Если частота возбуждающей силы соответствует резонансной частоте структуры, то даже небольшая возбуждающая сила может вызвать колебания большой амплитуды. Если к структуре приложить некоторую силу, а затем ее убрать, возбуждается набор колебаний собственных частот.
...
Демпфирование приводит к потере энергии колебаний, в результате чего они постепенно затухают. Демпфирование может быть обусловлено многими причинами, и часто его очень сложно моделировать. Для анализа потерь энергии проще всего рассмотреть вязкое трение, при котором величина демпфирующей силы пропорциональна скорости. Моделью вязкого демпфера описываются автомобильные амортизато-
...
Рис. 3.4. Частотная характеристика колебательной системы при декрементах затухания, равных 10% (сплошная линия), 25% (штриховая) и 100% (пунктирная).
...
ры. На рис. 3.3 представлена простейшая модель, состоящая из массы, пружины и жидкостного демпфера. Эта модель описывает реакцию системы с одной степенью свободы на внешнюю периодическую силу.
...
Количество степеней свободы соответствует числу независимых координат, которые требуются для полного определения состояния системы (в данном случае оно равно единице). На рис. 3.4 представлены частотная характеристика и зависимость смещения от времени при трех различных значениях коэффициента затухания. Увеличение потерь приводит к уменьшению амплитуды резонансных колебаний и более быстрому затуханию колебаний. При контроле колебаний демпфирование имеет первостепенное значение. Уровень потерь обычно описывают безразмерным параметром, равным отношению величины потерь к их критическому значению, при котором движение перестает быть колебательным, как показано на рис. 3.4.
...
При анализе колебаний важно знать, как структура вибрирует на ее собственных резонансных частотах. Рисунок 3.5 демонстрирует амплитуду колебаний в различных точках консоли (балки, закрепленной на одном ее конце) при трех первых резонансных частотах. Толстые линии демонстрируют величину максимального смещения в зависимости от положения точки измерения. Смещение считается положительным, если точка движется в том же направлении, что и возбуждающая сила, и отрицательным, если в противоположном. Кривые соответствуют частотам, которые немного ниже резонансной. Резонасные колебания различной частоты имеют различную форму смещения и называются гармониками или модами колебаний. Форма гармоники описывает движение структуры в пространстве. Гармоники характеризуются час-
...
Рис. 3.4. Частотная характеристика колебательной системы при декрементах затухания, равных 10% (сплошная линия), 25% (штриховая) и 100% (пунктирная).
...
ры. На рис. 3.3 представлена простейшая модель, состоящая из массы, пружины и жидкостного демпфера. Эта модель описывает реакцию системы с одной степенью свободы на внешнюю периодическую силу.
...
Количество степеней свободы соответствует числу независимых координат, которые требуются для полного определения состояния системы (в данном случае оно равно единице). На рис. 3.4 представлены частотная характеристика и зависимость смещения от времени при трех различных значениях коэффициента затухания. Увеличение потерь приводит к уменьшению амплитуды резонансных колебаний и более быстрому затуханию колебаний. При контроле колебаний демпфирование имеет первостепенное значение. Уровень потерь обычно описывают безразмерным параметром, равным отношению величины потерь к их критическому значению, при котором движение перестает быть колебательным, как показано на рис. 3.4.
...
При анализе колебаний важно знать, как структура вибрирует на ее собственных резонансных частотах. Рисунок 3.5 демонстрирует амплитуду колебаний в различных точках консоли (балки, закрепленной на одном ее конце) при трех первых резонансных частотах. Толстые линии демонстрируют величину максимального смещения в зависимости от положения точки измерения. Смещение считается положительным, если точка движется в том же направлении, что и возбуждающая сила, и отрицательным, если в противоположном. Кривые соответствуют частотам, которые немного ниже резонансной. Резонасные колебания различной частоты имеют различную форму смещения и называются гармониками или модами колебаний. Форма гармоники описывает движение структуры в пространстве. Гармоники характеризуются час-
...
тотой, декрементом затухания и формой. Они являются элементарными «кирпичиками», из которых состоят колебания системы. Простейшая колебательная система состоит из массы, пружины и демпфера («поршня»), как показано на рис. 3.3. Эта система имеет только одну собственную резонансную частоту. Колебания структуры с несколькими независимыми степенями свободы являются суммой соответствующих колебаний, а движение в каждой их них описывается моделью, состоящей из массы, пружины и демпфера.
...
Гармонический анализ структуры состоит из трех основных операций. Первая заключается в определении компоненты силы, соответствующей каждой гармонике колебаний, исходя из общей действующей силы. Для этого необходимо знать форму гармоники. Если возбуждающая сила приложена к узлу колебаний (смещение в котором отсутствует), то эта гармоника возбуждаться не будет. Напротив, если сила приложена к пучности, где смещения максимальны, то гармоника будет иметь наибольшую амплитуду. Рисунок 3.6 демонстрирует это утверж-
...
Рис. 3.6. Влияние частоты и положения точки приложения возбуждающей силы на амплитуду колебаний консольной балки. Сила приложена в точке, удаленной на одну четверть (сплошная линия) и три четверти длины балки от точки заделки (штриховая линия).
...
тотой, декрементом затухания и формой. Они являются элементарными «кирпичиками», из которых состоят колебания системы. Простейшая колебательная система состоит из массы, пружины и демпфера («поршня»), как показано на рис. 3.3. Эта система имеет только одну собственную резонансную частоту. Колебания структуры с несколькими независимыми степенями свободы являются суммой соответствующих колебаний, а движение в каждой их них описывается моделью, состоящей из массы, пружины и демпфера.
...
Гармонический анализ структуры состоит из трех основных операций. Первая заключается в определении компоненты силы, соответствующей каждой гармонике колебаний, исходя из общей действующей силы. Для этого необходимо знать форму гармоники. Если возбуждающая сила приложена к узлу колебаний (смещение в котором отсутствует), то эта гармоника возбуждаться не будет. Напротив, если сила приложена к пучности, где смещения максимальны, то гармоника будет иметь наибольшую амплитуду. Рисунок 3.6 демонстрирует это утверж-
...
Рис. 3.6. Влияние частоты и положения точки приложения возбуждающей силы на амплитуду колебаний консольной балки. Сила приложена в точке, удаленной на одну четверть (сплошная линия) и три четверти длины балки от точки заделки (штриховая линия).
...
дение для случая консольной балки. Амплитуда измеряется в конце балки, возбуждаемой на некотором удалении от точки закрепления (сплошная линия) и вблизи узла второй гармоники (штриховая линия). Если балка возбуждается в узле второй гармоники, то резонанса нет, и соответствующий максимум на штриховой кривой отсутствует.
...
После описанной выше процедуры рассматривают поведение модели, описывающей каждую гармонику. Затем смещения суммируется с учетом формы всех гармоник. Отметим, что нулевые смещения в узле некоторой гармоники не являются доказательством ее отсутствия в спектре колебаний, что иллюстрируется рис. 3.5. Вся процедура частотного анализа, состоящая в разложении колебаний на отдельные гармоники, иллюстрируется рис. 3.7.
...
Активные структуры измеряют реакцию системы на внешнее воздействие, производят вычисления, основанные на этих измерениях, и вызывают появление сил, снижающих амплитуду колебаний. Очевидно, датчики, измеряющие амплитуду колебаний, и устройства, вызывающие появление сил (силовые приводы или пьезокерамические электромеханические преобразователи), являются важнейшими частями системы управления интеллектуальной конструкции. В интеллектуальных
...
дение для случая консольной балки. Амплитуда измеряется в конце балки, возбуждаемой на некотором удалении от точки закрепления (сплошная линия) и вблизи узла второй гармоники (штриховая линия). Если балка возбуждается в узле второй гармоники, то резонанса нет, и соответствующий максимум на штриховой кривой отсутствует.
...
После описанной выше процедуры рассматривают поведение модели, описывающей каждую гармонику. Затем смещения суммируется с учетом формы всех гармоник. Отметим, что нулевые смещения в узле некоторой гармоники не являются доказательством ее отсутствия в спектре колебаний, что иллюстрируется рис. 3.5. Вся процедура частотного анализа, состоящая в разложении колебаний на отдельные гармоники, иллюстрируется рис. 3.7.
...
Активные структуры измеряют реакцию системы на внешнее воздействие, производят вычисления, основанные на этих измерениях, и вызывают появление сил, снижающих амплитуду колебаний. Очевидно, датчики, измеряющие амплитуду колебаний, и устройства, вызывающие появление сил (силовые приводы или пьезокерамические электромеханические преобразователи), являются важнейшими частями системы управления интеллектуальной конструкции. В интеллектуальных
...
структурах датчики и электромеханические преобразователи должны быть небольшими и входить в их конструкцию, что накладывает ограничения на их выбор. Хотя существует множество различных датчиков и механических приводов, которые могут использоваться в интеллектуальных структурах, ниже основное внимание будет уделено пьезодатчи-кам и пьезопреобразователям. Они относительно просты в эксплуатации и могут быть встроены в конструкцию практически любого изделия. Аналогичные устройства других типов описаны в последующих главах этой книги.
...
Под действием внешней силы на поверхности пьезоэлектрика появляются электрические заряды. Если пьезоэлектрик в отсутствие внешних сил поместить в электрическое поле, его размеры изменятся. Таким образом, пьезоэлектрик можно использовать и как датчик, и как силовой привод, выполняющий обратное действие. Реакция датчика на электрическое поле и механическое воздествие зависит от его размеров и физических характеристик материала (в частности, пьезоконстант, описывающих связь механических и электрических характеристик). Главной проблемой при использовании пьезоэлектрических преобразователей является малая величина удлинения. Поэтому тонкие пластинки пьезоэлектрика желательно размещать вдали от средней плоскости изгибаемой балки так, чтобы деформация пьезопреобразователя привела к ее максимальному изгибу. Это схематически показано на рис. 3.8. Для создания электрического поля на поверхность пьезоэлектрической пластины наносят два тонких слоя проводящего металлического покрытия. Электромеханические преобразователи обычно делают из пье-зокерамики, а датчики могут быть сделаны из керамического или полимерного материала.
...
Выше рассматривалось использование пьезоэлектриков в качестве электромеханических преобразователей. Размещение датчиков и преобразователей (пары сенсор - привод) в одном и том же месте структуры имеет несколько преимуществ. Главным является устойчивость работы регулируемой системы для всех гармоник (в широком диапазоне собственных частот). В случае плоских структур датчик можно
...
структурах датчики и электромеханические преобразователи должны быть небольшими и входить в их конструкцию, что накладывает ограничения на их выбор. Хотя существует множество различных датчиков и механических приводов, которые могут использоваться в интеллектуальных структурах, ниже основное внимание будет уделено пьезодатчи-кам и пьезопреобразователям. Они относительно просты в эксплуатации и могут быть встроены в конструкцию практически любого изделия. Аналогичные устройства других типов описаны в последующих главах этой книги.
...
Под действием внешней силы на поверхности пьезоэлектрика появляются электрические заряды. Если пьезоэлектрик в отсутствие внешних сил поместить в электрическое поле, его размеры изменятся. Таким образом, пьезоэлектрик можно использовать и как датчик, и как силовой привод, выполняющий обратное действие. Реакция датчика на электрическое поле и механическое воздествие зависит от его размеров и физических характеристик материала (в частности, пьезоконстант, описывающих связь механических и электрических характеристик). Главной проблемой при использовании пьезоэлектрических преобразователей является малая величина удлинения. Поэтому тонкие пластинки пьезоэлектрика желательно размещать вдали от средней плоскости изгибаемой балки так, чтобы деформация пьезопреобразователя привела к ее максимальному изгибу. Это схематически показано на рис. 3.8. Для создания электрического поля на поверхность пьезоэлектрической пластины наносят два тонких слоя проводящего металлического покрытия. Электромеханические преобразователи обычно делают из пье-зокерамики, а датчики могут быть сделаны из керамического или полимерного материала.
...
Выше рассматривалось использование пьезоэлектриков в качестве электромеханических преобразователей. Размещение датчиков и преобразователей (пары сенсор - привод) в одном и том же месте структуры имеет несколько преимуществ. Главным является устойчивость работы регулируемой системы для всех гармоник (в широком диапазоне собственных частот). В случае плоских структур датчик можно
...
3.2. Датчики и электромеханические преобразователи
...

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