|
DOI: 10.14489/td.2023.05.pp.014-025
Федотов М. Ю.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВСТРОЕННОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
(pp. 14-25)
Аннотация. Представлены результаты теоретических исследований системы оптического контроля полимерных композитов методом двух оптических волокон, имеющих различную чувствительность к деформации и температуре, с помощью интегрированных массивов волоконных брэгговских решеток. Рассмотрены особенности первичной обработки данных от интегрированной в композит системы оптического контроля методами взвешенного среднего и аппроксимации функцией Гаусса. Получены основные соотношения для расчета погрешности определения температуры и деформации с помощью волоконно-оптических систем встроенного контроля. Построена численная модель опросного устройства, позволяющая оценить систематическую погрешность измерений деформации и температуры, в том числе с учетом шума реального опросного устройства. Показано, что с учетом ряда допущений для задачи одновременного встроенного контроля композитов волоконными брэгговскими решетками целесообразно применять метод первичной обработки данных контроля с использованием аппроксимации реальных спектров волоконных брэгговских решеток функцией Гаусса, при этом для повышения достоверности контроля нужно учитывать температурную поправку, характерную для конкретного опросного устройства.
Ключевые слова: полимерный композит, оптический контроль, волоконная брэгговская решетка, опросное устройство, метод двух волокон, взвешенное среднее, аппроксимация, погрешность определения деформации, погрешность определения температуры.
Fedotov M. Yu.
THEORETICAL RESEARCHES OF THE EMBEDDED FIBER-OPTIC SYSTEM OF TESTING DEFORMATION AND TEMPERATURE OF POLYMER COMPOSITES
(pp. 14-25)
Abstract. This article describes the results of theoretical researches of the system of optical testing of polymer composites by the method of two optical fibers with different sensitivity to deformation and temperature, using integrated arrays of fiber Bragg gratings. The features of the primary data processing from the optical testing system embedded into the composite are considered by the methods of weighted arithmetic mean and approximation by the Gaussian function. The basic relations for calculating the error in determining the temperature and strain with the help of fiber-optic embedded testing systems are obtained. A numerical model of the interrogator has been constructed, which makes it possible to estimate the systematic error of deformation and temperature measurements, including taking into account the noise of a real interrogator. It is shown that, taking into account a number of assumptions for the problem of simultaneous embedded testing of composites with fiber Bragg gratings, it is advisable to apply he method of primary processing of testing data using the approximation of the real spectra of fiber Bragg gratings by the Gaussian function, while in order to increase the reliability of testing, it is necessary to take into account the temperature correction characteristic of a particular interrogating device.
Keywords: polymer composite, optical control, fiber Bragg grating, interrogator, two-fiber method, weighted arithmetic mean, approximation, strain error, temperature error.
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) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Склезнев А. А., Червяков А. А., Агапов И. Г. Решение задачи оптимизации в целях проектирования сетчатой структуры из полимерных композиционных материалов с наружной обшивкой // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2022. Т. 25, № 4. С. 70 – 82. DOI: 10.26467/2079-0619-2022-25-4-70-82. EDN XEKPCU.
2. Валуева М. И., Зеленина И. В., Начаркина А. В., Ахмадиева К. Р. Технологические особенности получения высокотемпературных полиимидных углепластиков. Зарубежный опыт (обзор) // Тр. ВИАМ. 2022. № 6(112). С. 80 – 95. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-6-80-95. EDN UYLWDH.
3. Гуляев И. Н. Углеродные тензорезисторные встроенные сенсорные элементы для контроля высоко-нагруженных конструкций из углепластиков // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76, № 10. С. 46 – 51. EDN MWHUIZ.
4. Рузаков И. А. Мониторинг деформационного состояния элементов конструкции из ПКМ на основе волоконно-оптических датчиков: обзор // Тр. ВИАМ. 2019. № 4(76). С. 88 – 98. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-4-88-98. EDN RPTDBX.
5. Анискович В. А., Будадин О. Н., Козельская С. О. и др. Определение температурной чувствительности сенсоров на основе ВБР // Контроль. Диагностика. 2022. Т. 25, № 5(287). С. 26 – 33. DOI: 10.14489/td.2022.05.pp.026-033. EDN EJGOGQ.
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. EDN TAMZWW.
7. Сорокин К. В., Гончаров В. А., Шиенок А. М., Федотов М. Ю. Возможности оптоволоконных сенсоров на основе брэгговских решеток в информкомпозитах для регистрации ударного воздействия // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. № 12. С. 2 – 6. EDN ROODRJ.
8. Федотов М. Ю., Гончаров В. А., Шиенок А. М., Сорокин К. В. Исследование изгибных деформаций углепластика оптоволоконными сенсорами на брэгговских решетках // Вопросы материаловедения. 2013. № 2(74). С. 139 – 147. EDN QYWEFN.
9. Черторийский А. А., Веснин В. Л. Быстродействующая измерительная система на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков для исследования деформации и температуры // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 4. С. 144 – 150. EDN IAQVPT.
10. Веснин В. Л. Метод гауссовской аппроксимации пика спектра отражения волоконнооптического брэгговского датчика // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2003. Т. 5, № 1. С. 156 – 164. EDN GRFIBR.
11. Федотов М. Ю. Применение волоконно-оптических датчиков для одновременного контроля деформаций и температуры композитных конструкций // Сенсорное слияние-2021: III Всесоюзный конгресс по сенсорному приборостроению. Тезисы докладов, Санкт-Петербург – Кронштадт, 27–28 мая 2021 г. / под ред. Г. Я. Буймистрюка. СПб. – Кронштадт: Центральный научно-исследовательский институт управления, экономики и информации Росатома, 2021. С. 8. EDN TDKHQK.
12. Sivanesan P., Sirkis J. S., Murata Y., Buckley S. G. Optimal Wavelength Pair Selection and Accuracy Analysis of Dual Fiber Grating Sensors for Simultaneously Measuring Strain and Temperature // Opt. Eng. 2002. V. 41, No. 10. P. 2456 – 2463.
13. Shu X., Liu Y., Zhao D., et al. Dependence of Temperature and Strain Coefficients on Fiber Grating Type and its Application to Simul taneous Temperature and Strain Measurement // Optics letters. 2002. V. 27, No. 9. P. 701.
14. I-MON USB: электрон. текстовые, граф. дан. в формате *.html URL: https://ibsen.com/products/interrogation-monitors/i-mon-usb/ (дата обращения: 21.12.2022 г.).
1. Skleznev A. A., Chervyakov A. A., Agapov I. G. (2022). Solving the optimization problem for the design of a mesh structure made of polymer composites with an outer skin. Nauchniy vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta grazhdanskoy aviatsii, Vol. 25 (4), pp. 70 – 82. [in Russian language]. DOI: 10.26467/2079-0619-2022-25-4-70-82. EDN XEKPCU.
2. Valueva M. I., Zelenina I. V., Nacharkina A. V., Ahmadieva K. R. (2022). Technological features of production of high-temperature polyimide carbon plastics. Foreign experience (review). Trudy VIAM, 112(6), pp. 80 – 95. [in Russian language] DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-6-80-95. EDN UYLWDH.
3. Gulyaev I. N. (2010). Carbon strain gauge embedded sensor elements for monitoring high-stress structures made of carbon fiber reinforced plastics. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov, Vol. 76 (10), pp. 46 – 51. [in Russian language] EDN MWHUIZ.
4. Ruzakov I. A. (2019). Monitoring of the deformation state of pcm structural elements based on fiber optic sensors: an overview. Trudy VIAM, 76(4), pp. 88 – 98. [in Russian language] DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-4-88-98. EDN RPTDBX.
5. Aniskovich V. A., Budadin O. N., Kozel'skaya S. O. et al. (2022). Identification of temperature sensitivity detector on fiber Bragg grating (FBG) sensor. Kontrol'. Diagnostika, Vol. 25 287(5), pp. 26 – 33. [in Russian language]. DOI: 10.14489/td.2022.05.pp.026-033. EDN EJGOGQ.
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. 25 284(2), pp. 16 – 23. [in Russian language]. DOI: 10.14489/td.2022.02.pp.016-023. EDN TAMZWW.
7. Sorokin K. V., Goncharov V. A., Shienok A. M., Fedotov M. Yu. (2013). Possibilities of fiber optic sensors based on Bragg gratings in informcomposites for shock registration. Vse materialy. Entsiklopedicheskiy spravochnik, (12), pp. 2 – 6. [in Russian language]. EDN ROODRJ.
8. Fedotov M. Yu., Goncharov V. A., Shienok A. M., Sorokin K. V. (2013). Investigation of bending deformations of carbon fiber reinforced plastic with fiber optic sensors on Bragg gratings. Voprosy materialovedeniya, 74(2), pp. 139 – 147. [in Russian language]. EDN QYWEFN.
9. Chertoriyskiy A. A., Vesnin V. L. (2007). Rapid measurement system based on fiber Bragg sensors for strain and temperature studies. Pribory i tekhnika eksperimenta, (4), pp. 144 – 150. [in Russian language]. EDN IAQVPT.
10. Vesnin V. L. (2003). Gaussian approximation method for peak reflection spectrum of fiber Bragg sensor. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, Vol. 5 (1), pp. 156 – 164. [in Russian language]. EDN GRFIBR.
11. Fedotov M. Yu. (2021). Application of fiberoptic sensors for simultaneous control of deformations and temperature of composite structures. Sensor fusion-2021: III All-Union Congress on Sensor Instrumentation. Abstracts. Saint Petersburg – Kronshtadt: Tsentral'niy nauchno-issledovatel'skiy institut upravleniya, ekonomiki i informatsii Rosatoma. [in Russian language]. EDN TDKHQK.
12. Sivanesan P., Sirkis J. S., Murata Y., Buckley S. G. (2002). Optimal Wavelength Pair Selection and Accuracy Analysis of Dual Fiber Grating Sensors for Simultaneously Measuring Strain and Temperature. Optical Engineering, Vol. 41 (10), pp. 2456 – 2463.
13. Shu X., Liu Y., Zhao D., et al. (2002). Dependence of Temperature and Strain Coefficients on Fiber Grating Type and its Application to Simul taneous Temperature and Strain Measurement. Optics letters, Vol. 27 (9).
14. I-MON USB. Available at: https://ibsen.com/products/interrogation-monitors/i-mon-usb/ (Accessed: 21.12.2022 г.).
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.2023.05.pp.014-025
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.2023.05.pp.014-025
and fill out the form
.
|
Текущий номер
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»