ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПОКАЗАНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТКАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

  • Авторы: Сероваев Г.С1, Кошелева Н.А1
  • Учреждения:
    1. Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук – филиал Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук
  • Выпуск: № 4 (2023)
  • Страницы: 101–109
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/3889
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.4.10
  • Цитировать

Аннотация


Чувствительные элементы, используемые для измерения различных параметров, в том числе деформаций, должны не только обеспечивать достоверность измеряемых вели- чин, но и стабильность показаний в течение длительного промежутка времени при воздей- ствии различных условий окружающей среды. Приведены результаты исследования ста- бильности показаний точечных волоконно-оптических датчиков на основе волоконной брэгговской решетки при различных климатических условиях. В ходе исследования реги- стрировались деформации оптического волокна при различных уровнях температуры и относительной влажности воздуха под действием внешней нагрузки с помощью записан- ной в сердцевине волоконной брэгговской решетки. Для проведения экспериментов была изготовлена оснастка, позволяющая фиксировать оптическое волокно с записанной воло- конной брэгговской решеткой и прикладывать внешнюю нагрузку в виде подвешенного груза. Длительность экспериментов варьировалась в пределах от 550 до 900 ч. Диапазоны влажности и температур соответствуют наиболее распространенным значениям, при кото- рых эксплуатируются волоконно-оптические датчики. Анализ полученных данных показал, что для исследуемых волоконно-оптических дат- чиков при различной относительной влажности и температуре воздуха, а также при нагруз- ках, соответствующих 50 и 70 % от предельной нагрузки для оптического волокна с запи- санной методом фазовой маски волоконной брэгговской решеткой, показания в течение исследуемого промежутка времени изменяются незначительно. Данный результат свиде- тельствует о возможности эффективного использования волоконно-оптических датчиков на основе волоконной брэгговской решетки для проведения долговременных измерений деформаций в диапазоне температур окружающей среды от -40 до + 80°С и относитель- ной влажности воздуха от 5 до 95 %.

Полный текст

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.

Об авторах

Г. С Сероваев

Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук – филиал Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук

Н. А Кошелева

Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук – филиал Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 152

PDF (Russian) - 76

Cited-By


PlumX


© Сероваев Г.С., Кошелева Н.А., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах