Меню
Публикации
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор
НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры
doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-5-738-744
УДК 53.087:504.064.36
Разработка волоконно-оптической системы для мониторинга геотехнических сооружений
Читать статью полностью
Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования:
Аннотация
Ссылка для цитирования:
Никулин И.Л., Рофер Ю.И. Разработка волоконно-оптической системы для мониторинга геотехнических сооружений // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 5. С. 738–744. doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-5-738-744
Аннотация
Введение. В работе представлена концепция точечного амплитудного датчика регистрации смещения геотекстиля — синтетической ткани, армирующей геотехнические сооружения, подобные дамбе. Применение систем непрерывного контроля состояния строительной конструкции, основанных на идее «умного» геотекстиля, может значительно повысить безопасность объекта, предупреждая о необходимости проведения внеплановых ремонтных работ, возникновении аварийной ситуации и необходимости срочного прекращения эксплуатации объекта, эвакуации персонала или населения. Оценены возможности существующих технических решений датчиков смещения. Известно, что существующие системы мониторинга, использующие датчики на волоконных брэгговских решетках, не применимы в случае с геотекстилем. Это обусловлено большой податливостью грунта и практическим отсутствием в грунте упругой деформации. Кроме того, датчики на волоконных брэгговских решетках значительно дороже в производстве по сравнению с телекоммуникационным оптическим волокном. Метод. Одномодовое волокно в чувствительном элементе образует одну или несколько петель, зажатых между подвижными упорами, прикрепленными к корпусу и к подвижному активатору. При макроизгибе армирующего оптоволокна происходит нарушении полного внутреннего отражения, что приводит к амплитудной модуляции излучения. Макроизгиб пропорционален смещению активатора, прикрепленного к геотекстилю. В работе приведены конструкция, размеры чувствительного элемента и математические соотношения размеров и характеристик элементов конструкции для обработки сигнала. Модель датчика реализована из ABS-пластика и оптоволокна Corning SMF-28. Основные результаты. Экспериментальная установка для проверки предложенной концепции реализует контролируемое смещение активатора, ввод и вывод излучения. Определены зависимости выходной мощности от диаметра изгиба оптоволокна в интервале от 25 до 11 мм и смещения в пределах до 14 мм при длине волны излучения 1550 нм. Показано, что полученные зависимости монотонны, на них имеются квазилинейные участки. Полученные на графиках перегибы при малом диаметре изгиба оптоволокна возникают в результате интенсивного выхода излучения из сердцевины в оболочку и рассеяния в ней, а при большом диаметре — из-за малых изгибных потерь. Обсуждение. Проведенные исследования показали, что предложенный датчик позволяет надежно фиксировать смещение до 0,5 мм. Результаты обладают хорошей повторяемостью. Отметим, что датчик уступает по точности регистрации смещений грунта, но по стоимости на порядок дешевле датчиков на волоконных брэгговских решетках.
Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, амплитудный датчик, датчик смещения, мониторинг строительных сооружений,
умный геотекстиль, геотехника
Список литературы
Список литературы
- Touze-Foltz N., Bannour H., Barral C., Stoltz G. A review of the performance of geosynthetics for environmental protection // Geotextiles and Geomembranes. 2016. V. 44. P. 656–672. https://doi.org/10.1016/j.geotexmem.2016.05.008
- Obsharova A.V., Grishina A.S. Effect of the fiber reinforcement on the mechanical properties of clay soils, including properties under conditions of seasonal freezing and thawing // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 1928. P. 012067.https://doi.org/10.1088/1742-6596/1928/1/012067
- Анферов Е.П., Гришина А.С., Смирнов Р.С. Исследование возможного применения волокнистых отходов в качестве армирующих волокон для создания эффективных геотехнических конструкций // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладнаяэкология.2018. № 1(29). С. 168–177.https://doi.org/10.15593/2409-5125/2018.01.13
- Пономарев А.Б., Офрихтер В.Г. Анализ и проблемы исследований геосинтетических материалов в России // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительствоиархитектура. 2013. № 2. С. 68–73.
- Li J., Cui X.Z., Jin Q., Su J.W., Cui S.Q., Wang Y.L. Laboratory investigation of the durability of a new smart geosynthetic material // Construction and Building Materials. 2018. V. 169. Р. 28–33. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.02.187
- Wang Z., Richwien W. A study of soil-reinforcement interface friction // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2002. V. 128. N 1. P. 92–94. https://doi.org/10.1061/(asce)1090-0241(2002)128:1(92)
- Wang B.-J., Li K., Shi B., Wei G.-Q. Test on application of distributed fiber optic sensing technique into soil slope monitoring // Landslides. 2009. V. 6. N 1. P. 61–68. https://doi.org/10.1007/s10346-008-0139-y
- Nöther N. Distributed fiber sensors in river embankments: advancing and implementing the brillouin optical frequency domain analysis. Berlin, Germany: BAM-Dissertationsreihe, 2010. 143 p.
- Hong C.Y., Yin J.H., Zhang Y.F. Deformation monitoring of long GFRP bar soil nails using distributed optical fiber sensing technology // Smart Materials and Structures. 2016. V. 25. N 8. P. 085044. https://doi.org/10.1088/0964-1726/25/8/085044
- Abedi M., Kiran Sanivada U., Ali Mirian S., Hassanshahi O., Al-Jabri K., Gomes Correia A., Lourenço P.B., Fangueiro R. A self-sensing and self-heating planar braided composite for smart civil infrastructures reinforcement // Construction and Building Materials. 2023. V. 387. P. 131617. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131617
- Hatami K., Hassanikhah A., Yazdani H., Grady B.P. Tensoresistive PVC coating for sensor-enabled geogrids // Journal of Nanomechanics and Micromechanics. 2014. V. 4. N 4. P. A4013016. https://doi.org/10.1061/(asce)nm.2153-5477.0000070
- Fathi A., Hatami K., Grady B.P. Effect of carbon black structure on low-strain conductivity of polypropylene and low-density polyethylene composites // Polymer Engineering and Science. 2012. V. 52. N 3. P. 549–556. https://doi.org/10.1002/pen.22115
- Калижанова А.У., Кашаганова Г.Б., Козбакова А.Х., Едилхан Д., Амиргалиева Ж.Е., Оразбеков Ж. Анализ и исследование существующего опыта проектирования и использования различных современных волоконно-оптических датчиков для контроля состояния механических и строительных конструкций // Вестник казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева. 2021.№ 3(118).С. 112–123.https://doi.org/10.52167/1609-1817-2021-118-3-110-123
- Костиков К., Чукан Й. Тензометрические датчики силы // Компоненты и Технологии.2010. № 1(102). С. 16–18.
- Taranov M.A., Gorshkov B.G., Alekseev A.E., Konstantinov Yu.A., Turov A.T., Barkov F.L., Wang Z., Zhao Z., Zan M.S.D., Kolesnichenko E.V.Optical reflectometry, metrology, and sensing. present and future (Review) // Instruments and Experimental Techniques. 2023.V. 66. N 5. P. 713–729. https://doi.org/10.1134/s0020441223050238
- Шабалина А.С., Зайцев Д.Л., Егоров Е.В., Егоров И.В., Антонов А.Н., Бугаев А.С., Агафонов В.М., Криштоп В.Г. Молекулярно-электронные преобразователи в современных измерительных приборах // Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 9. С. 33–45.
- Вялышев А.И., Добров В.М., Долгов А.А., Бутов О.В. Плешков А.Ю. Волоконно-оптические датчики для контроля параметров состояния объектов и окружающей среды в задачах мониторинга // Природообустройство.2014. № 3. С. 32–37.
- Волоконно-оптические датчики: вводный курс для инженеров и научных работников / под ред. Э. Удда;пер. с англ. М.: Техносфера, 2008. 520 с.
- Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с.
- Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети. Владивосток: Дальнаука, 1999. 283 с.
- Кашаганова Г.Б., Касимов А.О. Технология изготовления волоконных брэгговских решеток // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество».Т. 2. 2015.С. 106–109.
- Губская О.А., Плут М.Н., Спиридонов О.Р., Фатьянова Е.В. Анализ внешних факторов, влияющих на работоспособность волоконно-оптических систем передач // Известия ТулГУ. Техническиенауки. 2020. № 5. С. 102–107.
- Guangqing W., Bin S., Xiaokui Y., Chunde P., Youqun Z., Baojun W. BOTDR based distributed strain test on bored pile buried in complicated geological ground // Journal of Engineering Geology. 2008. V. 16. N 6. P. 826–832.
- Piao C.D., Shi B., Gao L. Characteristics and application of BOTDR in distributed detection of pile foundation // Advanced Materials Research. 2011. V. 163–167. P. 2657–2665. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.163-167.2657
- Liu W., Wang H., Zhou Z., Xing X., Cao D., Jiang Z. Optical fiber-based sensors with flexible encapsulation for pavement behavior monitoring // Structural Control and Health Monitoring. 2015. V. 22. N 2. P. 301–313. https://doi.org/10.1002/stc.1674
- Abedi M., Fangueiro R., Correia A.G., Shayanfar J. Smart geosynthetics and prospects for civil infrastructure monitoring: A comprehensive and critical review // Sustainability. 2023. V. 15. N 12. P. 9258. https://doi.org/10.3390/su15129258
- Бурдышева О.В., Сушко Д.Н., Шолгин Е.С., Васильев А.Б., Дроздов И.Р., Никулин И.Л. Разработка волоконно-оптического датчика показателя преломления на макроизгибе // Вестник современной науки. 2015. № 5. С. 18–21.
- Бурдышева О.В., Никулин И.Л. Амплитудный волоконно-оптический датчик вибрации // Фотоника. 2019.Т. 13. № 1.С. 80–85.https://doi.org/10.22184/FRos.2019.13.1.80.85
- Никулин И.Л., Бурдышева О.В. Волоконно-оптическое устройство регистрации вибраций. ПатентRU179547U1. Бюл. 2018. № 14.
