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   |   УДК: 53.087   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.10

Investigation of the stability of FBG sensor measurements under various climatic conditions

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 %.

Еще

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
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp