10.14489/td.2019.09.pp.028-036

2019, 09 сентябрь (September)

DOI: 10.14489/td.2019.09.pp.028-036

Поляков А. В.
ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ В ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
(c. 28-36)

Аннотация. Предложен способ теоретической оценки долговечности кварцевых волоконных световодов, используемых в волоконно-оптических датчиках в качестве чувствительного элемента, в зависимости от нестационарных продольных напряжений, возникающих при динамических изменениях температуры. Разработанная аналитическая модель учитывает конструктивные особенности волокна (диаметры сердцевины и оболочки, металлическое или полимерное покрытие), типы легирования, относительную влажность окружающей среды, а также температурную зависимость энергии активации, модуля Юнга оптического волокна, коэффициента линейного расширения металлического покрытия. Путем численного моделирования проведены оценка срока службы световодов при динамических воздействиях измеряемой температуры и сравнение с экспериментальными данными.

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, температура, динамическое воздействие, долговечность оптоволокна.

Polyakov A. V.
EFFECT OF DYNAMIC STRESSES ON THE DURABILITY OF QUARTZ OPTICAL FIBERS IN OPTOELECTRONIC MEASUREMENT DEVICES
(pp. 28-36)

Abstract. The method of a theoretical estimation of optical fiber durability used in optical fiber sensors as a sensitive element, depending on the nonstationary longitudinal strain arising at dynamic temperature changes is offered. The developed analytical model takes into account design features of a fiber (diameters of a core and cladding, a metal or polymeric covering), doping types, relative humidity of an environment, as well as the temperature dependence of the activation energy and the Young's modulus of the optical fiber, the linear expansion coefficient of the metallic coating. Numerical modeling of optical fiber service life time at dynamic influences of measured temperature and comparison with experimental data is carried out.

Keywords: fiber optic sensor, temperature, dynamic stresses, optical fiber durability.

+ - Информация об авторах (About the Authors) Click to collapse

Рус

А. В. Поляков (Белорусский государственный университет, Минск, Республика Беларусь) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Eng

A. V. Polyakov (Belarusian State University, Minsk, Republic of Belarus) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

+ - Библиографический список (References) Click to collapse

Рус

1. Браун Д., Рогачев Д. Распределенные системы контроля температуры на базе современных волоконно-оптических датчиков // Технологии ТЭК. 2005. № 1. С. 5 – 11.
2. Поляков А. В. Волоконно-оптическая система скважинной термометрии рециркуляционного типа // Известия вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55. № 9. С. 84 – 90.
3. Ровин С. Л., Ровин Л. Е., Емельянов Р. В. Рекуператор для высокотемпературного подогрева дутья // Литье и металлургия. 2011. Т. 62. № 3. С. 171 – 175.
4. Поляков А. В. Рециркуляционный волоконно-оптический датчик температуры // Измерительная техника. 2002. № 4. С. 40 – 43.
5. Polyakov A. V., Ksenofontov M. A. Quasi-distributed recirculation fiber-optic temperature sensor // Optical Memory and Neural Networks. 2009. V. 18. No. 4. Р. 271 – 277.
6. Поляков А. В. Волоконно-оптические датчики: современное состояние и перспективы развития // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. № 6. С. 42 – 46.
7. Wang Y., Liu W., Fu I., Chen D. Quasi-distributed fiber Bragg grating sensor system based on a Fourier domain mode locking fiber laser // Laser Physics. 2009. V. 19. No. 3. P. 450 – 454.
8. Поляков А. В. Рециркуляционные оптоволоконные измерительные системы. Минск: БГУ, 2014. 208 с.
9. Поляков А. В., Прокопенкова Т. Д. Квазирас-пределенная волоконно-оптическая система измерения температуры рециркуляционного типа на основе технологии спектрального мультиплексирования // Приборы и методы измерений. 2017. Т. 8. № 2. С. 131 – 141.
10. Matthewson M. J. Optical fiber mechanical testing techniques // Critical Reviews of Optical Science and Technology. 1993. V. CR50. P. 32 – 59.
11. Severin I., El Abdi R., Poulain M. Strength measurements of silica optical fibers under severe environment // Optics & Laser Technology. 2007. V. 39. No. 2. P. 435 – 441.
12. Богатырев В. А., Бубнов М. М., Вечканов Н. Н. и др. Прочность стеклянных волоконных светово-дов большой длины // Тр. ИОФАН. 1987. Т. 5. С. 60 – 71.
13. Семенов С. Л. Долговечность оптического волокна // Фотон-Экcпресс. 2003. № 5. С. 28–29.
14. Никоноров Н. В., Евстропьев С. К. Оптическое материаловедение: основы прочности оптического стекла. СПб.: ИТМО, 2009. 102 с.
15. Kukushkin S. A. Nucleation of pores in brittle solids under load // Journal of Applied Physics. 2005. V. 98. No. 3. P. 033503 – 033512.
16. Кукушкин С. А., Осипов А. В., Шлягин М. Г. Образование микропор в оптическом волокне под воз-действием импульсного УФ-света высокой интенсивности // Журнал технической физики. 2006. Т. 76. № 8. С. 74 – 85.
17. Леко В. К., Мазурин О. В. Свойства кварцевых стекол. Л.: Наука, 1985. 385 с.
18. Дяченко А. А., Шушпанов О. Е., Прокофьев Л. П., Щербаков В. В. Влияние релаксационных свойств материалов первичных покрытий на прочность и долговечность световодов // Журнал радиоэлектроники. 2004. № 4. С. 74 – 79.
19. Wiederhorn S. M. A chemical interpretation of static fatigue // Journal of the American Ceramic Society. 1972. V. 55. № 2. P. 81 – 85.
20. Bogatyrjov V. A., Bubnov M. M., Dianov E. M. et al. Mechanical reliability of polyamer-coated and hermetically coated optical fiber based on proof testing // Optical Engineering. 1991. V. 30. No. 6. P. 690 – 698.
21. Evano N., El Abdib R., Poulain M. Lifetime modeling of silica optical ﬁber in static fatigue test // Journal of Applied Research and Technology. 2016. V. 14. No. 6. P. 278 – 285.
22. Wiederhorn S. M., Bolz L. H. Stress corrosion and static fatigue of glass // Journal of the American Ceramic Society. 1970. V. 53. No. 10. P. 543 – 549.
23. Куксеино В. С., Петров В. А., Савицкий А. В. Прочность и долговечность бездефектных волокон с позиций кинетической теории разрушения // Доклады АН СССР. 1989. Т. 304. № 6. С. 1354 – 1357.
24. Shiue Y. S., Matthewson M. J. Apparent activa-tion energy for fused silica optical ﬁbers in static fatigue in aqueous environments // Journal of the European Ceramic Society. 2002. V. 22. No. 13. P. 2325 – 2332.
25. Рахимов Н. Р., Серьезнов А. Н., Верещагин П. А. Волоконно-оптическая система для обнаружения, регистрации зарождения и распространения усталостных трещин элементов строительных конструкций // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2007. Т. 4. № 2. С. 184 – 187.
26. Бартенев Г. М. Прочность и механизм разрушения полимеров. М.: Химия, 1984. 280 с.
27. Абрамов А. А., Бубнов М. М., Вечканов Н. Н. и др. Температуростойкие волоконно-оптические модули // Тр. ИОФАН. 1987. Т. 5. С. 72 – 82.
28. Поляков А. В. Волоконно-оптические информационно-измерительные WDM-системы. Riga, Latvia: LAMBERT Academic Publishing RU, 2018. 319 c.
29. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. М.: Эко-Трендз, 2000. 268 c.
30. Ксенофонтов М. А., Поляков А. В. Влияние динамических тепловых воздействий на прочность волоконных световодов // Электроника-инфо. 2007. № 10. С. 55 – 59.
31. Лунин Б. С., Торбин С. Н. О температурной зависимости модуля Юнга чистых кварцевых стекол // Вестник Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2000. Т. 41. C. 172–173.
32. Семенов С. Л. Надежность, прочность, старение и деградация волоконных световодов // Воло-конно-оптические технологии, материалы и устройства: сб. тр. Учебно-научного центра волоконно-оптических материалов и устройств. М., 2000. № 3. С. 47 – 63.
33. Дяченко А. А., Шушпанов О. Е. Термодинамическая модель разрушения кварцевого стекла и световодов // Нелинейный мир. 2009. Т. 7. № 4. С. 239 – 283.

Eng

1. Braun D., Rogachev D. (2005). Distributed temperature control systems based on modern fiber-optic sensors. Tekhnologii TEK, (1), pp. 5 – 11. [in Russian language]
2. Polyakov A. V. (2012). Recycled Fiber Optic System for Downhole Thermometry. Izvestiya vuzov. Priborostroenie, 55(9), pp. 84 – 90. [in Russian language]
3. Rovin S. L., Rovin L. E., Emel'yanov R. V. (2011). Recuperator for high temperature blast heating. Lit'e i metallurgiya, 62(3), pp. 171 – 175. [in Russian language]
4. Polyakov A. V. (2002). Recycled Fiber Optic Temperature Sensor. Izmeritel'naya tekhnika, (4), pp. 40 – 43. [in Russian language]
5. Polyakov A. V., Ksenofontov M. A. (2009). Quasi-distributed recirculation fiber-optic temperature sensor. Optical Memory and Neural Networks, 18(4), pp. 271 – 277.
6. Polyakov A. V. (2007). Fiber optic sensors: current status and development prospects. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika, (6), pp. 42 – 46. [in Russian language]
7. Wang Y., Liu W., Fu I., Chen D. (2009). Quasi-distributed fiber Bragg grating sensor system based on a Fourier domain mode locking fiber laser. Laser Physics, 19(3), pp. 450 – 454.
8. Polyakov A. V. (2014). Recycled fiber optic measuring systems. Minsk: BGU. [in Russian language]
9. Polyakov A. V., Prokopenkova T. D. (2017). Quasi-distributed fiber-optic temperature measuring system of recirculation type based on spectral multiplexing technology. Pribory i metody izmereniy, 8(2), pp. 131 – 141. [in Russian language]
10. Matthewson M. J. (1993). Optical fiber mechanical testing techniques. Critical Reviews of Optical Science and Technology, Vol. CR50, pp. 32 – 59.
11. Severin I., El Abdi R., Poulain M. (2007). Strength measurements of silica optical fibers under severe environment. Optics & Laser Technology, 39(2), pp. 435 – 441.
12. Bogatyrev V. A., Bubnov M. M., Vechkanov N. N. et al. (1987). Durability of long fiber glass fibers. Trudy IOFAN, Vol. 5, pp. 60 – 71. [in Russian language]
13. Semenov S. L. (2003). Optical fiber longevity. Foton-Ekspress, (5), pp. 28–29. [in Russian language]
14. Nikonorov N. V., Evstrop'ev S. K. (2009). Optical material science: the basics of the strength of optical glass. Saint Petersburg: ITMO. [in Russian language]
15. Kukushkin S. A. (2005). Nucleation of pores in brittle solids under load. Journal of Applied Physics, Vol. 98, (3), pp. 033503 – 033512.
16. Kukushkin S. A., Osipov A. V., Shlyagin M. G. (2006). Micropore formation in optical fiber under the influence of high-intensity pulsed UV light. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki, 76(8), pp. 74 – 85. [in Russian lan-guage]
17. Leko V. K., Mazurin O. V. (1985). Properties of quartz glasses. Leningrad: Nauka. [in Russian language]
18. Dyachenko A. A., Shushpanov O. E., Prokof'ev L. P., Shcherbakov V. V. (2004). Effect of relaxation properties of primary coating materials on the strength and durability of optical fibers. Zhurnal radioelektroniki, (4), pp. 74 – 79. [in Russian language]
19. Wiederhorn S. M. (1972). A chemical interpretation of static fatigue. Journal of the American Ceramic Society, 55(2), pp. 81 – 85.
20. Bogatyrjov V. A., Bubnov M. M., Dianov E. M. et al. (1991). Mechanical reliability of polyamer-coated and hermetically coated optical fiber based on proof testing. Optical Engineering, 30(6), pp. 690 – 698.
21. Evano N., El Abdib R., Poulain M. (2016). Life-time modeling of silica optical ﬁber in static fatigue test. Journal of Applied Research and Technology, 14(6), pp. 278 – 285.
22. Wiederhorn S. M., Bolz L. H. (1970). Stress corrosion and static fatigue of glass. Journal of the American Ceramic Society, 53(10), pp. 543 – 549.
23. Kukseino V. S., Petrov V. A., Savitskiy A. V. (1989). Strength and durability of defect-free fibers from the standpoint of the kinetic theory of fracture. Doklady AN SSSR, 304(6), pp. 1354 – 1357. [in Russian language]
24. Shiue Y. S., Matthewson M. J. (2002). Apparent activation energy for fused silica optical ﬁbers in static fatigue in aqueous environments. Journal of the European Ceramic Society, 22(13), pp. 2325 – 2332.
25. Rahimov N. R., Ser'eznov A. N., Vereshchagin P. A. (2007). Fiber-optic system for detecting, recording the nucleation and propagation of fatigue cracks in structural elements. Interekspo Geo-Sibir', Vol. 4, (2), pp. 184 – 187. [in Russian language]
26. Bartenev G. M. (1984). Strength and fracture mechanism of polymers. Moscow: Himiya. [in Russian language]
27. Abramov A. A., Bubnov M. M., Vechkanov N. N. et al. (1987). Temperature resistant fiber optic modules. Trudy IOFAN, Vol. 5, pp. 72 – 82. [in Russian language]
28. Polyakov A. V. (2018). Fiber-optic information-measuring WDM-systems. Riga, Latvia: LAMBERT Aca-demic Publishing RU. [in Russian language]
29. Ubaydullaev R. R. (2000). Fiber optic networks. Moscow: Eko-Trendz. [in Russian language]
30. Ksenofontov M. A., Polyakov A. V. (2007). The influence of dynamic thermal effects on the strength of optical fibers. Elektronika-info, (10), pp. 55 – 59. [in Russian language]
31. Lunin B. S., Torbin S. N. (2000). On the temperature dependence of the Young's modulus of pure quartz glasses. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 2. Himiya, Vol. 41, pp. 172–173. [in Russian language]
32. Semenov S. L. (2000). Reliability, strength, aging and degradation of fiber. Fiber-optic technologies, materials and devices: proceedings of the Educational and Scientific Center for Fiber-Optic Materials and Devices, (3), pp. 47 – 63. Moscow. [in Russian language]
33. Dyachenko A. A., Shushpanov O. E. (2009). Thermodynamic model of the destruction of quartz glass and optical fibers. Nelineyniy mir, (4), pp. 239 – 283. [in Russian language]

+ - Заказать электронную версию статьи (Purchase digital version of a single article) Click to collapse

Рус

Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).

Стоимость статьи 350 руб. (в том числе НДС 18%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.

После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.

Для заказа скопируйте doi статьи:

10.14489/td.2019.09.pp.028-036

и заполните форму

Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.

Eng

This article is available in electronic format (PDF).

The cost of a single article is 350 rubles. (including VAT 18%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.

After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.

To order articles please copy the article doi:

10.14489/td.2019.09.pp.028-036

and fill out the form