НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-5-809-817
УДК 681.787+681.7.063+ 681.7.068+53.082.54
ОБНАРУЖЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА
Читать статью полностью
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 частотой 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 одиночные 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, измеренных 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 соответственно. 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
Список литературы
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 fatigue 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 monitoring of aircraft composite structures: Recent advances and ap6. Baker A., Dutton S., Kelly D. Composite materials for aircraft 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 parameters 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., Чиргин М.А., Беликин М.Н. Подстройка центральной длины волны источника оптического излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконных брегговских решеток // Научно-технический вестник информационных технологий, 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
