RU2723921C1 - Способ измерения деформаций - Google Patents
Способ измерения деформаций Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723921C1 RU2723921C1 RU2019136251A RU2019136251A RU2723921C1 RU 2723921 C1 RU2723921 C1 RU 2723921C1 RU 2019136251 A RU2019136251 A RU 2019136251A RU 2019136251 A RU2019136251 A RU 2019136251A RU 2723921 C1 RU2723921 C1 RU 2723921C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical fiber
- measuring
- bragg gratings
- sections
- deformations
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для нахождения функций распределения осевых деформаций. Способ измерения деформаций включает измерение функции пространственного распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками посредством измерения информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками. Искомую функцию распределения осевых деформаций находят как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-рода, описывающего функционирование оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками, при этом брэгговскую решетку выполняют слабоотражающей и протяженной вдоль оптического волокна. Технический результат заключается в расширении диапазона и повышении точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля. 3 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для нахождения функций распределения осевых деформаций, в частности, в аэрокосмической технике, нефтегазовой промышленности и медико-биологических исследованиях.
При разработке современных оптоволоконных сенсорных систем с брэгговскими решетками для диагностирования пространственных неоднородных полей деформирования, в частности, внутри полимерных композитных конструкций актуальной остается проблема «расшифровки» сложных информативных оптических сигналов отражения от системы неоднородно деформированных брэгговских решеток с взаимопересекающимися спектрами отражения.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ измерения деформации конструкции из композиционного материала, согласно которому вначале измеряют спектр (в частности, положение пиков) интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками, далее, размещают оптическое волокно с брэгговскими решетками внутри композиционного материала или элемента конструкции в процессе его изготовления. Затем измеряют спектр (в частности, положение пиков) и смещения пиков интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками, по значениям которых определяют искомую функцию распределения осевой деформации по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками из решения системы алгебраических уравнений, описывающих математическую модель оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками и функциональные зависимости параметров конструкции, с внедренным в нее оптоволокном и нагруженной эксплуатационными термосиловыми воздействиями (патент RU №2427795 от 27.08.2011), Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ измерения деформации, включающий измерение функции пространственного распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками посредством измерения информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками.
Недостатками известного способа измерения деформации, принятого за прототип, является узкий диапазон и невысокая точность результатов измерения функции распределения осевой деформации для протяженных участков контроля, что обусловлено требованием наличия большого числа различных локальных брэгговских решеток, рабочие частотные диапазоны (спектры и, в частности, положения пиков) которых не должны пересекаться между собой.
Задачей изобретения является расширение диапазона и повышение точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерения деформаций, включающем измерение функции пространственного распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками посредством измерения информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками, согласно изобретению искомую функцию распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками находят как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-рода, описывающего функционирование оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками, при этом брэгговскую решетку выполняют слабоотражающей и протяженной вдоль оптического волокна.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - искомую функцию распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками находят как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-рода, описывающего функционирование оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками; брэгговскую решетку выполняют слабоотражающей и протяженной вдоль оптического волокна.
Такой способ измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля позволяет использовать результаты измерений полного информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками (не ограничиваясь лишь информативными значениями резонансных частот для пиков). Благодаря этому достигается заявленный технический результат: расширение диапазона и повышение точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля.
Расширение диапазона результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля обуславливается допустимостью пересечений (в том числе, однородностью) рабочих частотных диапазонов информативных спектров интенсивностей отраженных световых волн от локальных участков оптического волокна с брэгговскими решетками.
Распределенный и слабоотражающий характер используемых брэгговских решеток (в частности, объединенных в одну непрерывную однородную брэгговскую решетку) позволяет перейти от измерения функции распределения осевых деформаций для локальных участков контроля (на локальных участках размещения брэгговских решеток) к измерению функции распределения осевых деформаций для протяженного непрерывного участка контроля, в частности, вдоль всего оптического волокна, в результате повышается точность измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют расширить диапазон и повысить точность результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 дано взаимное расположение сферического дефекта и участка с распределенной брэгговской решеткой (пунктирная линия) оптоволокна, где интенсивности проходящей ID и отраженной IR составляющих входящего I0 светового потока, коэффициент отражения , величина всестороннего растяжения σ области со сферическим дефектом, координатные оси r1,2,3.
На фиг. 2 даны зависимости коэффициента отражения от длины волны λ входящего в оптоволокно света I0 для нагруженной среды с дефектом на расстоянии z0/a=1.1 (Δ), 1.001 , 0.5 , 0 (о), без дефекта , для ненагруженной среды при относительной длине брэгговской решетки .
На фиг. 3 дана найденная функции плотности распределения осевых деформаций ƒε(e) для случаев отсутствия дефекта и наличия сферического дефекта на расстоянии z0/a=1.1 при длине брэгговской решетки .
Способ измерения деформаций осуществляется в следующей последовательности.
Для осуществления способа используют оптическое волокно с протяженной слабоотражающей брэгговской решеткой.
Волоконная брэгговская решетка представляет собой оптический интерферометр, встроенный в оптическое волокно, в частности, - это периодическое изменение с периодом Λ0 показателя преломления в сердцевине одномодового оптического волокна. В результате, интенсивность входящей в оптическое волокно волны I0 с брэгговской центральной длиной λ0 имеет как проходящую ID, так и отраженную IR составляющие, при этом коэффициент отражения .
Способ измерения деформаций предполагает, что спектры отражения от различных фрагментов неоднородной деформированной брэгговской решетки перекрываются и слабоотражательный характер решеток позволяет допустить линейное суммирование коэффициентов отражения от различных локальных малых участков однородности в целом неоднородной деформированной брэгговской решетки для каждой длины волны входящего в оптоволокно света.
Искомая функция распределения ƒε(е) осевых деформаций ε по длине оптоволоконного датчика с распределенной слабоотражающей брэгговской решеткой находится как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода
по результатам измеряемых значений производной для коэффициентов отражения на «входе/выходе» оптоволокна по длине λ входящих в оптоволокно волн, где искомая функция , ядро Фредгольма рассчитывают через известную функцию коэффициентов отражения для некоторой «базовой» однородной решетки (длиной ) с центральной длиной волны отраженного света λ0 и длиной падающей световой волны λ. При этом в начальном недеформированном состоянии базовая распределенная брэгговская решетка имеет постоянный по длине оптоволокна период, но в результате появления неоднородных по длине оптоволокна диагностируемых осевых деформаций ε(z) базовая однородная распределенная брэгговская решетка трансформируется в неоднородную по оси z оптоволокна решетку, что обуславливает соответствующие информативные изменения коэффициентов отражения для различных длин λ входящих в оптоволокно волн.
Указанный технический результат, а именно расширение диапазона и повышение точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля, подтвержден результатами численного моделирования и анализом закономерности влияния на информативные изменения коэффициентов отражения света на входе/выходе из оптоволокна для различных модельных и реальных законов распределения диагностируемых осевых деформаций по длине датчика.
Реализация предлагаемого способа представлена на фиг. 1-3 для случая нахождения функций плотностей распределений осевых деформаций (вдоль распределенной брэгговской решетки оптоволокна) в окрестности сферического дефекта (поры) с радиусом а в деформируемой среде при ее всестороннем растяжении.
Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет расширить диапазон и повысить точности результатов измерения функции распределения осевых деформаций для протяженных участков контроля по сравнению с известным техническим решением.
Claims (1)
- Способ измерения деформаций, включающий измерение функции пространственного распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками посредством измерения информативного спектра интенсивностей отраженных световых волн от участков оптического волокна с брэгговскими решетками, отличающийся тем, что искомую функцию распределения осевых деформаций по участкам оптического волокна с брэгговскими решетками находят как решение интегрального уравнения Фредгольма 1-рода, описывающего функционирование оптического волокна с деформируемыми брэгговскими решетками, при этом брэгговскую решетку выполняют слабоотражающей и протяженной вдоль оптического волокна.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136251A RU2723921C1 (ru) | 2019-11-11 | 2019-11-11 | Способ измерения деформаций |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136251A RU2723921C1 (ru) | 2019-11-11 | 2019-11-11 | Способ измерения деформаций |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2723921C1 true RU2723921C1 (ru) | 2020-06-18 |
Family
ID=71096237
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019136251A RU2723921C1 (ru) | 2019-11-11 | 2019-11-11 | Способ измерения деформаций |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2723921C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2808931C1 (ru) * | 2022-10-07 | 2023-12-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03252501A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-11 | Fujitsu Ltd | 歪分布測定方法 |
JP3252501B2 (ja) * | 1992-12-02 | 2002-02-04 | キヤノン株式会社 | 画像形成装置 |
JP2009020003A (ja) * | 2007-07-12 | 2009-01-29 | Nippon Steel & Sumikin Welding Co Ltd | 光ファイバセンサ及び歪観測システム |
RU2427795C1 (ru) * | 2009-12-03 | 2011-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ измерения деформации конструкции из композиционного материала |
RU163305U1 (ru) * | 2015-03-18 | 2016-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационное предприятие "НЦВО-ФОТОНИКА" (ООО ИП "НЦВО-Фотоника") | Волоконно-оптический датчик деформации (продольного растяжения/сжатия) |
-
2019
- 2019-11-11 RU RU2019136251A patent/RU2723921C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03252501A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-11 | Fujitsu Ltd | 歪分布測定方法 |
JP3252501B2 (ja) * | 1992-12-02 | 2002-02-04 | キヤノン株式会社 | 画像形成装置 |
JP2009020003A (ja) * | 2007-07-12 | 2009-01-29 | Nippon Steel & Sumikin Welding Co Ltd | 光ファイバセンサ及び歪観測システム |
RU2427795C1 (ru) * | 2009-12-03 | 2011-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ измерения деформации конструкции из композиционного материала |
RU163305U1 (ru) * | 2015-03-18 | 2016-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационное предприятие "НЦВО-ФОТОНИКА" (ООО ИП "НЦВО-Фотоника") | Волоконно-оптический датчик деформации (продольного растяжения/сжатия) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2808931C1 (ru) * | 2022-10-07 | 2023-12-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Khalid et al. | Simulation and analysis of Gaussian apodized fiber Bragg grating strain sensor | |
Jin et al. | On crack propagation monitoring by using reflection spectra of AFBG and UFBG sensors | |
Kisała et al. | Method of simultaneous measurement of two direction force and temperature using FBG sensor head | |
Chamoin et al. | An educational review on distributed optic fiber sensing based on Rayleigh backscattering for damage tracking and structural health monitoring | |
Igawa et al. | Distributed measurements with a long gauge FBG sensor using optical frequency domain reflectometry (1st report, system investigation using optical simulation model) | |
Kablov et al. | Application of optical fiber as strain gauges in polymer composite materials | |
Colpo et al. | Characterization of residual strains in an epoxy block using an embedded FBG sensor and the OLCR technique | |
RU2427795C1 (ru) | Способ измерения деформации конструкции из композиционного материала | |
Bai et al. | An ultrasonic sensor composed of a fiber Bragg grating with an air bubble for underwater object detection | |
RU2723921C1 (ru) | Способ измерения деформаций | |
Obaton et al. | Tilted fibre Bragg gratings and phase sensitive-optical low coherence interferometry for refractometry and liquid level sensing | |
US20140247453A1 (en) | Broadband fiber sensor array | |
Kisała | Measurement of the maximum value of non-uniform strain using a temperature-insensitive fibre Bragg grating method | |
Hassoon et al. | Numerical Simulation of Fiber Bragg Grating Spectrum for Mode-І Delamination Detection | |
Egorova et al. | Investigation of bending effects in chirped FBGs array in multicore fiber | |
Murayama et al. | Distributed strain measurement with high spatial resolution using fiber Bragg gratings and optical frequency domain reflectometry | |
Zhang et al. | Detection of fatigue crack propagation through damage characteristic FWHM using FBG sensors | |
US20230137926A1 (en) | System for measuring microbends and arbitrary microdeformations along a three-dimensional space | |
Zhou et al. | Modeling of a sampled apodized fiber Bragg grating moisture sensor | |
Theodosiou et al. | Improvements on the cross-correlation algorithm used for tracking fractional Bragg grating wavelength shifts in multimode fibres | |
WO2020117457A1 (en) | High resolution distributed sensor utilizing offset core optical fiber | |
Vikulov et al. | Selection of the optimal FBG length for use in stress-strain state diagnostic systems | |
Su et al. | Spectral characterization of polarization dependent loss in fiber Bragg grating under local pressure and the analysis of secondary peak | |
Kisała | Detection of material defects with indirect method by determining the linear expansion with FBG sensor | |
KR102359024B1 (ko) | 카이랄 동작 변곡점 벡터 측정이 가능한 브래그 격자 기반의 광섬유 센서 및 그 제작 방법 |