ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2025-92-02-67-75

УДК: 531.787.5; 539.3

Статистическая модель оптоволоконного механолюминесцентного датчика индикаторного полимерного покрытия

Ссылка для цитирования:

Паньков А.А. Статистическая модель оптоволоконного механолюминесцентного датчика индикаторного полимерного покрытия // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 2. С. 67–75. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-67-75

Pan′kov A.A. Statistical model of mechano-luminescence fiber optic sensor of indicator polymer coating [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 2. P. 67–75. http:// doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-67-75

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Оптоволоконное индикаторное механолюминесцентное полимерное покрытие для диагностирования внешних силовых воздействий. Цель работы — разработка математических моделей и алгоритмов диагностирования одиночного и множественного внешнего силового воздействия на поверхность индикаторного полимерного покрытия со встроенным в виде плоской спирали оптоволоконным световодом [18] с учётом статистического характера взаимного распределения и пространственных ориентаций по объёму световода эллипсоидальных анизотропных капсулированных механолюминесцентными частиц. Метод. Сформулированы основные принципы функционирования и устройства механолюминесцентного оптоволоконного датчика и, в целом, индикаторного полимерного покрытия при действии одиночного и множественного силового воздействия. Выявлены уникальные свойства спирали Архимеда, с использованием которых разработан оптический метод локации эпицентра силового воздействия. Подход наиболее эффективен для индикаторного полимерного покрытия с большим числом витков и малым шагом спирали механолюминесцентного световода. Использованы методы статистической механики композитов, математической физики и интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода. Основные результаты. Предложен простой алгоритм локации эпицентра одиночного силового воздействия по результату измерения временных интервалов между световыми импульсами на выходе из световода. Разработан алгоритм нахождения спектра сил множественного силового воздействия, распределённого по поверхности индикаторного покрытия, из последовательных решений двух интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода по результату измерения интегрального информативного флюоресцентного светового потока на выходе из световода для различных значений входящего в световод управляющего светового потока. Практическая значимость. Предложено решение актуальной задачи индикации и количественной оценки действующих на протяжённую аэродинамическую поверхность внешних силовых воздействий в виде ударов града, бетонной крошки из-под переднего колеса при взлёте с взлётно-посадочной полосы, частиц космического мусора с целью мониторинга сохранения прочностных и аэродинамических характеристик элементов аэрокосмической техники. Использование потока оптического излучения в качестве управляющего воздействия даёт существенные преимущества над аналогичными индикаторными покрытиями, использующими электрические управляющие сигналы.

Ключевые слова:

индикаторное полимерное покрытие, оптоволоконный датчик, механолюминесценция, оптическая рефлектометрия, численное моделирование

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке Пермского края и Российского научного фонда, проект № 24-21-20026

Коды OCIS: 060.2370, 120.5475

Список источников:

1. Razdobreev I., Bigot L., Pureur V. et al. High efficiency Bi-doped fiber laser // Proc. LPHYS’06. Lausanne, Switzerland. 24–28 July 2006.
2. Xu C.N., Watanabe T., Akiyama M., Zheng X.G. Artificial skin to sense mechanical stress by visible light emission // Applied Physics Letters. 1999. V. 74. P. 1236–1238. https://doi.org/10.1063/1.123510
3. Xu C.N., Watanabe T., Akiyama M., Zheng X.G. Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence // Applied Physics Letters. 1999. V. 74. P. 2414–2416. https://doi.org/10.1063/1.123865
4. Zhang J.C., Wang X.S., Marriott G., Xu C.N. Trapcontrolled mechanoluminescent materials // Progress in Materials Science. 2019. V. 103. P. 678–742. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.02.001
5. Zhang J.C., Xu C.N., Kamimura S. et al. An intense elastico-mechanoluminescence material CaZnOS: Mn2þ for sensing and imaging multiple mechanical stresses // Opt. Express. 2013. V. 21. P. 12976–12986. https://doi.org/10.1364/OE.21.012976
6. Truong V.G., Bigot L., Lerouge A., Douay M. Study of thermal stability and luminescence quenching properties of bismuth-doped silicate glasses for fiber laser applications // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. № 4. P. 041908. https://doi.org/10.1063/1.2828035
7. Matrosova A.S., Ananyev V.A., Pchelkin G.A. и др. Organic phosphor based fiber-optic sensor for detection of UV radiation // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 2086. № 1. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2086/1/012155
8. Матросова А.С., Булыга Д.В., Садовничий Р.В. и др. Люминесцентный волоконно-оптический датчик температуры на основе нанокристаллов CE:YAG и многомодового волоконного световода // ФотонЭкспресс. 2021. Т. 174. № 6. С. 282–283. https://doi:10.24412/2308-6920-2021-6-282-283
 Matrosova A.S., Bulyga D.V., Sadovnichij R.V. et al. Fluorescent fiber optic temperature sensor based on CE:YAG nanocrystals and multimode fiber optic [in Russian] // Foton-Ekspress. 2021. T. 174. № 6. P. 282–283. https://doi: 10.24412/2308-6920-2021-6-282-283
9. Evstropiev S.K., Demidov V., Bulyga D.V. et al. YAG : R3+(R = Ce, Dy, Yb) nanophosphor-based luminescent fibre-optic sensors for temperature measurements in the range 20–500 °C // Quantum Electronics. 2022. V. 52. № 1. С. 94–99. https://doi.org/10.1070/QEL17971
10. Du Y.Y., Jiang Y., Sun T.Y. et al. Mechanically excited multicolor luminescence in lanthanide ions // Advanced Materials. 2019. V. 31. P. 1807062. https://doi.org/10.1002/adma.201807062
11. Pan C., Zhang J.C., Zhang M. et al. Intrinsic oxygen vacancies mediated multi-mechano-responsive piezoluminescence in undoped zinc calcium oxysulfide // Applied Physics Letters. 2017. V. 110. P. 233904. https://doi.org/10.1063/1.4985012
12. Wang X.S., Xu C.N., Yamada H. et al. Electro-mechano-optical conversions in Pr3–doped BaTiO3-CaTiO3 ceramics // Advanced Materials. 2005. V. 17. P. 1254–1258. https://doi.org/10.1002/adma.200401406
13. Hu Y., Wei Z., Wu B. et al. Photoluminescence of ZnS: Mn quantum dot by hydrothermal method // AIP Advances. 2018. V. 8. P. 015014. https://doi.org/10.1063/1.5010833
14. Wang X., Zhang H., Yu R. et al. Dynamic pressure mapping of personalized handwriting by a flexible sensor matrix based on the mechanoluminescence process // Advanced Materials. 2015. V. 27. № 14. P. 2324–2331. https://doi: 10.1002/adma.201405826
15. Wang X., He J., Qiu Z. et al. CaS:Eu2+@CaZnOS:Mn2+: A dual-UV/green-excited and dual-red-emitting spectral conversion with all-weather resistance // Ceramics International. 2020. V. 46. № 7. P. 9734–9740. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.12.242
16. Wang C., Peng D., Pan C. Mechanoluminescence materials for advanced artificial skin // Science Bulletin. 2020. V. 65. P. 1147–1149. https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.034
17. Петерс М.П.Й., Ван Дремел Г.В.Г., Шмидт П.Й. и др. Покрытая люминесцентная частица, люминесцентный преобразующий элемент, источник света, осветительное устройство и способ изготовления покрытой люминесцентной частицы // Патент РФ № 2674135. Бюл. 2018 № 34.
 Peters M.P.J., Van Dremel G.V.G., Shmidt P.J. et al. Coated luminescent particle, luminescent converting element, light source, lighting device and method of coated luminescent particle manufacturing // RF Patent № RU2674135. Bull. 2018 № 34.
18. Паньков А.А. Волоконно-оптический датчик механических напряжений // Патент РФ № 2799986. Бюл. 2023 № 20.
 Pan’kov A.A. Fiber optic stress sensor // RF Patent № RU2799986. Bull. 2023 № 20.
19. Паньков А.А. Информативные световые импульсы индикаторного полимерного оптоволоконного PELпокрытия при вдавливании жестких шаровых частиц // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 8. С. 99–106. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-08-99-106
 Pan’kov A.A. Informative light pulses of indicating  polymer fiber-optic piezoelectroluminescent coatings upon indentation of rigid globular particles // Journal of Optical Technology. 2021. V. 88. № 8. P. 477–482. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000477
20. Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. Мн.: Изд–во Белорус. гос. университета, 1978. 208 с.
 Volkov S.D., Stavrov V.P. Statistical mechanics of composite materials [in Russian]. Minsk: Belorus. gos. universitet Publ., 1978. 208 p.
21. Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М.: Изд–во моск. университета, 1984. 336 c. Pobedrya B.E. Mechanics of composite materials [in Russian]. Moscow: Moscow State University Publ., 1984. 336 p.
22. Паньков А.А. Пьезокомпозиты и датчики: монография в 3-х частях / Часть 1. Статистическая механика пьезокомпозитов. Пермь: Изд-во пермского национального исследовательского политехнического университета, 2022. 234 с.
 Pan’kov A.A. Piezocomposites and sensors: monograph in 3 parts / Part 1. Statistical mechanics of piezocomposites [in Russian]. Perm: Perm National Research Polytechnic University Publ., 2022. 234 p.