Sieci i instalacje z tworzyw sztucznych 2005 Wojciech BŁAŻEJEWSKI*, Paweł GĄSIOR*, Anna SANKOWSKA** *Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, Politechnika Wrocławska **Wydział Elektroniki, Fotoniki i Optoelektroniki, Katedra Elektroniki i Fotoniki, Politechnika Wrocławska WERYFIKACJA WŁÓKIEN ŚWIATŁOWODOWYCH DO ZASTOSOWAŃ NA CZUJNIKI W KONSTRUKCJACH KOMPOZYTOWYCH Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań światłowodowych głowic czujnikowych wykonanych ze światłowodów wielo- i jednomodowych przeznaczonych do monitorowania konstrukcji z materiałów kompozytowych. Przykładem badanych obiektów były testowe próbki rurowe oraz wysokociśnieniowe zbiorniki kompozytowe. Uzyskane wyniki wskazują, iż głowice czujnikowe wykonane z wielomodowych włókien światłowodowych charakteryzują się większą czułością w porównaniu z głowicami pomiarowymi z włókien jednomodowych. 1. WSTĘP Zalety jakimi charakteryzują się materiały kompozytowe spowodowały, iż wykorzystywane są one do budowy wielu często odpowiedzialnych konstrukcji. Pojawiające się w czasie ich eksploatacji uszkodzenia (materiału kompozytowego) w dowolnych i tym samym trudnych do lokalizacji miejscach, wymagają pokrycia całej powierzchni konstrukcji kompozytowej czujnikami. Jest to szczególnie ważne w przypadku wysokociśnieniowych zbiorników kompozytowych. Zaproponowano zastosowanie jako czujników określonej długości (rzędu kilku, a nawet kilkunastu metrów) odcinki światłowodów telekomunikacyjnych wielo- i jednomodowych. Zaletą takiego rozwiązania jest nie tylko możliwość pokrycia całej powierzchni konstrukcji czujnikiem o dużej długości ramienia pomiarowego, ale fakt, iż możliwa jest integracja czujnika światłowodowego z materiałem kompozytowym [1]. Pozwala to na monitorowanie powstających uszkodzeń w czasie rzeczywistym. Zasada pracy światłowodowych czujników z modulacją amplitudy polega na pomiarze zmian mocy optycznej propagowanej w układzie pomiarowym. Zmiany te pojawiają się w wyniku oddziałania czynników zewnętrznych na światłowód pełniący rolę głowicy pomiarowej. Wykorzystywane jest zjawisko powstawania strat promieniowania optycznego wynikające z rozpraszania propagowanego promieniowania na powstałych w wyniku naprężeń mikropęknięciach (mikrodefektach) i mikrozgięciach włókna [2]. Głowicę pomiarową stanowi standardowy światłowód wielomodowy lub jednomodowy, który może być umieszczony bądź w strukturze materiału kompozytowego, bądź też na jego powierzchni. Zasada pomiaru zmian mocy optycznej oraz schemat oczujnikowanego zbiornika przedstawiono na rys. 1. Najczęściej stosowane są źródła światła i detektory pracujące dla długości fal 850 nm oraz 1300 nm.
W. Błażejewski, A. Sankowska, P. Gąsior Rysunek 1.1. Układ do pomiaru zmian mocy optycznej dla amplitudowego czujnika światłowodowego oraz schemat zbiornika z nawiniętym światłowodem Z wyników przeprowadzonych badań z zastosowaniem czujników amplitudowych zainstalowanych na próbkach rurowych oraz zbiornikach kompozytowych wynika, iż światłowód pozwala na monitorowanie stanu wytężenia konstrukcji kompozytowych. Uzyskane w czasie testów wyniki z pomiarów zbiornika wysokociśnieniowego przedstawiono na rys. 2 [1]. Stan wytężenia próbek kompozytowych monitorowano poprzez standardowe, telekomunikacyjne włókno światłowodowe o długości od kilku do kilkunastu metrów (stanowiące głowice pomiarowy), nawinięte na jego powierzchni. a) b) c) d) Rys. 2. Wyniki pomiarów zbiorników wysokociśnieniowych: a) zmiana ciśnienia w czasie, b) sygnał emisji akustycznej (RMS) w funkcji czasu, c) sygnał optyczny z czujnika nawiniętego obwodowo w funkcji czasu, d) sygnał optyczny z czujnika nawiniętego krzyżowo w funkcji czasu [1]
Weryfikacja włókien światłowodowych do zastosowań na czujniki Zamieszczone na wykresach c i d (rys. 2) zmiany mocy optycznej odpowiadają sygnałom pochodzącym z dwu głowic pomiarowych, różniących się kierunkami nawinięcia światłowodu włóknistego względem osi zbiornika. Uzyskano w ten sposób czujniki pozwalające kontrolować naprężenia w zależności od kierunku ułożenia włókna nośnego (szklanego, węglowego ) w materiale kompozytowym. W opisanych poniżej badaniach postanowiono sprawdzić, które z włókien światłowodowych (jedno- bądź wielomodowych) będzie dawać większą odpowiedz na zmianę stanu wytężenia zbiornika, czyli takie które będą miały większą czułość naprężeniową (pomiarową). 2. WERYFIKACJA WŁÓKIEN ŚWIATŁOWODOWYCH Poniżej przytoczono wyniki pomiarowe uzyskane dla światłowodowych głowic czujnikowych wykonanych odpowiednio ze światłowodów wielo- oraz jednomodowych. Stanowią one doświadczalną weryfikację czułości pomiarowych czujników w zależności od rodzaju zastosowanego światłowodu. Na stanowisku, którego schemat i zdjęcie przedstawione zostały na rys. 3, przeprowadzono pomiary, których celem było określenie zależności pomiędzy spadkiem mocy optycznej a naprężeniami normalnymi indukowanymi w włóknie światłowodowym, traktowanym jako głowica czujnika. W tym celu do wejścia rozciąganego odcinka światłowodu dołączono źródło promienienia optycznego odpowiadającej długości fal λ. Natomiast sygnał optyczny pojawiający się na jego wyjściu mierzono przy pomocy miernika mocy optycznej. (a) (b) Źródło światła λ = 850 nm λ = 1300 nm Miernik mocy optycznej Badany odcinek światłowodu MM lub SM F Rys. 3. Schemat układu pomiarowego (a) oraz zdjęcie rzeczywistego stanowiska (b) Układ nadawczy stanowiły diody LED pracujące w pierwszym (λ=850 nm) oraz drugim (λ=1300 nm) oknie telekomunikacyjnym. Badane głowice czujnika światłowodowego stanowiło wielo- oraz jednomodowe włókno szklane o wymiarach geometrycznych: włókno wielomodowe (MM) średnica rdzenia 62,5 µm, średnica płaszcza 125 µm włókno jednomodowe (SM) średnica rdzenia 9 µm, średnica płaszcza 125 µm Pokrycie zabezpieczające w dla obydwu rodzajów włókien stanowił polimer.
W. Błażejewski, A. Sankowska, P. Gąsior 3. ŚWIATŁOWÓD WIELOMODOWY JAKO GŁOWICA CZUJNIKOWA Wyniki uzyskane w czasie pomiarów dla wielomodowych światłowodowych głowic czujnikowych przedstawiono na rys. 4. Pomiary przeprowadzone zostały dla włókien o różnych długościach, dla dwóch długości fali świetlnej. (a) (b) P [db] 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 1,4 m 1,8 m 2,6 m 3,8 m -0,1-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 σ [GPa] P [db] 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Rys. 4. Zależność pomiędzy spadkiem mocy optycznej a naprężeniem dla głowic pomiarowych o różnych długościach światłowodu MM a) λ = 850 nm, - b) λ = 1300 nm Dla każdej z testowanych głowic czujnikowych wyznaczono współczynnik nachylenia prostej aproksymującej, który możemy interpretować jako czułość naprężeniową K σ gł głowicy pomiarowej o zadanej długości włókna światłowodowego. Parametr ten łączy spadek mocy optycznej propagowanej w światłowodzie, wywołany naprężeniem pojawiającym się w włóknie światłowodowym na skutek osiowo działającego obciążenia (siła F na rys. 2). Na rys. 4 przedstawiona została charakterystyka określające zależność pomiędzy czułością naprężeniową głowicy pomiarowej, a długością włókna dla fal świetlnych: 850nm i 1300 nm. Z wykresu tego widać, iż czułość wielomodowych głowic pomiarowych wzrasta w przybliżeniu liniowo wraz z długością światłowodu stanowiącego głowicę. Można także zauważyć, że długość fali pomiarowej nie ma istotnego wpływu na wyniki pomiarów, co oznacza, że czułość naprężeniowa nie zależy od λ. Zauważmy, iż K σ gł dla głowicy pomiarowej o długości l=3,8 m różni się o 0,01 db/gpa przy zmianie długości fali propagowanej w układzie pomiarowym i wynosi 0,52 db/gpa (dla λ=850 nm) oraz 0,51 db/gpa (dla λ=1300 nm). 1,4 m 1,8 m 2,6 m 3,8 m σ [GPa]
Weryfikacja włókien światłowodowych do zastosowań na czujniki 0,6 0,5 λ = 1300 nm λ = 850 nm K σ gl [db/gpa] 0,4 0,3 0,2 0,1 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 l [m] Rys. 5. Zależność pomiędzy czułością naprężeniową głowic pomiarowych o różnych długościach włókna światłowodowego (dla λ = 850 nm oraz λ= 1300 nm) 4. ŚWIATŁOWÓD JEDNOMODOWY JAKO GŁOWICA CZUJNIKOWA Poniżej przedstawiono wyniki pomiarów dla głowic wykonanych ze światłowodu jednodomowego o długości l = 3,8 m. Zaważmy, iż pojawiające się zmiany mocy optycznej na skutek zadawanych naprężeń dla światłowodu SM są o rząd mniejsze w porównaniu ze zmianami mocy optycznej detekowanymi dla głowicy ze światłowodu MM. Do przeprowadzenia pomiarów wykorzystano stanowisko przedstawione na rys. 2. Jako źródło światła zastosowano diodę superluminescencyjną SLED 1300D5A, stabilizowaną temperaturowo, w celu zapewnienia stałej mocy emitowanego promieniowania. Moc mierzona była standardowym miernikiem mocy. Wyniki tych pomiarów przedstawiono na rys. 6. Wyznaczona czułość naprężeniowa dla głowicy jednomodowej wynosiła 0,07 db/gpa. Okazała się ona być mniejsza niż dla głowicy o tej samej długości, ale wykonanej z włókna wielomodowego (0,51 db/gpa).
W. Błażejewski, A. Sankowska, P. Gąsior 0,10 wyniki pomiarow aproksymacja liniowa 0,08 P [db] 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 σ [GPa] Rys. 6. Charakterystyka przedstawiająca zależność pomiędzy spadkiem mocy transmitowanej a naprężeniami indukowanymi w włóknie jednodomowym (λ = 1300 nm, l = 3,8 m) 3. WNIOSKI Celem badań było zweryfikowanie właściwości czujnikowych światłowodowych włókien wielo- oraz jednomodowych (wyznaczenie ich czułości naprężeniowej), stosowanych do monitorowania stanu wytężenia konstrukcji mechanicznych wykonanych z materiałów kompozytowych. Założono, iż pojawiające się w czasie eksploatacji naprężenia w materiale kompozytowym będą powodowały wzrost naprężeń we włóknie światłowodowym umieszczonym na powierzchni zewnętrznej badanego elementu lub wbudowanego w jego strukturę. Wzrost naprężeń indukowanych w światłowodzie powoduje spadek mocy optycznej promieniowania propagowanego we włóknie. W pracy przeanalizowano zależność czułości naprężeniowej głowic czujnikowych w funkcji długości światłowodu (stosowanego jako głowica pomiarowa), dla dwóch rodzajów włókien światłowodowych oraz dla dwóch długości fal. Zauważono, że wraz ze wzrostem długości testowanego odcinka światłowodu, czułość pomiarowa rośnie, a pomierzona zależność jest funkcją liniową. Stwierdzono także, iż zmiana długości fali świetlnej (850 nm lub 1300 nm) propagowanej w naprężonym światłowodzie nie wpływa znacząco na wzrost czułości naprężeniowej głowicy pomiarowej. Porównanie głowic wielo- oraz jednomodowych wykazuje, iż większą czułością naprężeniową charakteryzują się głowice pomiarowe wykonane ze światłowodu wielomodowego. LITERATURA [1] Błażejewski W., Sankowska A., K. Bożek: Światłowód włóknisty jako czujnik wytężenia wysokociśnieniowych zbiorników kompozytowych, IX Konferencja Naukowa Światłowody i ich zastosowania, Krasnobród 2003, tom II, s. 736-741 [2] Culshaw, B., J. Dakin: Optical Fiber Sensors: Systems and Applications; Artech House Inc. (1989), Vol. 2, 721-765.