Частотные характеристики встраиваемого оптоволоконного PEL-датчика для диагностирования сложных гармонических деформаций внутри полимерной композитной конструкции

Рассмотрены основы функционирования оптоволоконного пьезоэлектролюминесцентного (PEL) датчика внутри полимерной композитной конструкции при ее циклическом нагружении. Оптоволоконный PEL-датчик рассматривается как часть электромеханической системы «композит-датчик» с учетом наличия анизотропии, пьезоактивности и максвелл-вагнеровской релаксации электрических полей элементов датчика. Назначение оптоволоконного PEL-датчика - диагностирование неоднородного сложного объемного деформированного состояния протяженной цилиндрической области (окрестности вдоль встроенного линейного датчика) внутри циклически нагруженной композитной конструкции. Разработана численная модель решения пространственной связанной краевой задачи электроупругости для представительного фрагмента системы «композит/датчик» в пакете ANSYS. Осуществлено численное моделирование деформационных и электрических гармонических полей внутри представительного фрагмента, в частности найдены распределения амплитуд этих полей в элементах структуры оптоволоконного PEL-датчика. Выявлены резонансные режимы и проанализированы закономерности частотных зависимостей для действительных и мнимых частей управляющих и информативных передаточных коэффициентов встроенного оптоволоконного PEL-датчика в системе «композит-датчик». Дополнительно даны графики частотных зависимостей тангенсов углов механических потерь для различных случаев деформирования системы «композит-датчик». Демпфирование системы «композит-датчик» осуществляется в результате преобразования оптоволоконным PEL-датчиком некоторой части механической энергии (передаваемой от композита к датчику при их совместном деформировании) в джоулево тепло с последующим рассеиванием, что обусловлено прямым пьезоэффектом и максвелл-вагнеровской релаксацией электрических полей в элементах датчика. Установлен частотный диапазон деформирования системы «композит-датчик», при котором наиболее эффективно реализуется режим пассивного демпфирования вибраций. Численно подтверждено, что для предельного высокочастотного случая деформирования системы «композит-датчик» релаксационные процессы не реализуются и, как следствие, решения для управляющих и информативных передаточных коэффициентов PEL-датчика практически совпадают с ранее полученными численными решениями, в которых не учитывались электрические проводимости элементов структуры датчика.