DOI: 10.17586/2226-1494-2020-20-3-346-352


УДК681.2.08

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ИЗГИБОВ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В ПРОСТРАНСТВЕ



Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Егорова Д.А., Куликов А.В., Мухтубаев А.Б., Плотников М.Ю. Волоконно-оптическая измерительная система для определения положения и изгибов протяженных объектов в пространстве // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 3. С. 346–352. doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-3-346-352


Аннотация
Предмет исследования. Волоконно-оптические измерительные системы в настоящее время нашли широкое применение в различных отраслях. Большинство из таких систем представляют собой оптоволоконные устрой- ства для детектирования физических величин. Актуальными на данный момент являются разработка и создание измерительной системы для определения положения и изгибов протяженных объектов в пространстве. В работе предложен способ реализации чувствительной части волоконно-оптической измерительной системы на основе семи одномодовых волокон с массивом волоконных брэгговских решеток, скрепленных между собой. Метод. Метод определения положения и изгибов протяженных объектов в пространстве основан на нахождении осевой деформации (сжатие, растяжение) волоконных брэгговских решеток при изгибе, что позволяет рассчитать его направление и кривизну. Дальнейшее восстановление кривой в пространстве реализуется посредством решения системы дифференциальных уравнений, содержащих формулы Френе–Серре с заданными начальными условиями. Основные результаты. В работе представлены результаты эксперимента по записи массивов волоконных брэгговских решеток в одномодовые оптические волокна с учетом особенностей оптической схемы и спектра источника излучения. Разработана конструкция и создан макет волоконно-оптической измерительной системы. Получены результаты по восстановлению формы на основе экспериментальных данных. Практическая значимость. Особенностью данной системы является сформированные в оптическом волокне массивы решеток Брэгга, где каждая из волоконных брэгговских решеток характеризуется своей длиной отражения, обеспечивающей возможность измерять кривизну кабеля длиной до 1 м. Конструкция этого кабеля, основу которого представляет семь волоконно-оптических бронированных микрокабелей, уложенных с заданным шагом скрутки в процессе изготовления, позволяет регистрировать величину и направление скручивания кабеля.

Ключевые слова: оптическое волокно, массив волоконных брэгговских решеток, волоконно-оптическая измерительная система

Благодарности. Выражаются персональные благодарности заведующему лабораторией записи волоконных брэгговских решеток Университета ИТМО С.В. Варжелю и его научной группе за помощь в подготовке образцов для макета.

Список литературы
  1. Korotaev V.V., Pantiushin A.V., Serikova M.G., Anisimov A.G. Deflection measuring system for floating dry docks // Ocean Engineering. 2016. V. 117. P. 39–44. doi: 10.1016/j.oceaneng.2016.03.012
  2. Phillips T., Guenther N., McAree P.R. When the Dust Settles: the four behaviors of LiDAR in the Presence of Fine Airborne Particulates // Journal of Field Robotics. 2017. V. 34. N 5. P. 985–1009. doi: 10.1002/rob.21701
  3. Phillips T., Hahn M., McAree R. An evaluation of ranging sensor performance for mining automation applications // Proc. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics: Mechatronics for Human Wellbeing (AIM 2013). 2013. P. 1284–1289. doi: 10.1109/AIM.2013.6584271
  4. Dementyev A., Kao H.L.C., Paradiso J.A. SensorTape: modular and programmable 3D-aware dense sensor network on a tape // Proc. 28th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. Charlotte, NC, USA. 2015. P. 649–658. doi: 10.1145/2807442.2807507
  5. Danisch L., Chrzanowski A., Bond J., Bazanowski M. Fusion of geodetic and MEMS sensors for integrated monitoring and analysis of deformations // Proc. 13th FIG International Symposium on Deformation Measurements and Analysis. Lisbon, Portugal. 2008. P. 12–15.
  6. Митрофанова Т.А., Вуйко В.В., Здражевский Р.А., Потахин С.Н. Аппаратно-программный комплекс для задания пространственного положения инструментов при малоинвазивных хирургических операциях // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. Т. 4. № 2(50). С. 112–115.
  7. Plamondon A., Delisle A., Larue C., Brouillette D., McFadden D., Desjardins P., Larivière C. Evaluation of a hybrid system for three-dimensional measurement of trunk posture in motion // Applied Ergonomics. 2007. V. 38. N 6. P. 697–712. doi: 10.1016/j.apergo.2006.12.006
  8. Parent F., Mandal K.K., Loranger S., Fernandes E.H.W., Kashyap R., Kadoury S. 3D shape tracking of minimally invasive medical instruments using optical frequency domain reflectometry // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9786. P. 97862J. doi: 10.1117/12.2214998
  9. Ledermann Ch., Hergenhan J., Weede O., Woern H. Combining shape sensor and haptic sensors for highly flexible single port system using Fiber Bragg sensor technology // Proc. 8th IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications (MESA 2012). 2012. P. 196–201. doi: 10.1109/MESA.2012.6275561
  10. Pak C.-G. Wing shape sensing from measured strain // AIAA Journal. 2016. V. 54. N 3. P. 1064–1073. doi: 10.2514/1.J053986
  11. Lally E., Reaves M., Horrell E., Klute S., Froggatt M.E. Fiber optic shape sensing for monitoring of flexible structures // Proceedings of SPIE. 2012. V. 8345. P. 83452Y. doi: 10.1117/12.917490
  12. Бутов О.В., Базакуца А.П., Чаморовский Ю.К., Федоров А.Н., Шевцов И.А. Полностью волоконный высокочувствительный датчик изгиба для атомной промышленности // Фотон-Экспресс. 2019. № 6(158). С. 26–27. doi: 10.24411/2308-6920-2019-16008
  13. Park Y.-L., Elayaperumal S., Daniel B., Ryu S.C., Shin M., Savall J., Black R.J., Moslehi B., Cutkosky M.R. Real-time estimation of 3-D needle shape and deflection for MRI-guided interventions // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2010. V. 15. N 6. P. 906–915. doi: 10.1109/TMECH.2010.2080360
  14. Moore J., Rogge M. Shape sensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions // Optics Express. 2012. V. 20. N 3. P. 2967–2973. doi: 10.1364/OE.20.002967
  15. Egorova D.A., Kulikov A.V., Nikitenko A.N., Gribaev A.I., Varzhel S.V. Investigation of bending effects in chirped FBGs array in multicore fiber // Optical and Quantum Electronics. 2020. V. 52. N 2. P. 130. doi: 10.1007/s11082-020-2251-8
  16. Nishio M., Mizutani T., Taked N. Shape identification of variously-deformed composite laminates using Brillouin type distributed strain sensing system with embedded optical fibers // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6932. P. 69322P. doi: 10.1117/12.775671
  17. Duncan R.G., Froggatt M.E., Kreger S.T., Seeley R.J., Gifford D.K., Sang A.K., Wolfe M.S. High-accuracy fiber-optic shape sensing // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6530. P. 65301S. doi: 10.1117/12.720914
  18. 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
  19. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. 2nd ed. Elsevier, 2010. 632 p. doi: 10.1016/C2009-0-16830-7
  20. Othonos A. Fiber Bragg gratings // Review of Scientific Instruments. 1997. V. 68. N 12. P. 4309–4341. doi: 10.1063/1.1148392
  21. Roesthuis R.J., Janssen S., Misra S. On using an array of fiber Bragg grating sensors for closed-loop control of flexible minimally invasive surgical instruments // Proc. 26th IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems: New Horizon (IROS 2013). 2013. P. 2545–2551. doi: 10.1109/IROS.2013.6696715
  22. Moore J.P. Shape sensing using multi-core fiber // Proc. 2015 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC). 2015. P. 7121578. doi: 10.1364/OFC.2015.Th1C.2


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2020 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика