|
DOI: 10.14489/td.2023.04.pp.024-037
Федотов М. Ю.
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ТОПОЛОГИИ И ОПРОСА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ (обзор)
(c. 24-37)
Аннотация. Сформулированы общие требования к формированию пространственных топологий квазираспределенных волоконно-оптических систем встроенного контроля на основе волоконных брэгговских решеток для монолитных и трехслойных конструкций из полимерных композитных материалов. Рассмотрены основные типы пространственных топологий волоконно-оптических датчиков для реализации эффективной квазираспределенной системы встроенной диагностики композитных конструкций. Проанализированы основные методы опроса массивов волоконно-оптических датчиков, формирующих квазираспределенную систему встроенной диагностики композитных конструкций, приведены обзор и анализ технических характеристик зарубежного и отечественного опросного оборудования. Установлено, что для практических приложений с учетом относительной простоты физической реализации и доступности опросного оборудования целесообразно применять смешанную топологию волоконно-оптических датчиков, включающую в себя элементы последовательной и звездной топологий, при этом наиболее оптимальным является метод спектрального разделения каналов.
Ключевые слова: квазираспределенный волоконно-оптический датчик, пространственная топология, композитная конструкция, метод опроса, устройство опроса, встроенная диагностика, волоконная брэгговская решетка.
Fedotov M. Yu.
METHODS FOR THE FORMATION OF SPATIAL TOPOLOGY AND INTERROGATION OF FIBER-OPTIC SENSORS FOR DIAGNOSTICS OF COMPOSITE STRUCTURES (Review)
(pp. 24-37)
Abstract. The paper formulates general requirements for the formation of spatial topologies of quasi-distributed fiber-optic systems of embedded monitoring based on fiber Bragg gratings for monolithic and three-layer structures made of polymer composite materials. The main types of spatial topologies of fiber-optic sensors for the implementation of an effective quasi-distributed system of embedded diagnostics of composite structures are considered. The main methods for interrogating arrays of fiber-optic sensors that form a quasi-distributed system of embedded diagnostics of composite structures are analyzed, an overview and analysis of the technical characteristics of foreign and domestic interrogation equipment is given. It has been established that for practical applications, taking into account the relative simplicity of physical implementation and the availability of interrogation equipment, it is advisable to use a mixed topology of fiber-optic sensors, which includes elements of serial and star topologies, with he spectral channel separation method being the most optimal.
Keywords: quasi-distributed fiber optic sensor, spatial topology, composite structure, interrogation method, interrogator, embedded diagnostics, fiber Bragg grating.
М. Ю. Федотов (Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН), Новосибирск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
M. Yu. Fedotov (Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia)
1. Валуева М. И., Зеленина И. В., Мишуров К. С., Гуляев И. Н. Обзор публикаций по разработкам лопаток из полимерных композиционных материалов для вентилятора авиационного двигателя // Вестник машиностроения. 2019. № 2. С. 34 – 41.
2. Гуняева А. Г., Курносов А. О., Гуляев И. Н. Высокотемпературные полимерные композиционные материалы, разработанные во ФГУП «ВИАМ», для авиационно-космической техники: прошлое, настоящее, будущее (обзор) // Труды ВИАМ. 2021. № 1(95). С. 43 – 53. DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-1-43-53
3. Насонов Ф. А. Отработка приемов минимизации смещения сотового заполнителя при формовании конструкций из полимерных композиционных материалов // Труды МАИ. 2014. № 74. С. 30.
4. Бабайцев А. В., Насонов Ф. А., Рабинский Л. Н., Ян Н. М. Применение метода зондирующих отверстий и метода корреляции цифровых изображений для определения остаточных напряжений в полимерном композитном материале // Механика композиционных материалов и конструкций. 2021. Т. 27, № 3. С. 427 – 440. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2021.27.03.427_440.09
5. Серьезнов А. Н., Степанова Л. Н., Кабанов С. И. и др. Испытания образцов из углепластика с ударными повреждениями с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии // Контроль. Диагностика. 2022. Т. 25, № 7(289). С. 14 – 25. DOI: 10.14489/td.2022.07.pp.014-025
6. Анискович В. А., Будадин О. Н., Козельская С. О. и др. Интегрирование волоконно-оптических датчиков в композитный цилиндрический корпус из углепластика, изготовленный способом непрерывной намотки // Контроль. Диагностика. 2022. Т. 25, № 2(284). С. 16 – 23. DOI: 10.14489/td.2022.02.pp.016-023
7. Серьезнов А. Н., Степанова Л. Н., Кабанов С. И. и др. Локация сигналов акустической эмиссии в образцах из дюралюминия и углепластика с использованием антенны, состоящей из волоконно-оптических датчиков и пьезопреобразователей // Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24, № 2(272). С. 18 – 29. DOI: 10.14489/td.2021.02.pp.018-029
8. Москвичева Е. Д. Возможные пути и проблемы внедрения технологий встроенного контроля в композитные конструкции гражданского авиастроения // XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодежная научная конференция, посвященная 60-летию со дня осуществления Первого полета человека в космическое пространство и 90-летию Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева-КАИ. Материалы конференции: сб. докл.: в 6 т., Казань, 10–11 ноября 2021 г. Казань, 2021. С. 138 – 141.
9. Федотов М. Ю., Будадин О. Н., Васильев С. А. и др. Влияние интеграции волоконно-оптических датчиков на механические свойства полимерных композиционных материалов // Контроль. Диагностика. 2019. № 2. С. 22 – 30. DOI: 10.14489/td.2019.02.pp.022-030
10. Федотов М. Ю., Будадин О. Н., Козельская С. О. Технологические аспекты создания волоконно-оптической системы неразрушающего контроля трехслойных композитных конструкций // Контроль. Диагностика. 2019. № 7. С. 24 – 29. DOI: 10.14489/td.2019.07.pp.024-029
11. Махсидов В. В., Федотов М. Ю., Гончаров В. А., Сорокин К. В. Механические свойства полимерных композиционных материалов с интегрированным оптическим волокном: обзор // Деформация и разрушение материалов. 2014. № 9. С. 2 – 7.
12. Takeda N., Okabe Y., Kuwahara J., et al. Development of smart composite structures with small-diameter fiber Bragg grating sensors for damage detection: Quantitative evaluation of delamination length in CFRP laminates using Lamb wave sensing // Composites Science and Technology. 2005. V. 65. P. 2575 – 2587.
13. Мухаметов Р. Р., Ахмадиева К. Р., Деев И. С., Махсидов В. В. Защитное покрытие для волоконно-оптических датчиков // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 9(141). С. 29 – 34.
14. Федотов М. Ю., Будадин О. Н., Козельская С. О. и др. Исследование физических параметров волоконных световодов для диагностики композитных конструкций // Конструкции из композиционных материалов. 2022. № 2(166). С. 47 – 55. DOI: 10.52190/2073-2562_2022_2_47
15. Федотов М. Ю., Будадин О. Н., Козельская С. О., Васильев С. А. Исследование возможности диагностики качества композитных конструкций встроенными волоконно-оптическими датчиками на основе волоконных брэгговских решеток // Конструкции из композиционных материалов. 2021. № 2(162). С. 41 – 47. DOI: 10.52190/2073-2562_2021_2_41
16. Мунько А. С., Варжель С. В., Архипов С. В., Забиякин А. Н. Защитные покрытия волоконной решетки Брэгга для уменьшения влияния механического воздействия на ее спектральные характеристики // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15, № 2. С. 241 – 245. DOI: 10.17586/2226-1494-2015-15-2-241-245
17. Федотов М. Ю. Исследование физических параметров волоконных световодов с брэгговскими решетками для создания системы диагностики композитных конструкций // Конструкции из композиционных материалов. 2022. № 4(168). С. 62 – 67. DOI: 10.52190/2073-2562_2022_4_62
18. Федотов М. Ю., Будадин О. Н., Васильев С. А. и др. Исследование встроенной волоконно-оптической системы диагностики углепластика после воздействия технологических режимов формования // Контроль. Диагностика. 2019. № 1. С. 42 – 49. DOI: 10.14489/td.2019.01.pp.042-049
19. Matveenko V. P., Kosheleva N. A., Serovaev G. S. Strain Measurements by FBG-Based Sensors Embedded in Various Materials Manufactured by Different Technological Processes // Procedia Structural Integrity: 4th, Virtual, Funchal, Madeira, 30 aug. 2021. Virtual, Funchal, Madeira, 2021. P. 508 – 516. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.01.116
20. Матвеенко В. П., Кошелева Н. А., Сероваев Г. С. Экспериментальные и теоретические результаты, связанные с измерением деформаций, встроенными в материал волоконно-оптическими датчиками на брэгговских решетках // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2021. № 6. С. 3 – 15. DOI: 10.31857/S0572329921060088
21. Буй П. М., Белоусова Е. С., Татур С. С. Волоконно-оптические системы передачи: практикум / М-во трансп. и коммуникаций Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. Гомель: БелГУТ, 2018. 126 с.
22. Феофилактов С. В. Комбинированные системы внутрискважинной термометрии с дискретными волоконно-оптическими датчиками на основе двухэлементных брэгговских структур: дис. … канд. техн. наук; специальность 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань, 2019. 253 с.
23. Буймистрюк Г. Я. Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий // Control Engineering. 2013. № 3(45). P. 34 – 40. URL: https://controleng.ru/wp-content/uploads/ce_46_p34_volokonno-opticheskie_datchik_dlya_ekstremalnykh_uslovii.pdf
24. Шелемба И. С. Методы опроса распределенных волоконно-оптических измерительных систем и их практическое применение: дис. … канд. техн. наук.; специальность 01.04.05 «Оптика». Новосибирск, 2018. 135 с.
25. Пуговкин А. В. Основы построения инфоком-муникационных систем и сетей: учеб. пособие. Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2022. 128 с.
26. Zheng J. Analysis of Optical Frequency-Modulated Continuous-Wave Interference // Applied Optics. 2004. V. 43, No. 21. P. 4189 – 4198.
27. Гречишников В. М. Схемотехника волоконно-оптических устройств: учеб. пособие. Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. 172 с.
28. Brooks J., Wentworth R., Youngquist R., et al. Coherencemultiplexing of fiber-optic interferometric sensors // J. Lightwave Technol. 1985. V. 3. P. 1062 – 1072.
29. Волоконно-оптические датчики: Вводный курс для инженеров и научных работников / под ред. Э. Удда. М.: Техносфера, 2008. 520 с.
30. Свирский Ю. А., Трунин Ю. П., Панков А. В. и др. Бортовые системы мониторинга (БСМ) и перспективы применения в них волоконно-оптических датчиков // Композиты и наноструктуры. 2017. Т. 9, № 1(33). С. 35 – 44.
31. Зайцев М. Д., Панков А. В., Свирский Ю. А. Бортовые системы мониторинга и перспективы применения в них волоконно-оптических датчиков // Прочность конструкций летательных аппаратов: сб. ст. науч.-техн. конф., приуроченной к 110-летию со дня рождения академика А. И. Макаревского, Жуковский, 23–24 апреля 2014 г. Жуковский: Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н. Е. Жуковского, 2015. С. 60 – 68.
1. Valueva M. I., Zelenina I. V., Mishurov K. S., Gulyaev I. N. (2019). Review of publications on the development of blades from polymer composite materials for aircraft engine fan. Vestnik mashinostroeniya, (2), pp. 34 – 41. [in Russian language]
2. Gunyaeva A. G., Kurnosov A. O., Gulyaev I. N. (2021). High-Temperature Polymer Composite Materials Developed in FSUE VIAM for Aerospace Engineering: Past, Present, Future (Review). Trudy VIAM, 95(1), pp. 43 – 53. [in Russian language] DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-1-43-53
3. Nasonov F. A. (2014). Development of methods to minimize displacement of honeycomb core when molding structures made of polymer composites. Trudy MAI, 74. [in Russian language]
4. Babaytsev A. V., Nasonov F. A., Rabinskiy L. N., Yan N. M. (2021). Application of the Probing Hole Method and Digital Image Correlation Method to Determine Residual Stresses in a Polymer Composite Material. Mekhanika kompozitsionnyh materialov i konstruktsiy, Vol. 27 (3), pp. 427 – 440. [in Russian language] DOI: 10.33113/mkmk.ras.2021.27.03.427_440.09
5. Ser'eznov A. N., Stepanova L. N., Kabanov S. I. et al. (2022). Testing of cfrp specimens with impact damage using the acoustic emission method and tensometry. Kontrol'. Diagnostika, Vol. 25 7(289). С. 14 – 25. DOI: 10.14489/td.2022.07.pp.014-025
6. Aniskovich V. A., Budadin O. N., Kozel'skaya S. O. et al. (2022). Integration of FOS into a composite cylindrical body made of CFRP by continuous winding. Kontrol'. Diagnostika, Vol. 25 2(284), pp. 16 – 23. [in Russian language] DOI: 10.14489/td.2022.02.pp.016-023
7. Ser'eznov A. N., Stepanova L. N., Kabanov S. I. et al. (2021). Acoustic emission signals location in duralumin and carbon fiber samples by optical fiber and piezoelectric transducer sensors antenna. Kontrol'. Diagnostika, Vol. 24 2(272), pp. 18 – 29. [in Russian language] DOI: 10.14489/td.2021.02.pp.018-029
8. Moskvicheva E. D. (2021). Possible ways and problems of implementation of embedded control technologies in composite structures of civil aircraft construction. XXV Tupolev Readings (School of young scientists): International youth scientific conference dedicated to the 60th anniversary of the first human space flight and the 90th anniversary of Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI. Conference Proceedings: collection of reports: in 6 volumes, pp. 138 – 141. Kazan'. [in Russian language]
9. Fedotov M. Yu., Budadin O. N., Vasil'ev S. A. et al. (2019). The effect of integration of fiber optic sensors on the mechanical properties of polymer composite materials. Kontrol'. Diagnostika, (2), pp. 22 – 30. [in Russian language] DOI: 10.14489/td.2019.02.pp.022-030
10. Fedotov M. Yu., Budadin O. N., Kozel'skaya S. O. (2019). Technological aspects of creating a fiber-optic non-destructive testing of sandwich composite structures. Kontrol'. Diagnostika, (7), pp. 24 – 29. [in Russian language] DOI: 10.14489/td.2019.07.pp.024-029
11. Mahsidov V. V., Fedotov M. Yu., Goncharov V. A., Sorokin K. V. (2014). Mechanical properties of polymer composites with integrated optical fiber: a review. Deformatsiya i razrushenie materialov, (9), pp. 2 – 7. [in Russian language]
12. Takeda N., Okabe Y., Kuwahara J., et al. (2005). Development of smart composite structures with small-diameter fiber Bragg grating sensors for damage detection: Quantitative evaluation of delamination length in CFRP laminates using Lamb wave sensing. Composites Science and Technology, Vol. 65, pp. 2575 – 2587.
13. Muhametov R. R., Ahmadieva K. R., Deev I. S., Mahsidov V. V. (2016). Protective coating for fiber optic sensors. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya, 141(9), pp. 29 – 34. [in Russian language]
14. Fedotov M. Yu., Budadin O. N., Kozel'skaya S. O. et al. (2022). Study of physical parameters of fibers of light guides for diagnostics of composite structures. Konstruktsii iz kompozitsionnyh materialov, 166(2), pp. 47 – 55. [in Russian language] DOI: 10.52190/2073-2562_2022_2_47
15. Fedotov M. Yu., Budadin O. N., Kozel'skaya S. O., Vasil'ev S. A. (2021). Study of the possibility of diagnosing the quality of composite structures by builtin fiber-optic sensors based on fiber Bragg gratings. Konstruktsii iz kompozitsionnyh materialov, 162(2), pp. 41 – 47. [in Russian language] DOI: 10.52190/2073-2562_2021_2_41
16. Mun'ko A. S., Varzhel' S. V., Arhipov S. V., Zabiyakin A. N. (2015). Protective coatings of the Bragg fiber grating to reduce the effect of mechanical impact on its spectral characteristics. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik informatsionnyh tekhnologiy, mekhaniki i optiki, Vol. 15 (2), pp. 241 – 245. [in Russian language] DOI: 10.17586/2226-1494-2015-15-2-241-245
17. Fedotov M. Yu. (2022). Study of physical parameters of fiber light guides with Bragg gratings to create a diagnostic system for composite structures. Konstruktsii iz kompozitsionnyh materialov, 168(4), pp. 62 – 67. [in Russian language] DOI: 10.52190/2073-2562_2022_4_62
18. Fedotov M. Yu., Budadin O. N., Vasil'ev S. A. et al. (2019). Research of the integrated fiber-optic system for the diagnosis of carbon fiber reinforced plastic after the impact of technological molding modes. Kontrol'. Diagnostika, (1), pp. 42 – 49. [in Russian language] DOI: 10.14489/td.2019.01.pp.042-049.
19. Matveenko V. P., Kosheleva N. A., Serovaev G. S. (2021). Strain Measurements by FBG-Based Sensors Embedded in Various Materials Manufactured by Different Technological Processes. Procedia Structural Integrity: 4th, Virtual, Funchal, Madeira, pp. 508 – 516. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.01.116
20. Matveenko V. P., Kosheleva N. A., Serovaev G. S. (2021). Experimental and theoretical results related to the measurement of deformations by fiber-optic sensors embedded in the material on Bragg gratings. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Mekhanika tverdogo tela, (6), pp. 3 – 15. [in Russian language] DOI: 10.31857/S0572329921060088
21. Buy P. M., Belousova E. S., Tatur S. S. (2018). Fiber Optic Transmission Systems: Workshop. Ministry of Transport and Communications of the Republic of Belarus, Belarusian State University of Transport. Gomel': BelGUT. [in Russian language]
22. Feofilaktov S. V. (2019). Combined downhole thermometry systems with discrete fiber optic sensors based on dualelement Bragg structures. Kazan'. [in Russian language]
23. Buymistryuk G. Ya. (2013). Fiber optic sensors for extreme conditions. Control Engineering, 45(3), pp. 34 – 40. Available at: https://controleng.ru/wp-content/uploads/ce_46_p34_volokonno-opticheskie_datchik_dlya_ekstremal-nykh_uslovii.pdf [in Russian language]
24. Shelemba I. S. (2018). Methods of interrogation of distributed fiber optic measurement systems and their practical application. Novosibirsk. [in Russian language]
25. Pugovkin A. V. (2022). Fundamentals of building infocommunication systems and networks: textbook. Tomsk: Tomskiy gosudarstvenniy universitet sistem upravleniya i radioelektroniki. [in Russian language]
26. Zheng J. (2004). Analysis of Optical Frequency-Modulated Continuous-Wave Interference. Applied Optics, Vol. 43 21, pp. 4189 – 4198.
27. Grechishnikov V. M. (2018). Circuitry of Fiber Optic Devices: Textbook. Samara: Izdatel'stvo Samarskogo universiteta. [in Russian language]
28. Brooks J., Wentworth R., Youngquist R., et al. (1985). Coherencemultiplexing of fiber-optic interferometric sensors. Journal of Lightwave Technology, Vol. 3, pp. 1062 – 1072.
29. Udd E. (Ed.) (2008). Fiber Optic Sensors: An Introductory Course for Engineers and Scientists. Moscow: Tekhnosfera. [in Russian language]
30. Svirskiy Yu. A., Trunin Yu. P., Pankov A. V. et al. (2017). On-Board Monitoring Systems (OBS) and prospects of application of fiber-optic sensors in them. Kompozity i nanostruktury, Vol. 9 33(1), pp. 35 – 44. [in Russian language]
31. Zaytsev M. D., Pankov A. V., Svirskiy Yu. A. (2015). On-Board Monitoring Systems and Prospects of Application of Fiber-Optic Sensors in Them. Strength of Aircraft Structures: Collection of Articles from the Scientific and Technical Conference Dedicated to the 110th Anniversary of Academician A. I. Makarevsky, pp. 60 – 68. Zhukovskiy: Tsentral'niy aerogidrodinamicheskiy institut im. prof. N. E. Zhukovskogo. [in Russian language]
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 500 руб. (в том числе НДС 20%). 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.2023.04.pp.024-037
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 500 rubles. (including VAT 20%). 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.2023.04.pp.024-037
and fill out the form
.
|
">
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»