Экспериментально-теоретическое исследование влияния конструктивных элементов волоконно-оптического датчика деформации на его показания и методика корректировки передаточной функции
Автор: Созонов Н.С., Шардаков И.Н.
Статья в выпуске: 4, 2017 года.
Бесплатный доступ
Волоконно-оптические датчики (ВОД) - стремительно развивающаяся отрасль измерительной техники. Благодаря высоким эксплуатационным свойствам они постоянно расширяют сферу своего применения в различных областях техники. Во всем мире проводится большое количество исследовательских работ в данной области. Большинство опубликованных статей посвящены практическому применению ВОД и принципам их работы с точки зрения оптики и электроники. В данной статье волоконно-оптический датчик рассматривается как механическая система. Процесс формирования показаний датчика происходит при его взаимодействии с окружающей средой, являющейся носителем измеряемой величины. В этом процессе можно выделить три различных аспекта, определяющих результат измерения: физические (оптические) законы, лежащие в основе передаточной функции датчика, характер взаимодействия датчика с окружающей средой и взаимодействие структурных элементов датчика (даже в самом простом варианте ВОД можно выделить несколько элементов c различными физико-механическими параметрами). Все это играет определяющую роль в формировании показаний и должно учитываться разработчиками датчиков. В данной работе приведена методика корректировки передаточной функции ВОД, учитывающая все обозначенные аспекты формирования показаний. В качестве примера был рассмотрен волоконно-оптический датчик деформации на основе решетки Брэгга. С помощью математического моделирования определено влияние его конструкции на показания. Оценен вклад отдельных конструктивных элементов (таких как клей, оптическое волокно, подложка с технологическим отверстием и т.д.) в эту величину. Путем обобщения полученных результатов сформулирован общий алгоритм определения влияния конструктивных элементов датчика на его показания. Алгоритм опробован на существующей модели ВОД деформации. Эффективность рассмотренного метода доказана серией лабораторных экспериментов.
Волоконно-оптический датчик (вод) деформации, волоконная брэгговская решетка (вбр), математическое моделирование, лабораторные испытания
Короткий адрес: https://sciup.org/146211700
IDR: 146211700 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.12
Список литературы Экспериментально-теоретическое исследование влияния конструктивных элементов волоконно-оптического датчика деформации на его показания и методика корректировки передаточной функции
- Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении/Гармаш В.Б. //Фотон-экспресс. -2005. -№. 6. -С. 128-140.
- Буймистрюк Г.Я. Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий//Control engineering Россия. -2013. -№. 3. -С. 34-40.
- Performance assessment of FBG temperature sensors for laser ablation of tumors/W. Chen //Medical Measurements and Applications (MeMeA), IEEE International Symposium on. -IEEE, 2015. -P. 324-328 DOI: 10.1109/MeMeA.2015.7145221
- Fiber Bragg Grating-based high temperature sensor and its low cost interrogation system with enhanced resolution/V.R. Mamidi //Optica Applicata. -2014. -Vol. 44. -No. 2. -P. 299-308 DOI: 10.5277/oa140210
- Разработка чувствительного элемента волоконно-оптического тензометрического датчика на основе решеток Брэгга/А.С. Мунько //Изв. вузов. Приборостроение. -2017. -Т. 60, № 4. -С. 340-346 DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-4-340-346
- Жлуктова И.В. Разработка волоконно-оптического датчика деформации для технической диагностики высоковольтного коммутационного оборудования//Научная перспектива. -2016. -№ 2. -С. 55-57.
- Design and experimental study on FBG hoop-strain sensor in pipeline monitoring/L. Ren //Optical fiber technology. -2014. -Vol. 20. -No. 1. -P. 15-23 DOI: 10.1016/j.yofte.2013.11.004
- Design of an enhanced sensitivity FBG strain sensor and application in highway bridge engineering/L. Li //Photonic Sensors. -2014. -Vol. 4. -No. 2. -P. 162-167 DOI: 10.1007/s13320-014-0172-5
- Процедура решения задач калибровки совмещенных датчиков давления и температуры/А.Ж. Сахабутдинов //Нелинейный мир. -2015. -Т. 13, № 8. -С. 32-38.
- A high sensitive FBG pressure sensor using thin metal diaphragm/Pachava V.R. //Journal of Optics. -2014. -Vol. 43. -No. 2. -P. 117-121 DOI: 10.1007/s12596-014-0186-9
- A diaphragm-type fiber Bragg grating pressure sensor with temperature compensation/J. Huang //Measurement. -2013. -Vol. 46. -No. 3. -P. 1041-1046 DOI: 10.1016/j.measurement.2012.10.010
- Caucheteur C., Guo T., Albert J. Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection//Analytical and bioanalytical chemistry. -2015. -Vol. 407. -No. 14. -P. 3883-3897 DOI: 10.1007/s00216-014-8411-6
- From conventional sensors to fibre optic sensors for strain and force measurements in biomechanics applications: A review/P. Roriz //Journal of biomechanics. -2014. -Vol. 47. -No. 6. -P. 1251-1261 DOI: 10.1016/j.jbiomech.2014.01.054
- Петухов С.В., Явелов И.С., Рочагов А.В. Вопросы кардиопульсографии в биомеханике сердечно-сосудистой системы//Проблемы машиностроения и надежности машин. -2013. -№ 6. -С. 79-84.
- Плешков Д.И., Турбин А.И. Детектор метана как элемент системы мониторинга протяженных объектов (СМПО-М) компании «ПетроЛайт»//Русский инженер. -2015. -№ 1. -С. 38-44.
- Wang X., Wolfbeis O.S. Fiber-optic chemical sensors and biosensors (2013-2015)//Analytical chemistry. -2015. -Vol. 88. -No. 1. -P. 203-227 DOI: 10.1021/acs.analchem.5b04298
- Zhao Y., Deng Z., Wang Q. Fiber optic SPR sensor for liquid concentration measurement//Sensors and Actuators B: Chemical. -2014. -Vol. 192. -P. 229-233 DOI: 10.1016/j.snb.2013.10.108
- Overview of fiber optic sensor technologies for strain/temperature sensing applications in composite materials/M. Ramakrishnan //Sensors. -2016. -Vol. 16. -No. 1. -P. 99 DOI: 10.3390/s16010099
- Измерение неоднородных полей деформаций встроенными в полимерный композиционный материал волоконно-оптическими датчиками/А.Н. Аношкин //Изв. РАН. Механика твердого тела. -2016. -№ 5. -С. 42-51.
- Исследование микроструктурных влажностных деформаций в эпоксидном стеклопластике при тепловлажностной коррозии с помощью волоконно-оптических датчиков деформаций/А.А. Далинкевич //Коррозия: материалы, защита. -2017. -№ 3. -С. 42-46.
- Fiber Bragg grating Sensors toward structural health monitoring in composite materials: Challenges and solutions/D. Kinet //Sensors. -2014. -Vol. 14. -No. 4. -P. 7394-7419 DOI: 10.3390/s140407394
- Zhu Q., Xu C., Yang G. Experimental research on damage detecting in composite materials with FBG sensors under low frequency cycling//International Journal of Fatigue. -2017. -Vol. 101 -P. 61-66 DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.03.034
- Woschitz H., Klug F., Lienhart W. Design and calibration of a fiber-optic monitoring system for the determination of segment joint movements inside a hydro power dam//Journal of Lightwave Technology. -2015. -Vol. 33. -No. 12. -P. 2652-2657 DOI: 10.1109/JLT.2014.2370102
- Review: optical fiber sensors for civil engineering applications/C.K.Y. Leung //Materials and Structures. -2015. -Vol. 48. -No. 4. -P. 871-906 DOI: 10.1617/s11527-013-0201-7
- Barrias A., Casas J.R., Villalba S. A review of distributed optical fiber Sensors for civil engineering applications//Sensors. -2016. -Vol. 16. -No. 5 -P. 748 DOI: 10.3390/s16050748
- Определение продольных механических напряжений в трубопроводе на основании данных волоконно-оптических датчиков деформации/Р.Р. Исламов //Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. -2016. -№ 5. -С. 45-50.
- Исследование долговременной работоспособности импульсного волоконно-оптического датчика «ДИВО/40С» на реакторе БАРС-4/А.В. Васильев //Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. -2016. -№ 4. -С. 53-58.
- Разработка волоконно-оптических систем для учета, мониторинга и прогнозирования работы высоковольтного оборудования в СУБД с web-интерфейсом/М.А. Ураксеев //Электротехнические и информационные комплексы и системы. -2015. -Т. 11, № 1.
- Dziuda L. Fiber-optic sensors for monitoring patient physiological parameters: A review of applicable technologies and relevance to use during magnetic resonance imaging procedures//Journal of biomedical optics. -2015. -Vol. 20. -No. 1. -P. 010901-010901 DOI: 10.1117/1.JBO.20.1.010901
- Massaroni C., Saccomandi P., Schena E. Medical smart textiles based on fiber optic technology: an overview//Journal of functional biomaterials. -2015. -Vol. 6. -No. 2. -P. 204-221 DOI: 10.3390/jfb6020204
- Способ измерения параметров жидкостных потоков/Т.И. Мурашкина //Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии, 2015. -С. 183-190.
- Her S.C., Huang C.Y. Effect of coating on the strain transfer of optical fiber Sensors//Sensors. -2011. -Vol. 11. -No. 7. -P. 6926-6941 DOI: 10.3390/s110706926
- Наймушин И.Г., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Численный анализ деформационных процессов в оптоволоконном датчике//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2012. -№ 1. -С. 104-116.
- Design of a pressure sensor based on optical fiber Bragg grating lateral deformation/F. Urban //Sensors. -2010. -Vol. 10. -No. 12. -P. 11212-11225 DOI: 10.3390/s101211212
- Бялик А.Д., Гридчин В.А., Чебанов М.А. Особенности проектирования волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа//Омский научный вестник. -2013. -№ 3 (123). -С. 268-273.
- Tonks M.J. Modeling and testing of fast response, fiber-optic temperature sensors: PhD dissertation. -Blacksburg: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2006.
- Волоконные решетки показателя преломления и их применение/С.А. Васильев //Квантовая электроника. -2005. -№ 12. -С. 1085-1103.
- Hill K. O., Meltz G. Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview//Journal of lightwave technology. -1997. -Vol. 15. -No. 8. -P. 1263-1276 DOI: 10.1109/50.618320
- Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки/Университет ИТМО. -СПб., 2015. -65 с.
- Фрайден Дж. Современные датчики: справ. -М.: Техносфера, 2006 -592 с.
