Исследование стабильности показаний волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках при различных климатических условиях

Исследование стабильности показаний волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках при различных климатических условиях

Автор: Сероваев Г.С., Кошелева Н.А.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2023 года.

Бесплатный доступ

Чувствительные элементы, используемые для измерения различных параметров, в том числе деформаций, должны не только обеспечивать достоверность измеряемых величин, но и стабильность показаний в течение длительного промежутка времени при воздействии различных условий окружающей среды. Приведены результаты исследования стабильности показаний точечных волоконно-оптических датчиков на основе волоконной брэгговской решетки при различных климатических условиях. В ходе исследования регистрировались деформации оптического волокна при различных уровнях температуры и относительной влажности воздуха под действием внешней нагрузки с помощью записанной в сердцевине волоконной брэгговской решетки. Для проведения экспериментов была изготовлена оснастка, позволяющая фиксировать оптическое волокно с записанной волоконной 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 которых эксплуатируются волоконно-оптические датчики. Анализ полученных данных показал, что для исследуемых волоконно-оптических датчиков при различной относительной влажности и температуре воздуха, а также при нагрузках, соответствующих 50 и 70 % от предельной нагрузки для оптического волокна с записанной методом фазовой маски волоконной брэгговской решеткой, показания в течение исследуемого промежутка времени изменяются незначительно. Данный результат свидетельствует 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 относительной влажности воздуха от 5 до 95 %.

Еще

Волоконная брэгговская решетка, стабильность измерений, температура, относительная влажность, волоконно-оптические датчики, длительные испытания, оптическое волокно, погрешность измерений, датчики деформации, климатические условия

Короткий адрес: https://sciup.org/146282729

IDR: 146282729   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.10

Список литературы Исследование стабильности показаний волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках при различных климатических условиях

  • 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
  • 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
  • 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
  • Дифференцирование дефектов в ПКМ по отклику волоконно-оптических сенсоров (обзор). Часть I / Л.А. Кашарина, 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • Экспериментальные исследования возможности оценки ресурса эксплуатации композитных конструкций при их силовом нагружении и промышленных строительных конструкций / С.О. Козельская [и др.] // Вестник ТГТУ. – 2021. – № 1. – С. 132–148. DOI: 10.17277/vestnik.2021.01.pp.132-148
  • Мониторинг нагруженности композитной конструкции арочного моста на основе волоконно-оптических датчиков / А.Е. Раскутин [и др.] // Труды ВИАМ. – 2018. – № 3. – С. 49–59. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-3-49-59
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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 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
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp