DOI: 10.17586/2226-1494-2019-19-5-809-817


УДК681.787+681.7.063+ 681.7.068+53.082.54

ОБНАРУЖЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА

Власов А.А., Алейник А.С., Шуклин Ф.А., Никитенко А.Н., Моторин Е.А., Киреенков А.Ю.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Власов А.А., Алейник А.С., Шуклин Ф.А., Никитенко А.Н., Моторин Е.А., Киреенков А.Ю. Обнаружение ультразвуковых воздействий с применением волоконных решеток Брэгга // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 5. С. 809–817. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-5-809-817



Аннотация

Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования возможности применения одиночных волоконных брэгговских решеток в качестве чувствительных элементов для обнаружения ультразвуковых воздействий в газообразных или жидких средах, а также при размещении волоконных брэгговских решеток в различных материалах и конструкциях с целью мониторинга их состояния. Метод. Ультразвуковое воздействие с основной часто- той 65 кГц оказывалось поочередно на два чувствительных элемента на основе двух волоконных брэгговских решеток с различающимися параметрами — физической длиной решетки, коэффициентом отражения и крутизной наклона линейного участка спектральной характеристики. Произведен сравнительный анализ полученных данных с данными от опорного пьезоэлектрического ультразвукового датчика. Оценка результатов производилась в частотной области до 200 кГц, исследовались три первые гармоники сигнала — 65, 130 и 195 кГц. Оценивались соотношение сигнал-шум для каждого чувствительного элемента, а также отношения значений сигналов, полученных с различных чувствительных элементов. Основные результаты. Создана измерительная установка на основе малогабаритного перестраиваемого вертикально излучающего лазерного диода и программируемой логической интегральной схемы. Показано, что одиноч- ные волоконные брэгговские решетки пригодны для построения чувствительных элементов ультразвуковых датчиков и обладают сопоставимыми с пьезоэлектрическими датчиками значениями чувствительности и динамического диапазона. Проведена теоретическая оценка диапазона детектируемых частот и оценка влияния параметров брэгговской решетки на чувствительность датчика к ультразвуковому воздействию. Отношения сигналов, измеренных брэгговской решеткой с крутизной наклона спектральной характеристики 142 1/нм и коэффициентом отражения 100 %, к сигналам от решетки с наклоном 44 1/нм и отражением 40 % — 5,8, 3,8, 7,1 для 65, 130 и 195 кГц соответственно. Отношения сигналов, из- меренных опорным пьезоэлектрическим датчиком, к сигналам, измеренным брэгговской решеткой с крутизной наклона спектральной характеристики 142 1/нм и коэффициентом отражения 100 % — 3,8, 6,2, 7,7 для 65, 130 и 195 кГц соот- ветственно. Практическая значимость. Результаты исследования показывают возможность применения волоконных брэгговских решеток в качестве чувствительных элементов пороговых и измерительных ультразвуковых датчиков для размещения в объеме и на поверхности исследуемых материалов. Особенности и преимущества волоконно-оптических измерительных систем обеспечивают простоту монтажа массивов чувствительных элементов в исследуемый материал или конструкцию в процессе производства, нечувствительность к внешним электромагнитным помехам и возможность мультиплексирования большого числа чувствительных элементов на одном оптическом волокне


Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, волоконная брэгговская решетка, датчик акустической эмиссии, ультразвуковой датчик

Список литературы
1. Cusano A., Cutolo A., Albert J. Fiber Bragg grating sensors: recent advancements, industrial applications and market exploitation. Bentham Science Publishers, 2011. 322 p. doi: 10.2174/97816080508401110101
2. Jiang M., Sui Q., Jia L., Peng P., Cao Y. FBG-based ultrasonic wave detection and acoustic emission linear location system // Optoelectronics Letters. 2012. V. 8. N 3. P. 220–223. doi: 10.1007/s11801-012-1190-4
3. Tsuda H., Lee J.-R., Guan Y., Takatsubo J. Investigation of fa- tigue crack in stainless steel using a mobile fiber Bragg grating ultrasonic sensor // Optical Fiber Technology. 2007. V. 13. N 3. P. 209–214. doi: 10.1016/j.yofte.2006.12.003
4. Ефимов М.Е., Волков А.В., Литвинов Е.В. Метод контроля деформаций композитных конструкционных элементов с помощью волоконно-оптического датчика акустической эмиссии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 2. C. 212–219. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-2-212-219
5. Di Sante R. Fibre optic sensors for structural health monitor- ing of aircraft composite structures: Recent advances and ap6. Baker A., Dutton S., Kelly D. Composite materials for air- craft structures. 2nd ed. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004. 597 p.
7. Kachlakev D. Strengthening Bridges Using Composite Materials. Report FHWA-OR-RD-98-08. Oregon: Oregon State University, 1998. 186 p.
8. Roberts J.E. Composite Materials for Bridge Construction. 2002 [Электронный ресурс]. URL: http://www.quakewrap.com/ frp%20papers/CompositeMaterials-For-Bridge-Construction.pdf (дата обращения: 25.03.2019).
9. Shenoi R.A., Dulieu-Barton J.M., Quinn S., Blake J.I.R., Boyd S.W. Composite materials for marine applications: key challenges for the future // Composite Materials. 2011. P. 69–89. doi: 10.1007/978-0-85729-166-0_3
10. De Oliveira R., Ramos C.A., Marques A.T. Health monitoring of co structures by embedded FBG and interferometric Fabry- Pérot sensors // Computers & structures. 2008. V. 86. N 3-5. P. 340–346. doi: 10.1016/j.compstruc.2007.01.040
11. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. San Diego: Academic Press, 1999. 459 p.
12. Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 65 с.
13. Jung J., Nam H., Lee B., Byun J.O., Kim N.S. Fiber Bragg grating temperature sensor with controllable sensitivity // Applied Optics. 1999. V. 38. N 13. P. 2752–2754. doi: 10.1364/AO.38.002752
14. 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. (in press). doi:10.1088/1361-6501/ab2290
15. Kumari S., Roy T.K. Comparative Study of Different Type of Physical Sensors Based on Application // International Journal of Scientific Research and Review. 2019. V. 7. N 3.
16. Liu L., Zhang H., Zhao Q., Liu Y., Li F. Temperature- independent FBG pressure sensor with high sensitivity // Optical Fiber Technology. 2007. V. 13. N 1. P. 78–80. doi: 10.1016/j.yofte.2006.09.001
17. Butov O.V., Golant K.M., Grifer V.I., Gusev Y.V., Kholodkov A.V., Lanin A.V., Maksutov R.A., Orlov G.I. Versatile in-fi- ber Bragg grating pressure sensor for oil and gas industry // Proc. Optical Fiber Sensors, OFS 2006. Cancun, Mexico. Optical Society of America Publishing, 2006. P. TuB6. doi: doi. org/10.1364/OFS.2006.TuB6
18. Lavrov V.S., Kulikov A.V., Plotnikov M.U., Efimov M.E., Varzhel S.V. Study of influence of the fiber optic coatings pa- rameters on optical acoustic sensitivity // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 735. N 1. P. 012014. doi: 10.1088/1742-6596/735/1/012014
19. Власов А.А., Алейник А.С., Аширов А.Н., Плотников М.Ю., Варламов А.В. Волоконно-оптические кабели с высокой акустической изоляцией // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45. № 15. С. 29–32. doi: 10.21883/PJTF.2019.15.48083.17839
20. Fomitchov P.A., Krishnaswamy S. Response of a fiber Bragg grating ultrasonic sensor // Optical Engineering. 2003. V. 42. N 4. P. 956–964. doi: 10.1117/1.1556372
21. Betz D.C., Thursby G., Culshaw B., Staszewski W.J. Acousto- ultrasonic sensing using fiber Bragg gratings // Smart Materials and Structures. 2003. V. 12. N 1. P. 122–128. doi: 10.1088/0964- 1726/12/1/314
22. Liu T., Han M. Analysis of π-phase-shifted fiber bragg gratings for ultrasonic detection // IEEE Sensors Journal. 2012. V. 12. N 7. P. 2368–2373. doi: 10.1109/JSEN.2012.2189383
23. Алейник А.С., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Чир- гин М.А., Беликин М.Н. Подстройка центральной длины волны источника оптического излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконных брегговских решеток // Научно-технический вестник информационных техноло- гий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 5. С. 809–816. doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-5-809-816
24. Погорелая Д.А., Алейник А.С., Куликов А.В., Беликин М.Н. Разработка портативного регистратора показаний волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках // Сборник тезисов участников форума «Наука будущего — наука молодых». Нижний Новгород: ООО «Инконсалт К», 2017. С. 222–224.25. Беликин М.Н., Куликов А.В., Стригалев В.Е., Алейник А.С., Киреенков А.Ю. Исследование малогабаритного источника излучения для волоконно-оптических фазовых интерферо- метрических датчиков // Оптический журнал. 2015. Т. 82.№ 12. С. 34–40.
26. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 12. P. 540. doi: 10.1007/s11082-016-0816-3
 


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика