СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 3
ГЛАВА 1. 4
1.1. Системы датчиков. 4
1.2. Требования к системам датчиков в интеллектуальных структурах. 5
1.3. Датчики. 7
2.3.1. Оптоволоконные датчики. 7
1.3.2. Микроэлектромеханические системы.. 15
2.3.3. Пъезокерамики и пьезоэлектрические полимеры.. 20
1.3.4. Поверхностные пленки и нити. 21
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 24
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.. 25
Введение
"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.
ГЛАВА 1.
Системы датчиков
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.
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.
Требования к системам датчиков в интеллектуальных структурах
Полная характеризация контролируемой структуры только с помощью сети сенсоров 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 СD-RОМов. Даже если бы это было реально, проанализировать столько информации вряд ли возможно. Кроме того, такая система датчиков имела бы значительный вес и потребляла много энергии.
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 величины 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:
- механические нагрузки;
- тепловое воздействие, связанное с изменением температуры. Оно может инициировать появление механических напряжений и вести к изменению механической прочности;
- химическое воздействие, связанное и изменением рН среды, утечкой химически активных веществ, присутствием воды и т.д.
Во всех случаях система должна адекватно реагировать, что схематически иллюстрируется на рис.2.2.
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 конструкции, например корпуса ракет, функционируют лишь несколько минут.д.ругие же конструкции должны работать десятилетия.
Помимо измерения механических нагрузок, 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 годы 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.
Датчики
Оптоволоконные датчики
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).
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 механическими 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 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 поврежденное™ 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 давать 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 деформации (рис.2.9).
Их используют, например, для контроля дополнительной нагрузки на полотно автодорога, обусловленной строительством моста, для исследования роста трещин в древних церквях, для оценки степени сохранности дамб и тд. 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 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 поврежденния 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.
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.