Встраиваемый оптоволоконный механофотолюминесцентный датчик сложного деформированного состояния для мониторинга вибраций полимерных композитных конструкций

Встраиваемый оптоволоконный механофотолюминесцентный датчик сложного деформированного состояния для мониторинга вибраций полимерных композитных конструкций

Автор: Паньков А.А.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2023 года.

Бесплатный доступ

Разработана математическая модель функционирования встраиваемого оптоволоконного механо(упруго)фотолюминесцентного (MFL) датчика сложного напряженно-деформированного состояния для мониторинга вибраций полимерных композитных конструкций. Датчик включает в себя один или несколько световодов, легированных множеством однородно распределенных по объему световода сферическими MFL-наночастицами типа «ядро/оболочка» - упругомеханолюминесцентное (EML) ядро с фотолюминесцентной (FL) оболочкой, здесь EML-эффект - светоотдача материала при его упругой (неразрушающей) деформации. FL-оболочка каждой капсулированной частицы трансформирует информативное «внутреннее» ML-излучение ядра во «внешний» информативный FL-световой поток внутри световода. Результирующее значение FL-светового потока от FL-светоотдач всех частиц регистрируется на выходе из каждого световода. Дополнительная функция оболочки - локализация (в границах каждой частицы) информационного свечения EML-ядра, что, как следствие, улучшает пространственную разрешимость датчика для диагностирования существенно неоднородных (по длине датчика) деформационных полей. MFL-датчик предназначен для диагностирования компонент тензора амплитуд гармонических макродеформаций рассматриваемой локальной композитной области - окрестности встроенного датчика по результатам измерений информативных фотолюминесцентных FL-световых потоков на выходах из световодов датчика. Регулирование и настройка выходящих (в рабочем торце «вход/выход» датчика) и регистрируемых информативных FL-световых потоков осуществлена посредством использования варьируемого входящего управляющего светового потока, в частности, одинакового для всех световодов датчика. Установлено, что с использованием одиночного световода «кварц/MFL-частицы» (датчик давления) искомый «спектр» амплитуд давления - функции плотности распределения значений амплитуд по продольной оси датчика является решением интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода по результатам измерений (на выходе из световода) информативного результирующего FL-светового потока как функции управляющего входящего (ML) светового потока. Результаты численного моделирования получены для зависимости величины светового FL-потока от управляющего ML-потока для случаев однородного и неоднородного (но с «равномерным» спектром) распределений диагностируемой величины амплитуды давления по длине датчика.

Еще

Оптоволоконный датчик, механолюминесценция, фотолюминесценция, капсулированные наночастицы, информативный световой поток, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146282741

IDR: 146282741   |   УДК: 531.787.5   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.09

Built-in fiber-optic mechanophotoluminescent sensor of complex deformed state for monitoring vibrations of polymer composite structures

A mathematical model of an embedded fiber-optic mechanical (elastic) photoluminescent (MFL) sensor of a complex stressed-deformed state for monitoring vibrations of polymer composite structures has been developed. The sensor includes one or more light guides doped with many spherical MFL nanoparticles (uniformly distributed over the volume of the light guide) of the "core/shell" type. The latter is an elastomechanoluminescent (EML) core with a photoluminescent (FL) shell. Here the EML effect is the light output of the material with its elastic (non-destructive) deformations. The FL-shell of each capsulated particle transforms the informative "internal" ML-radiation of the core into an "external" informative FL-light flux within the light guide. The resulting value of the FL-light flux from all particles is recorded at the output of each light guide. An additional function of the shell is the localization (within the boundaries of each particle) of the information glow of the EML-core, which, as a result, improves the spatial resolution of the sensor to diagnose significantly heterogeneous (along the length of the sensor) deformation fields. The MFL-sensor is designed to diagnose the components of the harmonic macrodeformation amplitude tensor of the local composite region under consideration, i.e. the vicinity of the built-in sensor based on the measurement results of informative photoluminescent FL-light fluxes at the outputs from the light guides of the sensor. Control and adjustment of the output (in the working end "input/output" of the sensor) and recorded informative FL-light fluxes is carried out by using a variable input control light flux, in particular, the same for all light guides of the sensor. It was found that in case of using the single "quartz/MFL particle" light guide (pressure sensor), the desired "spectrum" of pressure amplitudes (the density function of the distribution of amplitude values along the longitudinal axis of the sensor) is a solution of the Fredholm integral equation of the 1st kind based on the results of measurements (at the output from the light guide) of the informative resulting FL-light flux as a function of the control incoming (ML) light flux flow. The results of the numerical modeling are obtained for the dependence of the light FL flux value on the control ML flux for cases of uniform and non-uniform (but with a "uniform" spectrum) distributions of the diagnosed pressure amplitude value along the sensor length.

Еще

Список литературы Встраиваемый оптоволоконный механофотолюминесцентный датчик сложного деформированного состояния для мониторинга вибраций полимерных композитных конструкций

  • Luminescence: From Theory to Applications / Cornelis R. Ronda (Editor). – Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. – 276 p.
  • Luminescence Trilogy: Complete Collection / J.L. Weil (Goodreads Author). – Kindle Edition, Published by Dark Magick Publishing, LLC., 2018. – 707 p.
  • Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные датчики внутренних напряжений композитных конструкций для современной аэрокосмической техники // Авиакосмическое приборостроение. – 2007. – № 4. – С. 26–32.
  • Макарова Н.Ю. Тактильные сенсоры роботов на основе механолюминесцентных датчиков. – М.: Изд-во LAPLambertAcademicPublishing, 2011. – 200 с.
  • Сычев М.М. Научные основы управления свойствами композиционных пленок для электролюминесцентных устройств: автореф. дис. … д-ра техн. наук. – СПб., 2013. – 41 с.
  • Князев А.А., Шамсутдинова Р.Д., Галяметдинов Ю.Г. Люминесцентные свойства композитов на основе полимера PFO, допированного мезогенным комплексом самария // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. – № 17. – С. 137–139.
  • Неорганический композит «стекло-люминофор» на основе высокопреломляющей свинцово-силикатной матрицы для белых светодиодов / В.А. Асеев, Ю.В. Тузова, А.Ю. Бибик, Е.В. Колобкова, Я.А. Некрасова, Н.В. Никоноров, М.А. Швалева, А.Е. Романов, В.Е. Бугров // Физика и механика материалов. – 2014. – Т. 21, № 3. – С. 242–247.
  • Люминесцентные наноматериалы, допированные редкоземельными ионами, и перспективы их биомедицинского применения (обзор) / И.Н. Бажукова, В.А. Пустоваров, А.В. Мышкина, М.В. Улитко // Оптика и спектроскопия. – 2020. – Т. 128, № 12. – С. 1938–1957.
  • Макарова Н.Ю. Моделирование выходного сигнала механолюминесцентного датчика динамического давления //
  • Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. – 2015. – № 6. – С. 187–200.
  • Татмышевский К.В. Механолюминесцентный чувствительный элемент: математическая модель и основные характеристики // Датчики и системы. – 2005. – № 1. – С. 10–15.
  • Tатмышевский К.В. Научные основы расчета и проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов датчиков импульсного давления: автореф. дис. … д-ра техн. наук. – М., 2010. – 33 с.
  • Томышев К.А., Баган В.А., Астапенко В.А. Распределённые волоконно-оптические датчики давления для применения в нефтегазовой промышленности // Труды МФТИ. – 2012. – № 2. – С. 64–72.
  • Крауя У.Э., Янсонс Я.Л. Механолюминесценция композитных материалов: методы, аппаратура и результаты исследований / Латв. АН, Ин-т механики полимеров, НИИ физики твердого тела Латв. ун-та. – Рига: Зинатне, 1990. – 152 с.
  • Novel mechano-luminescent sensors based on piezoelectric/electroluminescent composites / Y. Jia, X. Tian, Z. Wu, X. Tian, J. Zhou, Y. Fang, C. Zhu // Sensors. – 2011. – No. 4. – P. 3962–3969.
  • Фрайден Дж. Современные датчики: справочник. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.
  • Новомейский Д.Н., Телегин А.М., Сёмкин Н.Д. Использование пьезодатчиков для определения места удара высокоскоростных частиц о поверхность космического аппарата // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2015. – № 2. – С. 61–65.
  • Вандышев Г.К., Зюрюкин Ю.А. Анализ особенностей работы пьезоэлектрического датчика давления на резистивную нагрузку // Радиотехника и электроника. – 2001. – № 3. – С. 372–376.
  • Богуш М.В., Пикалев Э.М. Анализ функции преобразования пьезоэлектрических датчиков давления методом конечных элементов // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2008. – Т. 79, № 2. – С. 74–84.
  • Вопросы синтеза и анализа метрологических моделей пьезоэлектрических датчиков быстропеременных давлений / П.Г. Михайлов, Е.А. Мокров, В.В. Скотников, Д.А. Тютюников, В.А. Петрин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2014. – Т. 7, № 1. – С. 35–43.
  • Пат. RU № 2630537.Волоконно-оптический датчик давления / Паньков А.А., опубл. 11.09.2017 Бюл. № 26; заявка № 2016136058 от 06.09.2016 г.
  • Пат. RU № 2643692. Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния / Паньков А.А., опубл.: 05.02.2018 Бюл. № 4; заявка № 2017111405 от 04.04.2017 г.
  • Пат. RU № 2684001. Датчик вибраций / Паньков А.А., опубл.: 03.04.2019 Бюл. № 10; заявка № 2017137934 от 30.10.2017 г.
  • Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields // Sensors and Actuators A: Physical. – 2019. – Vol. 288. – pp. 171-176.
  • A bionic stretchable nanogenerator for underwater sensing and energy harvesting / Y. Zou, P. Tan, B. Shi [et al.] // Nature Communications. – 2019. – No. 10:2695. – P. 1–10.
  • Tactile sensors for advanced intelligent systems / C. Wang, L. Dong, D. Peng [et al.] // Advanced Intelligent Systems. – 2019. – Vol. 1, no. 8:1900090. – P. 1–24.
  • Синтез наноразмерных люминофоров Gd2O3: Nd3+ полимерно-солевым методом их основных характеристик / А.С. Матросова, Н.К. Кузьменко, С.К. Евстропьев, В.А. Асеев, Д.П. Данилович, Н.В. Никоноров, А.И. Игнатьев, В.В. Демидов, К.В. Дукельский // Оптика и спектроскопия. – 2021. – Т. 129, № 5. – С. 650–657. DOI: 10.21883/OS2021.05.50893.1853-21
  • Hollow Antiresonant Optical Fiber Modified with Thin Films Containing Highly-Luminescent Gd2O3:Nd3+Nanophosphors / V. Demidov A.S., Matrosova, S.K. Evstropiev, N.K. Kuzmenko, V.A. Aseev, N.V. Nikonorov, K.V. Dukelskii // 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, CLEO/Europe-EQEC. – 2021. DOI: 10.1109/CLEO/Europe-EQEC52157.2021.9541892
  • Кварцевые волоконные световоды, активированные нанокристаллами YAG: Nd3+ / С.К. Евстропьев, В.А. Асеев, В.В. Демидов, Н.К. Кузьменко, А.С. Матросова, А.В. Хохлов, А.В. Комаров, К.В. Дукельский, Н.В. Никаноров, К.В. Орешкина // Квантовая электроника. – 2019. – Т. 49, № 12. – С. 1145–1148.
  • Пат. RU № 2665332. Светоизлучающее устройство с элементом спектрального преобразования / Хикмет Р.А.М., Ван Боммел Т., Де Бур Д.К.Г., опубл. 29.08.2018 Бюл. № 25; заявка № 2016124100 от 05.11.2014 г.
  • Пат. RU № 2690174. Управление цветом люминесцентного световода / Ван Боммел Т., Хикмет Р.А.М., опубл. 31.05.2019 Бюл. № 16; заявка № 2017115418 от 01.10.2015 г.
  • Organic phosphor based fiber-optic sensor for detection of UV radiation / A.S. Matrosova, V.A. Ananyev, G.A. Pchelkin, D.N. Shurupov, S.K. Evstropiev, V.M. Volynkin, V. Demidov, N.V. Nikonorov // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 2086, no. 1. – Art. no 012155. DOI: 10.1088/1742-6596/2086/1/012155
  • Люминесцентный волоконно-оптический датчик температуры на основе нанокристаллов CE:YAG и многомодового волоконного световода / А.С. Матросова, Д.В. Булыга, Р.В. Садовничий, Г.А. Пчелкин, Д.Н. Шурупов, В.В. Демидов, С.К. Евстропьев, Н.В. Никоноров, К.В. Дукельский, Ю.Ф. Подрухин, А.А. Слобожанинов // Фотон-Экспресс. – 2021. – Т. 174, № 6. – С. 282–283. DOI: 10.24412/2308-6920-2021-6-282-283
  • Люминесцентные волоконно-оптические датчики на основе нанолюминофоров YAG : R3+ (R = Ce, Dy, Yb) для измерения температуры в диапазоне 20–500 °C / С.К. Евстропьев, В.В. Демидов, Д.В. Булыга, Р.В. Садовничий, Г.А. Пчелкин, Д.Н. Шурупов, Ю.Ф. Подрухин, А.С. Матросова, Н.В. Никоноров, К.В. Дукельский // Квантовая электроника. – 2022. – Т. 52, № 1. – С. 94–99.
  • YAG : R3+(R = Ce, Dy, Yb) nanophosphor-based luminescent fibre-optic sensors for temperature measurements in the range 20-500 C / S.K. Evstropiev, V. Demidov, D.V. Bulyga, R.V. Sadovnichii, G.A. Pchelkin, D.N. Shurupov, Y.F. Podrukhin, A.S. Matrosova, N.V. Nikonorov, K.V. Dukelskii // Quantum Electronics. – 2022. – Vol. 52, № 1. – С. 94–99. DOI: 10.1070/QEL17971
  • Фирстова Е.Г. Оптические свойства волоконных световодов с сердцевиной из стеклообразных SiO2 и GeO2, легированных висмутом: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.21. – М.: ИОФ РАН, 2015. – 138 с.
  • Мещанкин Д.В. Световоды с активно формируемыми характеристиками для генерации сверхкоротких световых импульсов и флуоресцентного зондирования: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.21. – М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2017. – 117 с.
  • Люминесценция кристаллов Cr2+:AIIBVI в халькогенидных волоконных световодах в среднем ИК-диапазоне /Р.А. Миронов, Э.В. Караксина, А.О. Забежайлов, Р.М. Шапошников, М.Ф. Чурбанов, Е.М. Дианов // Квантовая электроника. – 2010. – Т. 40, № 9. – C. 828–829.
  • Study of thermal stability and luminescence quenching properties of bismuth-doped silicate glasses for fiber laser applications / V.G. Truong, L. Bigot, A. Lerouge, M. Douay // Appl. Phys. Lett. – 2008. – Vol. 92, no. 4. – P. 041908.
  • High efficiency Bi-doped fiber laser / I. Razdobreev, L. Bigot, V. Pureur, G. Bouwmans, M. Douay, A. Jurdyc // Proc. LPHYS’06, Lausanne, Switzerland, 24-28 July 2006. – 2006.
  • 2W bismuth doped fiber lasers in wavelength range 1300–1550 nm and variation of Bi-doped fiber parameters with core composition / S.V. Firstov, I.A. Bufetov, V.F. Khopin, A.V. Shubin, A.M. Smirnov, L.D. Iskhakova, N.N. Vechkanov, A.N. Guryanov, E.M. Dianov // Las. Phys. Lett. – 2009. – Vol. 6, no. 9. – P. 665.
  • Ноздрюхин Д.В., Горин Д.А., Ященок А.М. Исследование влияния размера сферических частиц, содержащих оболочки золота/краситель на оптоакустический сигнал // Тезисы докладов всероссийской конференции по волоконной оптике (ВКВО-2021), г. Пермь 5-8 октября 2021 года. – Пермь, 2021. – С. 306.
  • Люминесцентный волоконно-оптический датчик температуры на основе нанокристаллов CE:YAG и многомодового волоконного световода / А.С. Матросова, Д.В. Булыга, Р.В. Садовничий, Г.А. Пчелкин, Д.Н. Шурупов, В.В. Демидов, С.К. Евстропьев, Н.В. Никоноров, К.В. Дукельский, Ю.Ф. Подрухин, А.А. Слобожанинов // Тезисы докладов Всероссийской конференции по волоконной оптике (ВКВО-2021), г. Пермь 5-8 октября 2021 года. – Пермь, 2021. – С. 282–283.
  • Высоколюминесцентный в ближней ИК области полый антирезонансный световод для лазерной и сенсорной техники / А.С. Матросова, Н.К. Кузьменко, В.А. Асеев, С.К. Евстропьев, А.В. Хохлов, В.В. Демидов, Н.В. Никоноров // Тезисы докладов Всероссийской конференции по волоконной оптике (ВКВО-2021), г.Пермь 5-8 октября 2021 года. – Пермь, 2021. – С. 75–76.
  • Влияние тантала на люминесцентные свойства алюмосиликатных стёкол, легированных висмутом / Е.А. Пластинин, Л.Д. Исхакова, В.В. Вельмискин, А.В. Харахордин, С.В. Фирстов, С.Л. Семенов // Тезисы докладов Всероссийской конференции по волоконной оптике (ВКВО-2021), г.Пермь 5-8 октября 2021 года. – Пермь, 2021. – С. 50–51.
  • Artificial skin to sense mechanical stress by visible light emission / C.N. Xu, T. Watanabe, M. Akiyama, X.G. Zheng // Applied Physics Letters. – 1999. – Vol. 74. – P. 1236–1238.
  • Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence / C.N. Xu, T. Watanabe, M. Akiyama, X.G. Zheng // Applied Physics Letters. – 1999. – Vol. 74. – P. 2414–2416.
  • Trap-controlled mechanoluminescent materials / J.C. Zhang, X.S. Wang, G. Marriott, C.N. Xu // Progress in Materials Science. – 2019. – Vol. 103. – P. 678–742.
  • An intense elastico-mechanoluminescence material CaZnOS: Mn2þ for sensing and imaging multiple mechanical stresses / J.C. Zhang, C.N. Xu, S. Kamimura, Y. Terasawa, H. Yamada, X.S. Wang // Opt. Express. – 2013. – Vol. 21. – P. 12976–12986.
  • Creating recoverable mechanoluminescence in piezoelectric calcium niobates through Pr3þ doping / J.C. Zhang, Y.Z. Long, X. Yan, X.S. Wang, F. Wang // Chemistry of Materials. – 2016. – Vol. 28. – P. 4052–4057.
  • Mechanically induced light emission and infrared-laserinduced upconversion in the Er-doped CaZnOS multifunctional piezoelectric semiconductor for optical pressure and temperature sensing / H.L. Zhang, D.F. Peng, W. Wang, L. Dong, C.F. Pan // Journal of Physical Chemistry C. – 2015. – Vol. 119. – P. 28136–28142.
  • Sheet sensor using SrAl2O4: Eu mechanoluminescent material for visualizing inner crack of high-pressure hydrogen vessel / Y. Fujio, C.N. Xu, Y. Terasawa, Y. Sakata, J. Yamabe, N. Ueno, N. Terasaki, A. Yoshida, S. Watanabe, Y. Murakami // Int. J. Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – P. 1333–1340.
  • Optical evaluation of in situ crack propagation by using mechanoluminescence of SrAl2O4: Eu2, Dy3 / S. Timilsina, K.H. Lee, Y.N. Kwon, J.S. Kim // Journal of the American Ceramic Society. – 2015. – Vol. 98. – P. 2197–2204.
  • Wu W.Z., Wen X.N., Wang Z.L. Taxel-addressable matrix of vertical-nanowire piezotronic transistors for active and adaptive tactile imaging // Science. – 2013. – Vol. 340. – P. 952–957.
  • Mechanically excited multicolor luminescence in lanthanide ions / Y.Y. Du, Y. Jiang, T.Y. Sun, J.X. Zhao, B.L. Huang, D.F. Peng, F. Wang // Advanced Materials. – 2019. – Vol. 31. – P. 1807062.
  • Intrinsic oxygen vacancies mediated multi-mechanoresponsive piezoluminescence in undoped zinc calcium oxysulfide / C. Pan, J.C. Zhang, M. Zhang, X. Yan, Y.Z. Long, X.S. Wang // Applied Physics Letters. – 2017. – Vol. 110. – P. 233904.
  • Electro-mechano-optical conversions in Pr3-doped BaTiO3-CaTiO3 ceramics / X.S. Wang, C.N. Xu, H. Yamada, K. Nishikubo, X.G. Zheng // Advanced Materials. – 2005. – Vol. 17. – P. 1254–1258.
  • Photoluminescence of ZnS: Mn quantum dot by hydrothermal method / Y. Hu, Z. Wei, B. Wu [et al.] // AIP Advances. – 2018. – Vol. 8. – P. 015014.
  • Dynamic pressure mapping of personalized handwriting by a flexible sensor matrix based on the mechanoluminescence process / X. Wang, H. Zhang, R. Yu, L. Dong, D. Peng, A. Zhang, Y. Zhang, H. Liu, C. Pan, Z.L. Wang // Advanced Materials. – 2015. – Vol. 27, no. 14. – P. 2324–2331. DOI: 10.1002/adma.201405826
  • CaS:Eu2+@CaZnOS:Mn2+: A dual-UV/green-excited and dual-red-emitting spectral conversion with all-weather resistance / X. Wang, J. He, Z. Qiu, Q. Mi, J. Xu, S. Ai, W. Zhou, Y. Liu, S. Lian // Ceramics International. – 2020. – Vol. 46, no. 7. – P. 9734–9740.
  • Wang C., Peng D., Pan C. Mechanoluminescence materials for advanced artificial skin // Science Bulletin. – 2020. – Vol. 65. – P. 1147–1149.
  • Пат. RU № 2674135. Покрытая люминесцентная частица, люминесцентный преобразующий элемент, источник света, осветительное устройство и способ изготовления покрытой люминесцентной частицы / Петерс М.П.Й., Ван Дремел Г.В.Г., Шмидт П.Й., Хендрикс Р.Я., Хоэлен Х.Г.А., Вег Р.Т., Ван Боммел Т., опубл. 04.12.2018 Бюл. № 34, заявка № 2015140756 от 25.02.2014 г.
  • Пат. RU № 2799986. Волоконно-оптический датчик механических напряжений / Паньков А.А., опубл. 14.07.2023 Бюл. № 20, заявка № 2022129729 от 16.11.2022 г.
  • Кристенсен Р. Введение в механику композитов. – М.: Мир, 1982. – 334 с.
  • Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. – М.: Изд–во Моск. университета, 1984. – 336 c.
  • Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика деформирования и разрушения структурно неоднородных тел. – М.: Наука, 1984. – 115 с.
  • Паньков А.А. Пьезокомпозиты и датчики: моногр.: в 3 ч. – Ч. 1. Статистическая механика пьезокомпозитов. – Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2022. – 234 с.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp