Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2021, № 3 · MATHEMATICAL MODELS IN RADIO ELECTRONICS PROBLEMS

Optical fiber piezoelectroluminescent sensor for measuring gradient deformation of plates

A.A. Pan'kov1

1 Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2021.3.6 UDC 537.8 EDN NRXJGS

Abstract

Mechanic-mathematical models of surface fiber optic piezoelectroluminescent (PEL) sensors installed on the surface of polymer composite structures, in particular, plates (shells) for refined monitoring of inhomogeneous "gradient" deformation fields inside structures, have been developed. There are given problem statements and problem solving algorithms for representative domain of "plate/sensor" system in order to find numerical values of control and informative, including transfer "gradient" coefficients of PEL-sensors. Results of numerical calculation of control and informative transfer coefficients of surface PEL-sensor for case of small values of gradients of diagnosed membrane, bending and torsional deformations of transversal-isotropic elastic plate are presented.

  • piezo-electro-elasticity
  • mechanical-luminescent effect
  • optical fiber
  • surface sensor
  • composite plate
  • numerical modeling
Аннотация (на русском)

Оптоволоконный пьезоэлектролюминесцентный датчик измерения градиентного деформирования пластин

Разработаны механико-математические модели поверхностных оптоволоконных пьезоэлектролюминесцентных (PEL) датчиков, устанавливаемых на поверхности полимерных композиционных конструкций, в частности, пластин (оболочек) для уточненного мониторинга неоднородных «градиентных» деформационных полей внутри конструкций. Даны постановки и схемы решения задач для представительного фрагмента системы «пластина/датчик» с целью нахождения численных значений управляющих и информативных, в том числе, «градиентных» передаточных коэффициентов PEL-датчиков. Представлены результаты численного расчета управляющих и информативных передаточных коэффициентов поверхностного PEL-датчика для случая малых значений градиентов диагностируемых мембранных, изгибных и крутильных деформаций трансверсально-изотропной упругой пластины.

For citation

Pan'kov A.A. Optical fiber piezoelectroluminescent sensor for measuring gradient deformation of plates // Journal of Radio Electronics. – 2021. – No. 3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.6

References

  1. Данилин А.И., Жуков С.В. Оптоэлектронные системы определения деформационного состояния несущего винта вертолёта. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. №4-6. С.1307-1314.
  2. Аношкин А.Н., Зуйко В.Ю., Пеленев К.А., Писарев П.В., Шипунов Г.С. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния композитного шпангоута авиационного назначения для разработки методики контроля с применением волоконно-оптических датчиков. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2018. №4. С 47-57.
  3. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Москва, Техносфера. 2006. 223 с.
  4. Федотов М.Ю., Сорокин К.В., Гончаров В.А., Шиенок А.М., Зеленский П.В. Возможности сенсорных систем и интеллектуальных ПКМ на их основе. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. №2. С.18-23.
  5. Сорокин К.В., Мурашов В.В. Мировые тенденции развития распределенных волоконно-оптических сенсорных систем (Обзор). Авиационные материалы и технологии. 2015. №3. С.90-94.
  6. Луценко А.Н., Одинцев И.Н., Гриневич А.В., Северов П.Б., Плугатарь Т.П. Исследование процесса деформации материала оптико-корреляционными методами. Авиационные материалы и технологии. 2014. №S4. С.70-86.
  7. Минеев С.А., Угольников А.Ю., Лозовская Л.Б. Анализ спекл-изображений деформируемой поверхности на основе алгоритмов обработки оптического потока. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2014. №2 (1). С.81-86.
  8. Ильичев А.В., Губин А.М., Акмеев А.Р., Иванов Н.В. Определение области максимальных сдвиговых деформаций для образцов углепластика по методу Иосипеску, с использованием оптической системы измерений. Труды ВИАМ. 2018. №6. С.99-109.
  9. Надеждин К.Д., Шарнин Л.М., Кирпичников А.П. Визуальные методы определения деформаций и напряжений на поверхности испытуемых конструкций. Вестник Казанского технологического университета. 2016. №12. С.143-146.
  10. Ильичев А.В., Раскутин А.Е. Исследование влияния концентратора напряжений на напряженно-деформационное состояние углепластика методом корреляции цифровых изображений. Авиационные материалы и технологии. 2014. № (32). С 62-66.
  11. Семенова О.В., Морозов О.А. Метод прецизионного уточнения полей неоднородных смещений и деформаций на поверхности материалов. Физическая мезомеханика. 2003. №3. С.99-105.
  12. Любутин П.С., Панин С.В., Титков В.В., Еремин А.В., Сундер Р. Развитие метода корреляции цифровых изображений для изучения процессов деформации и разрушения конструкционных материалов. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. №1. С.87-107.
  13. Староверов О.А., Струнгарь Е.М., Третьяков М.П., Третьякова Т.В. Особенности экспериментальных исследований трубчатых образцов композиционных материалов в условиях сложного напряженного состояния. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2017. №51. С.104-114.
  14. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Медведев И.М., Шелемба И.С. Волоконно-оптические датчики для мониторинга коррозионных процессов в узлах авиационной техники (обзор). Авиационные материалы и технологии. 2017. №3. С.26-34.
  15. Рузаков И.А. Мониторинг деформационного состояния элементов конструкции из ПКМ на основе волоконно-оптических датчиков (обзор). Труды ВИАМ. 2019. №4. С.88-98.
  16. Качура С.М., Постнов В.И. Перспективные оптоволоконные датчики и их применение (обзор). Труды ВИАМ. 2019. №5. С.52-61.
  17. Серьёзнов А.Н., Кузнецов А.Б., Лукьянов А.В., Брагин А.А. Применение оптоволоконных технологий при создании встроенных систем самодиагностики авиационных конструкций. Научный вестник НГТУ. Авиационная и ракетно-космическая техника. 2016. №3. С.95-105.
  18. Будадин О.Н., Кульков А.А., Кутюрин В.Ю. Волоконно-оптические датчики с решётками Брэгга для мониторинга напряженно-деформированного состояния изделий из композиционных материалов. Конструкции из композиционных материалов. 2018. №2. С.60-67.
  19. Мунько А.С., Варжель С.В., Архипов С.В., Коннов К.А., Петров А.Б. Разработка чувствительного элемента волоконно-оптического тензометрического датчика на основе решеток Брэгга. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2017. №4. С.340-346.
  20. Liu Y., Lacher A., Wang G., Purekar A., Yu M. Wireless fiber optic sensor system for strain and pressure measurements on a rotor blade. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2007. No.67700Y.
  21. Patent US 20060254366 A1. Sensor and sensor array for monitoring a structure. Caroline Williamson, Lisa Fixter (nee Humberstone), Andrew Clark. Published on November 16, 2006.
  22. Patent US 7458266 B2. Method and apparatus for detecting a load change upon a structure and analyzing characteristics of resulting damage. Shawn J. Beard, Xinlin Qing, Hian Leng Chan, Chang Zhang, Fuo-Kuo Chang. Published on December 2, 2008.
  23. Patent US 6399939 B1. Sensor array system. Mannur J. Sundaresan, Anindya Ghoshal, Mark J. Schulz. Published on June 4, 2002.
  24. Patent RU No. 2643692. Fiber-Optic Volumetric Stress Sensor. Pan'kov A.A. Published 05.02.2018, Bul. № 4. Application № 2017111405 dated 4.04.2017.
  25. Pan'kov A.A. A piezoelectroluminescent fiber-optical sensor for diagnostics of the 3D stress state in composite structures. Mechanics of Composite Materials. 2018. №2. P.155-164.
  26. Pan'kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields. Sensors and Actuators A: Phys. 2019. Vol.288. P.171-176.
  27. Sessler G.M. Piezoelectricity in polyvinylidenefluoride. J. Acoust. Soc. Amer., 1981. No.6. P.1596-1608.