INVESTIGATION OF THE STABILITY OF FBG SENSOR MEASUREMENTS UNDER VARIOUS CLIMATIC CONDITIONS

Abstract


The sensing elements used to measure various parameters, including strain, are not only expected to ensure the reliability of the measured values, but also the stability of the measurements over a long period of time when exposed to various environmental conditions. The paper presents the results of studying the stability of the readings of point fiber-optic sensors based on a fiber Bragg grating under various climatic conditions. During the study, strain of the optical fiber was measured at various levels of temperature and relative humidity, under an external load using a fiber Bragg grating inscribed in the core of the optical fiber. For the experiments, a special setup was created that allows fixing an optical fiber with fiber Bragg grating and applying an external load in the form of a suspended load. The duration of the experiments ranged from 550 to 900 hours. Humidity and temperature ranges correspond to the most common values at which fiber-optics sensors are operated. The data analysis showed that for the fiber-optic sensors the readings do not change significantly during the time at different relative humidity and air temperature, as well as at loads corresponding to 50 and 70 % of the maximum load for an optical fiber with a fiber Bragg grating inscribed by the phase mask method. This result indicates the possibility of the effective use of fiber-optic sensors based on a fiber Bragg grating for long-term measurements of strain in the ambient temperature range from – 40 to + 80 °C and relative humidity from 5 to 95 %.

Full Text

В настоящее время волоконно-оптические датчики (ВОД) на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) широко востребованы для использования в об- ласти мониторинга механического состояния конструк- ций [1–5]. Данные датчики, благодаря компактным размерам, возможности быть интегрированными с кон- струкцией, устойчивости к электромагнитным и радиа- ционным излучениям, высокой чувствительности, нашли множество приложений в таких сферах, как строительство [6–10], аэрокосмическая [11–14] и гео- техническая [15–17] отрасли. Например, в работе [18] разработаны методики, которые включают в себя раз- вертывание в полевых условиях датчиков ВБР для кон- троля устойчивости склонов и просадок грунта. В рабо- те [19] представлен обзор более 80 источников, в кото- рых приведены различные варианты датчиков на основе ВБР, предназначенные для мониторинга механического состояния геотехнических сооружений. Использование ВОД на основе ВБР осуществляется в широком диапазоне температур и относительной влажности воздуха, при которых ВОД должны сохра- нять работоспособность и обеспечивать достоверность и стабильность измерений. В работе [20] показано, что отражательная способность ВБР, записанной в легиро- ванном германием оптическом волокне, снижается с увеличением температуры вплоть до полной потери сигнала от датчика при температуре 850 °С. Основное снижения отражательной способности ВБР в оптиче- ском волокне без защитной оболочки наблюдается по- сле 200 °С. Продемонстрирована нелинейная зависи- мость сдвига резонансной длины волны ВБР, записан- ной в оптическом волокне с позолоченной оболочкой при температурах 600–800 °С. Влияние нелинейной зависимости сдвига резонансной длины волны ВБР от температуры на результаты экспериментальных изме- рений деформаций исследуется в работе [21]. В работе [22] приводятся исследования применения регенериро- ванных ВБР для высокотемпературных приложений. Анализ экспериментальных результатов по выдержке исследуемых ВБР в течение 9000 ч при температурах от 760 до 890 °С показал значительное изменение как от- ражательной способности ВБР, так и сдвига резонанс- ной длины волны. В работе [23] отмечается, что на ста- бильность показаний ВБР датчиков также влияет рас- стояние от анализатора сигналов до брэгговской решетки. Авторы демонстрируют заметный разброс резонансной длины волны и мощности отраженного сигнала при расположении ВБР на расстоянии 25 км от интеррогатора. Для стабилизации показаний предложе- на волоконно-оптическая схема с использованием коль- цевого лазера на легированном эрбием волокне. Аналогичные исследования на проверку работоспо- собности ВБР проводились для отрицательных темпе- ратур, в том числе и криогенных. Так, в работе [24] представлена модель, описывающая поведение оптиче- ского волокна, покрытого металлом. Металлическая оболочка служит как для защиты ВБР, так и в качестве исполнительного механизма для повышения чувстви- тельности ВБР к изменению температуры. Работоспо- собность волоконно-оптических датчиков при криоген- ных температурах открывает возможности для таких приложений, как мониторинг хранения сжиженного природного газа [25], а также для разработки сенсорных систем, работающих в космическом пространстве и в криогенных средах с несколькими источниками элек- тромагнитных помех, таких как сверхпроводящие маг- ниты [26–28]. Помимо использования ВБР в качестве датчика температуры или термокомпенсационного датчика ис- следуются возможности приложений ВБР, в качестве датчика влажности. В работе [29] представлены датчики относительной влажности на основе брэгговской ре- шетки, предназначенные для обнаружения движения влаги через образцы различных типов конструкционно- го бетона. Интересное решение для непосредственного измерения содержания влаги в камнях при помощи во- локонно-оптического датчика было предложено в [30]. Данная работа направлена на обеспечение раннего пре- дупреждения о впитывании влаги и связанном с этим риском для сохранения целостности камня. При этом особый интерес вызывает изучение и выявление разру- шения защитных гидрофобных слоев при помощи ВОД. Было изготовлено два прототипа датчиков влажности на основе ВБР и проведены эксперименты с целью изу- чения возможности мониторинга в режиме реального времени содержания воды и уровня влажности внутри камней вместе с износом защитного слоя. Несмотря на большое разнообразие разработанных приложений для применения датчиков на основе ВБР в различных сферах, наблюдается недостаточное коли- чество работ, которые бы описывали стабильность из- меряемых с помощью ВБР деформаций в течение дли- тельного промежутка времени при разных климатиче- ских условиях. В настоящей работе было проведено исследование стабильности показаний ВОД при различных темпера- турах и относительной влажности воздуха в течение длительного промежутка времени (550–900 ч). Для ис- следования выбраны нормальный (45–55 %) и повы- шенный уровни (85–95 %) относительной влажности воздуха и уровни отрицательной и положительной тем- пературы, при которых наиболее вероятна эксплуатация рассматриваемых ВОД.

About the authors

G. S Serovaev

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of Russian Academy of Science

N. A Kosheleva

Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of Russian Academy of Science

References

  1. Applications of Fiber Bragg Grating Sensors in the Industry / F. Sales, F. Mota, L. Moura, G. Guimarães, A. Alexandria // International Journal of Advanced Engineering Research and Science. – 2019. – Vol. 6, no. 12. – P. 238–250. doi: 10.22161/ijaers.612.21
  2. Recent progress of fiber-optic sensors for the structural health monitoring of civil infrastructure / T. Wu, G. Liu, S. Fu, F. Xing // Sensors (Switzerland). – 2020. – Vol. 20, no. 16. – P. 1– 25. doi: 10.3390/s20164517
  3. Arena M., Viscardi M. Strain state detection in composite structures: Review and new challenges // Journal of Composites Science. – 2020. – Vol. 4, no. 2. doi: 10.3390/jcs4020060
  4. Дифференцирование дефектов в ПКМ по отклику во- локонно-оптических сенсоров (обзор). Часть I / Л.А. Кашари- на, В.В. Махсидов, О.И. Смирнов, И.А. Рузаков // Труды ВИАМ. – 2019. – № 2. – С. 97–104. doi: 10.18577/2307-6046- 2019-0-2-97-104
  5. Кашарина Л.А., Махсидов В.В. Дифференцирование дефектов в ПКМ по отклику волоконно-оптических сенсоров (обзор). Часть II // Труды ВИАМ. – 2019. – № 6. – С. 43–50. doi: 10.18577/2307-6046-2019-0-6-43-50
  6. Applications of fiber optic sensors in traffic monitoring: a review / M. Tekinay, T. Sylvester, M. Brunton, T. Ganesh // Innovative Infrastructure Solutions. – 2023. – Vol. 8, no. 3. – P. 1–10. doi: 10.1007/s41062-023-01057-1
  7. Research on new FBG displacement sensor and its application in Beijing Daxing Airport project / J. Lv, Z. Hu, G. Ren, C. Zhang, Y. Liu // Optik (Stuttg). – 2019. – Vol. 178. – P. 146– 155. doi: 10.1016/j.ijleo.2018.09.117
  8. Taheri S. A review on five key sensors for monitoring of concrete structures // Construction and Building Materials. – 2019. – Vol. 204. – P. 492–509. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.01.172
  9. Экспериментальные исследования возможности оцен- ки ресурса эксплуатации композитных конструкций при их силовом нагружении и промышленных строительных конст- рукций / С.О. Козельская [и др.] // Вестник ТГТУ. – 2021. – № 1. – С. 132–148. doi: 10.17277/vestnik.2021.01.pp.132-148
  10. Мониторинг нагруженности композитной конструк- ции арочного моста на основе волоконно-оптических датчи- ков / А.Е. Раскутин [и др.] // Труды ВИАМ. – 2018. – № 3. – С. 49–59. doi: 10.18577/2307-6046-2018-0-3-49-59
  11. Choi Y., Abbas S.H., Lee J.R. Aircraft integrated structural health monitoring using lasers, piezoelectricity, and fiber optics // Measurement. – 2018. – Vol. 125. – P. 294–302. doi: 10.1016/j.measurement.2018.04.067
  12. Load monitoring of aircraft landing gears using fiber optic sensors / A. Iele, M. Leone, M. Consales, G.V. Persiano, A. Brindisi, S. Ameduri, A. Concilio, M. Ciminello, A. Apicella, F. Bocchetto, A. Cusano // Sensors and Actuators A: Physical. – 2018. – Vol. 281. – P. 31–41. doi: 10.1016/j.sna.2018.08.023
  13. Prediction of the business jet Global 7500 wing deformed shape using fiber Bragg gratings and neural network / T. Klotz, R. Pothie, D. Walch, T. Colombo // Results in Engineering. – 2021. – Vol. 9. doi: 10.1016/j.rineng.2020.100190
  14. Rocha H., Semprimoschnig C., Nunes J.P. Sensors for process and structural health monitoring of aerospace composites: A review // Engineering Structures. – 2021. – Vol. 237. doi: 10.1016/j.engstruct.2021.112231
  15. Fibre Bragg gratings in structural health monitoring – Present status and applications / M. Majumder, T.K. Gangopadhyay, A.K. Chakraborty, K. Dasgupta, D.K. Bhattacharya // Sensors and Actuators A: Physical. – 2008. – Vol. 147, no. 1. – P. 150–164. doi: 10.1016/j.sna.2008.04.008
  16. Stability monitoring of surrounding rock mass on a forked tunnel using both strain gauges and FBG sensors / Y. Li, H. Wang, W. Cai, S. Li, Q. Zhang // Measurement. – 2020. – Vol. 153. – P. 107449. doi: 10.1016/j.measurement.2019.107449
  17. Review of fiber optic sensors in geotechnical health monitoring / Y. Zheng, Z.W. Zhu, W. Xiao, Q.X. Deng // Optical Fiber Technology. – 2020. – Vol. 54. doi: 10.1016/j.yofte.2019.102127
  18. Applications of FBG-based sensors to ground stability monitoring / A.-B. Huang, C.-C. Wang, J.-T. Lee, Y.-T. Ho // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. – 2016. – Vol. 8, no. 4. – P. 513–520. doi: 10.1016/j.jrmge.2016.01.007
  19. Application of FBG sensors for geotechnical health monitoring, a review of sensor design, implementation methods and packaging techniques / C.Y. Hong, Y.F. Zhang, M.X. Zhang, L.M.G. Leung, L.Q. Liu // Sensors and Actuators A: Physical. – 2016. – Vol. 244. – P. 184–197. doi: 10.1016/j.sna.2016.04.033
  20. Wu W., Liu X. Investigation on high temperature characteristics of FBG sensors // Optik. – 2015. – Vol. 126, no. 20. – P. 2411–2413. doi: 10.1016/j.ijleo.2015.06.009
  21. Estimation of nonlinear dependence of fiber Bragg grating readings on temperature and strain using experimental data / I. Shardakov, A. Shestakov, I. Glot, V. Epin, G. Gusev, R. Tsvetkov // Frattura ed Integrita Strutturale. – 2022. – Vol. 16, no. 62. – P. 561–572. doi: 10.3221/IGF-ESIS.62.38
  22. Laffont G., Cotillard R., Ferdinand P. 9000 hours-long high temperature annealing of regenerated fiber Bragg gratings // Fifth European Workshop on Optical Fibre Sensors. – SPIE, 2013. – P. 87941X. doi: 10.1117/12.2025838
  23. Chang Y.J., Yeh C.H., Chow C.W. Reliability of stable fiber Bragg grating sensor system for monitoring temperature and strain individually // Measurement Science and Technology. – 2019. – Vol. 30, no. 10. doi: 10.1088/1361-6501/ab2290
  24. Vendittozzi C., Felli F., Lupi C. Modeling FBG sensors sensitivity from cryogenic temperatures to room temperature as a function of metal coating thickness // Optical Fiber Technology. – 2018. – Vol. 42. – P. 84–91. doi: 10.1016/j.yofte.2018.02.017
  25. A cryogenic sensor based on fiber Bragg grating for storage monitoring of liquefied natural gas / W. Hong, S. Shen, Z. Wang, Z. Wang, W. Cai // Cryogenics. – 2019. – Vol. 97. – P. 7–12. doi: 10.1016/j.cryogenics.2018.11.001
  26. Fiber Bragg Gratings for Sensing Temperature and Stress in Superconducting Coils / R. Rajinikumar, K.G. Narayankhedkar, G. Krieg, M. Suber, A. Nyilas, K.P. Weiss // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2006. – Vol. 16, no. 2. – P. 1737–1740. doi: 10.1109/TASC.2005.864332
  27. Validation of a novel fiber optic strain gauge in a cryogenic and high magnetic field environment / B. Scott, L. M’hamed, M.T. Adrian, G. Yunxin, B. Hugh, G. Paul, L. Mengche // Cryogenics. – 2010. – Vol. 50, no. 10. – P. 700–707. doi: 10.1016/j.cryogenics.2010.07.005
  28. Fiber Bragg Grating cryosensors for superconducting accelerator magnets / A. Chiuchiolo, M. Bajko, J.C. Perez, H. Bajas, M. Consales, M. Giordano, G. Breglio, A. Cusano // IEEE Photonics Journal. – 2014. doi: 10.1109/JPHOT.2014.2343994
  29. Optical fiber sensors for monitoring ingress of moisture in structural concrete / T.L. Yeo, M.A.C. Cox, L.F. Boswell, T. Sun, K.T.V. Grattan // Review of Scientific Instruments. – 2006. doi: 10.1063/1.2200744
  30. Polymer-coated FBG humidity sensors for monitoring cultural heritage stone artworks / M. Caponero, R. D'Amato, A. Polimadei, G. Terranova // Measurement. – 2018. – Vol. 125. – P. 325–329. doi: 10.1016/j.measurement.2018.04.072
  31. Mechanical Properties of Optical Fibers / P. Antunes, F. Domingues [et al.] // Selected Topics on Optical Fiber Technology. – London, InTech. – 2012. – 668 p. doi: 10.5772/2429
  32. Use of the mark-tracking method for optical fiber characterization / V. Chean, E. Robin, R. El Abdi, J-C. Sangleboeuf, P. Houizot // Optics Laser Technology. – 2011. – Vol. 43, no. 7. – P. 1172–1178. doi: 10.1016/j.optlastec.2011.03.004
  33. Othonos A., Kalli K., Pureur D., Mugnier A. Fibre Bragg Gratings // Wavelength Filters in Fibre Optics. – Springer Berlin Heidelberg. – 2006. – P. 189–269. doi: 10.1007/3-540-31770-8_6

Statistics

Views

Abstract - 79

PDF (Russian) - 44

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Serovaev G.S., Kosheleva N.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies