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   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.09

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
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp