Представлены результаты разработки и апробации малогабаритного высокочувствительного датчика деформации на основе пьезооптического преобразователя. Чувствительность датчика к абсолютной деформации достигает значений порядка Δx = 10⁻⁷ мм, что соответствует чувствительности к относительной деформации порядка Δx / x= 10⁻⁹. Такая высокая чувствительность открывает новые возможности в контроле различных механизмов, например подъемников, как после их монтажа перед рабочим пуском, так и непосредственно в процессе
текущей эксплуатации. Возможности датчика продемонстрированы на примере контроля параметров движения лифта согласно Международному стандарту ISO 18738-1:2012 (E): ускорение и торможение, рывки, трение по направляющим, вибрация. Предлагаемый датчик и методы контроля с его использованием позволяют организовать обратную связь для управления двигателем с целью
снижения износа, экономии электроэнергии, предотвращения перегрузок и аварийных ситуаций.

Ключевые слова: фотоупругость, поляризация, пьезооптический преобразователь, датчик деформации, измерение вибрации и ускорения, подъемные механизмы, лифты

Измерение деформации является основным способом изучения напряженных состояний в различных областях науки и отраслях техники. В настоящее время для измерения деформации (силы) наиболее широко используются тензорезисторные датчики [1—4], т.е. „средства измерения силы, принцип которых основан на тензорезистивном эффекте" . Главные их достоинства — простота конструкции и относительно низкая стоимость. Однако такие датчики имеют ряд неустранимых недостатков, в первую очередь — сравнительно невысокую чувствительность, а также малый динамический диапазон, нелинейность, гистерезис и др. [1].

Значительно большей чувствительностью обладают пьезооптические преобразователи
на основе явления фотоупругости — анизотропном изменении показателя преломления изначально изотропного вещества под действием нагрузки за счет деформации электронных оболочек атомов [5—8]. В работах [7, 9] показано, что чувствительность таких датчиков на три порядка выше, чем тензорезисторных, тем не менее по ряду причин, в первую очередь технологического характера, они практически не используются в современных силовых механизмах.

Начиная с 2010 г. в ООО „Фирма ПОДИЙ" ведутся поисковые и прикладные исследования [10—15], направленные на создание новых малогабаритных пьезооптических датчиков деформации с повышенной чувствительностью, устойчивостью к перегрузкам, отсутствием гистерезиса, отвечающих условиям промышленной эксплуатации.

В статье представлены результаты разработки и практической апробации одной из модификаций высокочувствительного датчика деформации (УПС-12) на основе пьезооптического преобразователя, соответствующего представленным выше требованиям.

Датчик состоит из пьезооптического преобразователя, размещенного в нагрузочном элементе для крепления на объекте контроля, и преобразователя вторичного, формирующего информационные сигналы заданного стандарта.

Оптическая схема преобразователя и внешний вид датчика УПС-12 представлены на рис. 1, где 1 — светодиод (типа АЛС307БМ), 2 — поляризатор, 3 — четвертьволновая пластина, 4 — фотоупругий элемент (ФЭ) крестообразной формы из плавленого кварца, 5 — анализаторы, 6 — фотоприемники (многоплощадочные фотодиоды типа ФД-20 или им подобные), 7 — рабочая область ФЭ (область, проходя через которую, световые пучки попадают на фотоприемники; выделена пунктиром), 8 — преобразователь в корпусе, 9 — нагрузочный элемент, закрепляемый на объекте контроля, 10 — монтажные отверстия, 11 — преобразователь вторичный.

Особенностью схемы является разделение надвое светового пучка по фронту падающей волны до падения на ФЭ [16]. Такое решение позволяет использовать пленочные поляризаторы (поляроиды), сокращая оптический путь световых пучков и, следовательно, габариты преобразователя, а также применять некогерентный источник света с низким энергопотреблением.
Другое важное отличие от аналогичных устройств заключается в том, что в собранном виде ФЭ находится подпредварительной сжимающей нагрузкой по двум ортогональным направлениям, это обеспечивает его работу как на сжатие, так и на растяжение, и практически исключает температурную зависимость выходного сигнала устройства [10].

Под действием нагрузки F в рабочей области ФЭ возникают дополнительные ортогональные напряжения σ_x и σ_y и, как следствие, обусловленная двулучепреломлением дополнительная разность фаз Δ между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации пучков, прошедших сквозь ФЭ [9]. Изменение фазы поляризации влечет за собой изменение интенсивности световых потоков на фотоприемниках и вырабатываемых ими фототоков I₁ и I₂. Регистрация полезного сигнала осуществляется по дифференциальной схеме при (I₁ – I₂)/(I₁ + I₂) ~ Δ ~ (σ_x – σ_y= Δσ) [17]. Итоговая чувствительность датчика к абсолютной деформации ФЭ определяется соотношением сигнал/шум на выходе электронного тракта и, как
показано в [9], для ФЭ диаметром 10 мм в пределе может достигать порядка 10⁻⁷ мм.

В ходе предварительных исследований и испытаний было установлено [11], что подобного типа датчики устойчивы к перегрузкам, практически лишены гистерезиса (так как ФЭ из плавленого кварца имеет высокий порог разрушения при сжатии и не подвержен пластической деформации) и позволяют измерять относительные деформации вплоть до величин 10⁻⁹.

Благодаря высокой чувствительности датчика открываются дополнительные возможности контроля важнейших технических параметров различных механизмов, например подъемников, как после монтажа перед рабочим пуском, так и непосредственно в процессе эксплуатации.

Рассмотрим, как датчик может быть использован в пассажирских и грузовых лифтах. В настоящее время в лифтовом хозяйстве начинает активно использоваться Международный стандарт ISO 18738-1:2012 (E) „Measurement of ride quality — Part 1: Lifts (elevators) " („Измерение ходовых качеств. Часть 1. Лифты (подъемники)"), направленный на обеспечение комфортного использования лифтов. Комфортность определяется режимами ускорения и торможения, плавностью хода; не допускаются резкие рывки, вибрация, повышенный шум; трение при движении кабины по направляющим должно быть минимальным. Поэтому необходимо непрерывно измерять в процессе эксплуатации не только степень загрузки кабины лифта, но
и скорость кабины, ускорение и торможение, рывки и вибрацию, трение по направляющим. Проблема заключается еще и в том, что неправильный монтаж направляющих, по которым перемещаются кабина лифта и противовес, приводит к ускоренному износу элементов конструкции, росту электропотребления, увеличению нагрузки на двигатель лебедки, повышению
вероятности возникновения аварийной ситуации, снижению сроков эксплуатации лифта. Действующими российскими нормативными документами* совокупный контроль всех названных параметров не предусматривается из-за отсутствия как подходящих устройств контроля, так и соответствующих методик его проведения. Поэтому в крупных офисах, между-
народных бизнес-центрах, элитных жилых домах и т.п. у нас в стране применяются только импортные лифты, отвечающие указанному стандарту.

Предлагаемый метод контроля с помощью разработанного пьезооптического датчика
заключается в измерении деформации рамы лебедки лифта, на которую передается весь спектр текущих нагрузок, связанных с движением кабины и противовеса. Высокая (необязательно предельная) чувствительность датчика в широком динамическом диапазоне измерений (до 104) позволяет в режиме реального времени отслеживать полную динамику процесса, что невозможно сделать при помощи тензорезисторных систем. Поскольку устройство контроля крепится на раму лебедки, возможно использовать один и тот же датчик для разных лифтов, вне зависимости от их грузоподъемности, так как чем больше грузоподъемность, тем мощнее рама, и в итоге величина деформации примерно одинакова для всех видов лифтов.

С целью методического обоснования метода обратимся к упрощенной модели подъемного механизма лифта для зданий, схематично представленной на рис. 2; здесь 1 — кабина, 2 — противовес, 3 — канатоведущий шкив лебедки, 4 — рама, 5 — направляющие, 6 — датчик деформации.

На кабину лифта и на противовес действуют силы тяжести P₁ и P₂ соответственно (вместе с канатами, электрическими кабелями, полезной нагрузкой и др.). В канатах возникают
ответные силы натяжения T₁ и T₂. На лебедку действует сила F = T₁ + T₂, ответно в раме лебедки возникает сила реакции опоры N = F. В целом система уравнений сил в отсутствие движения кабины (в статике) имеет вид

Канатоведущий шкив лебедки не является свободно (без трения) вращающимся блоком, он жестко связан с валом двигателя и тормозным механизмом. При этом канаты удерживаются на шкиве силой трения без проскальзывания. Таким образом, можно считать, что в любой момент времени (в покое или в движении) канат жестко связан со шкивом в верхней точке
шкива. Это позволяет независимо друг от друга рассматривать силу натяжения канатов кабины лифта и противовеса T₁ и T₂, определяющих силовое воздействие на лебедку и раму лифта F.

На рис. 3, a, б показаны условные диаграммы временны́х зависимостей скорости (V) и ускорения (a) кабины лифта при движении вверх и затем вниз. Направление движения кабины здесь и далее на рисунках отмечено соответствующими стрелками.

Пусть m₁ и m₂ — масса кабины лифта и противовеса (с той же оговоркой, что и для сил P₁ и P₂). Тогда при движении кабины с ускорением вверх будем иметь „динамическую" систему сил

При движении вниз ускорение меняет знак. Очевидно, что при ускоренном движении кабины и противовеса возникает дополнительное усилие на раму, пропорциональное a, которое приводит к изменению деформации рамы лебедки с датчиком, однако из (2) следует, что при m₁ = m₂ дополнительного усилия не возникает.

Все меняется, когда между кабиной (противовесом) и направляющими возникает сила трения, всегда действующая против направления движения. В подобной ситуации

где F_тр1 = μ₁N₁ и F_тр2 = μ₂N₂ — силы трения скольжения соответственно кабины и противовеса по направляющим; μ₁, μ₂ и N₁, N₂ — коэффициенты трения и силы взаимодействия кабины и противовеса с направляющими; N* — новое значение силы реакции рамы на действие силы F* с учетом сил трения. Диаграмма изменения силы ΔN с учетом непрерывного действия силы трения представлена на рис. 3, в.

Таким образом, сила, действующая на раму лебедки лифта, пропорциональна разнице
ΔF_uтр сил трения кабины и противовеса при скольжении вдоль направляющих. Если по прежнему полагать m₁ = m₂, то

При смене направления движения кабины силы трения изменяют знак, что приводит к различному знаку ΔN при движении кабины вверх и вниз. Диаграмма ΔN = f(t) при непрерывно действующих силах трения F_тр1 и F_тр2 для данного случая приведена на рис. 3, г.

На рис. 4, a представлена временна́я диаграмма для ΔN, когда сила трения резко увеличивается в определенных местах шахты из-за некачественного монтажа направляющих. При движении кабины вверх от точки 1 до точки 2 изменения положительны, а при движении вниз от точки 2 до точки 1 изменения отрицательны. Если часть диаграммы при движении вниз инвертировать относительно точки 2, то при условии постоянства скорости получится диаграмма зависимости силы трения от положения x кабины в шахте лифта (рис. 4, б). Нетрудно обнаружить, что всплески величины силы трения наблюдаются в одних и тех же местах нахождения кабины, при этом знак всплеска зависит от направления движения кабины. В итоге по этой диаграмме могут быть выявлены места с повышенным трением.

С августа 2010 г. один из разработанных датчиков успешно эксплуатируется на лифте грузоподъемностью 500 кг административного корпуса ОАО „Могилевлифтмаш" в Могилеве, еще три с февраля 2011 г. — на лифтах грузоподъемностью 400 кг в московских жилых домах. Датчики смонтированы в местах максимальных деформаций рам с учетом удобства
размещения при помощи струбцин (без каких-либо дополнительных специальных монтажных отверстий), как показано на
рис. 5, где 1 — датчик деформации, 2 — швеллер рамы лебедки, 3 — струбцины. Такой монтаж позволяет оперативно контролировать техническое состояние направляющих любого лифта, в том числе введенного в эксплуатацию, независимо от его конструкции. Максимальные деформации определялись на основе анализа с помощью программ трехмерного промышленного проектирования SolidWorks, AutoCAD Inventor, T-Flex CAD.

На рис. 6, а представлены экспериментальные диаграммы ΔN = f(t) при движении без остановок с 1-го на 9-й этаж пустой кабины лифта грузоподъемностью 500 кг (сплошная кривая) и обратно (пунктир) со скоростью равномерного движения 1 м/с. Для удобства сравнения диаграммы наложены друг на друга таким образом, чтобы значения ΔN для одного и того же
положения кабины в шахте при движении вверх и вниз совпадали по оси абсцисс. Иначе говоря, для движения кабины вверх ось времени направлена вправо, а для движения вниз — влево. Тем самым ось абсцисс задает не столько время протекания процесса t, сколько линейную координату x положения кабины лифта в шахте, что важно для идентификации дефектных мест.

На рис. 6, а хорошо видны участки разгона и торможения (выделены прямоугольными рамками), качественно совпадающие с соответствующими участками диаграммы на рис. 4, б. Знак изменения показаний датчика при разгоне кабины вверх совпадает со знаком изменения сигнала при торможении в случае движения вниз, так как ускорения в этих точках направлены в одну сторону (см. (2)). Значения ΔN в процессе равномерного движения кабины вверх и вниз практически совпадают, что свидетельствует об отсутствии существенного трения кабины и противовеса с направляющими.

Диаграмма на рис. 6, б получена для лифта грузоподъемностью 400 кг. Однако здесь графики для участка равномерного движения вверх и вниз не только не совпадают, но и изменяются в противофазе, что свидетельствует о наличии повышенного трения (см. выражение (4)), конкретно — до 500 Н на различных участках шахты (в прямоугольных рамках).

Применение предложенного датчика позволяет предотвращать аварийные ситуации. Если в процессе работы лифта трение в силу разных причин начинает непредсказуемо и быстро возрастать, то велика вероятность заклинивания кабины и ее аварийной остановки. При этом канаты, двигатель лебедки и другие механизмы лифта будут испытывать повышенные
нагрузки, что может привести к их выходу из строя.

Ситуация такого типа демонстрируется на рис. 7 на примере кабины лифта грузоподъемностью 500 кг. Диаграмма а соответствует нормальному движению кабины с одного этажа на другой, б — движению с зацеплением кабины за направляющие. Зацепы начались с момента t ≈ 85 с (стрелка вверх), вследствие чего при t ≈ 150 с (стрелка вниз) лифт аварийно остановился. В результате примерно в течение минуты конструкция лифта находилась в разбалансированном состоянии, что четко отразилось на рисунке.

Поскольку установленный на раме лебедки датчик непрерывно регистрирует силу трения и ее вариации, для предупреждения подобных случаев в системе управления лифтом нетрудно задать такое пороговое значение сигнала ΔN_пор (пунктир на рис. 7, б), при достижении которого двигатель будет автоматически отключаться еще до запредельных перегрузок. Величина ΔN_пор определяется экспериментально путем предварительной калибровки датчика на конкретном лифте. В процессе введения лифта в эксплуатацию кабина последовательно нагружается увеличивающимися весами, вплоть до нагрузки выше номинальной, определяемой регламентом. При этом также возникают нагрузки от входа/выхода монтажника с грузом, которые и фиксируются датчиком. Такие уровни нагрузок считаются нормальными (рабочими), а их превышающие — ненормальными (опасными).

Соответствующие работы, направленные на интеграцию датчика с электрооборудованием современных лифтовых станций и создание необходимого программного обеспечения, успешно ведутся. Программный софт может предлагаться дополнительной опцией к датчику для организаций, осуществляющих как монтаж лифта, так и его обслуживание.

Продолжительная (с 2010 г.) эксплуатация опытных образцов датчика убедительно продемонстрировала его эффективность для контроля качества монтажа лифта в шахте, а также основных параметров движения кабины, определяющих техническое состояние и эксплуатационные характеристики подъемника.

Таким образом, пьезооптический датчик, сочетающий компактность, надежность и высокую чувствительность (погрешность измерения силы 0,3 мН, рабочий динамический диапазон 10⁴ [18]), открывает новые возможности в задачах измерения силовых нагрузок. Предлагаемый датчик и методы контроля с его использованием позволяют при изменении загрузки кабины лифта ввести обратную связь для управления двигателем с целью снижения износа, экономии электроэнергии, предотвращения перегрузок и аварийных ситуаций. Датчик и метод могут быть применены во всех случаях, когда используются лебедочные механизмы, например, в лифтах для горной промышленности, в эскалаторах, движущихся дорожках, транспортерах, подъемных кранах и т. п.

Исследования выполнены в рамках опытно-конструкторских и инновационных работ, осуществляемых ООО „Фирма ПОДИЙ" (Москва, генеральный директор А. В. Поярков) [19]. Авторы выражают признательность сотрудникам ОАО „Могилевлифтмаш" (г. Могилев, Республика Беларусь), ОАО „Щербинский лифтостроительный завод" (Москва), „Лифтстрой—С" и „Лифтстрой—Сервис" (г. Новосибирск) за оказание технической поддержки при проведении экспериментальных работ и обсуждение результатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Handbook on experimental mechanics / Ed. by A. S. Kobayashi. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-hall, Inc., 1987.
2. Баринов И. Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры //
Компоненты и технологии. 2009. No 5. С. 12—15.
3. Тензометрические датчики // Каталог продукции ПО „Вектор-ПМ" [Электронный ресурс]: <http://uralves.ru/catalog/testing>.
4. Весоизмерительное оборудование. Датчики силы // Каталог продукции Компании IT.Servicio [Электронный
ресурс]: <http://www.itservicio.ru/ncd-1-2/info.html>.
5. Фрохт M. M. Фотоупругость. М.—Л.: Гостехиздат, 1948. Т. 1. 432 c.; 1950. Т. 2. 520 с.
6. Doyle J. F. Modern experimental stress analysis. Chichester: J.Wiley & Sons, 2004.
7. Слезингер И. И. Пьезооптические измерительные преобразователи // Измерительная техника. 1985. No 11. С. 45.
8. Coker E. G., Filon L. N. G. A Treatise on Photo-Elastisity. Cambridge: University Press, 1931.
9. Fedorinin V. N., Paulish A. G., Levina A. S. Optoelectronics in Measurement of Measurement of Physical
Magnitudes. NY: Nova Science Publisher, Inc., 2011.
10. Pat. 8887577 US. Tensometric transducer / A. G. Paulish, V. N. Fedorinin, A. C. Rafailovich, A. V. Poyarkov, V. A. Shatov. 23.04.2010.
11. Сидоров В. И., Паулиш А. Г., Почкай Д. В. Регистрация изменения нагрузки на твердое тело при помощи
пьезооптического преобразователя // Глобальная ядерная безопасность. 2012. No 2—3(4). С. 58—63.
12. Пат. 2454642 РФ. Тензометрический датчик (варианты) / А. Г. Паулиш, В. Н. Федоринин. Опубл. 27.06.2012. Бюл. No 18.
13. Пат. 2564691 РФ. Тензометрический преобразователь / А. Г. Паулиш, А. В. Поярков, В. Н. Бараков. Опубл.
10.10.2015. Бюл. No 28.
14. Паулиш А. Г., Загубисало П. С. Фотоупругий элемент для пьезооптических датчиков деформаций // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, вып. 13. С. 33—40.
15. Междунар. заявка РСТ/2015/000220. Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций /
А. Г. Паулиш, А. В. Поярков, В. Н. Бараков, О. П. Маслов. 08.04.2015, WO2016/163902. Опубл. 13.10.2016.
16. Пат. 2157513 РФ. Эллипсометрический датчик / В. Н. Федоринин. Опубл. 10.10.2000. Бюл. No 28.
17. Пат. 2565856 РФ. Устройство обработки сигнала пьезооптического преобразователя / А. Г. Паулиш, А. В. Поярков,
В. Н. Бараков, М. А. Павлов. Опубл. 20.20.2015. Бюл. No 29.
18. Паулиш А. Г., Загубисало П. С., Бараков В. Н., Павлов М. А. Экспериментальное исследование
пьезооптического преобразователя для высокочувствительных датчиков деформации // Автометрия. 2018. Т. 54, No 2. С. 78—84.
19. Датчик упругих деформаций // Инновации ООО „Фирма ПОДИЙ" [Электронный ресурс]: <http://firmapodij.ru/innovacii>.

Сведения об авторах

Андрей Георгиевич Паулиш — канд. физ.-мат. наук, доцент; Филиал Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН „Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники"; ученый секретарь;
E-mail: paulish63@ngs.ru

Виктор Иванович Сидоров — Филиал Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН „Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники"; вед. инженер-конструктор;
E-mail: vsidorov@gmail.com

Виктор Николаевич Федоринин — канд. техн. наук; Филиал Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН „Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники"; руководитель Филиала;
E-mail: oos@oesd.ru

Владимир Александрович Шатов — ООО „Фирма ПОДИЙ"; помощник директора;
E-mail: shatov_va@mail.ru

Ссылка для цитирования: Паулиш А. Г., Сидоров В. И., Федоринин В. Н., Шатов В. А. Пьезооптический датчик деформации и метод контроля параметров движения подъемных механизмов // Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61, No 6. С. 530—538.

Data on authors

Andrey G. Paulish — PhD, Associate Professor; Design and Technology Institute of Applied Microelectronics, Branch of the Institute of Semiconductor Physics;
E-mail: paulish63@ngs.ru
Viktor I. Sidorov — Design and Technology Institute of Applied Microelectronics, Branch of the Institute of Semiconductor Physics; Leading Engineer-Designer;
E-mail: vsidorov@gmail.com
Viktor N. Fedorinin — PhD; Design and Technology Institute of Applied Microelectronics, Branch of the Institute of Semiconductor Physics; Head of the Branch;
E-mail: oos@oesd.ru
Vladimir A. Shatov — PODIY Firm Ltd., Deputy Director; E-mail: shatov_va@mail.ru

For citation: Paulish А. G., Sidorov V. I., Fedorinin V. N., Shatov V. А. Piezo-optical deformation sensor
and method for monitoring movement parameters of lifting mechanisms. Journal of Instrument Engineering.
2018. Vol. 61, N 6. P. 530—538 (in Russian).

DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-6-530-538