Математическая модель диагностирования микропористости материалов оптоволоконным датчиком с распределённой брэгговской решёткой

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Паньков А.А. Математическая модель диагностирования микропористости материалов оптоволоконным датчиком с распределённой брэгговской решёткой // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 4. С. 3–10. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-04-03-10

Pankov A.A. Mathematical model for determining the microporosity of materials using a fiber optic sensor with a distributed Bragg grating [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2020. V. 87. № 4. P. 3–10. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-04-03-10

Ссылка на англоязычную версию:

A. A. Pan’kov, "Mathematical model for determining the microporosity of materials using a fiber optic sensor with a distributed Bragg grating," Journal of Optical Technology. 87(4), 193-198 (2020). https://doi.org/10.1364/JOT.87.000193

Аннотация:

Разработана математическая модель диагностирования геометрических характеристик пористости в деформируемых полимерных материалах с использованием оптоволоконного датчика с распределённой брэгговской решёткой по результатам измерения спектров коэффициентов отражения, которые входят в интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода, решение которого — искомая функция плотности распределения осевых деформаций вдоль чувствительного участка оптоволокна с брэгговской решёткой. Представлены результаты численного моделирования диагностирования геометрических характеристик пористости: относительного объёмного содержания сферических пор и величины минимальной гарантированной прослойки между порами, расположенных в однородном упругом изотропном материале под действием внешнего гидростатического напряжения. Выявлено, что характеристики пористости могут быть найдены из функции плотности распределения деформаций вдоль чувствительного участка оптоволокна с брэгговской решёткой, найденной из решения интегрального уравнения Фредгольма на основе измеренных спектров коэффициентов отражения оптоволоконного датчика.

Ключевые слова:

оптоволокно, дифракционная решётка Брэгга, распределённый датчик, диагностика деформаций, интегральное уравнение Фредгольма, численное моделирование

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 19-41-590010.

Коды OCIS: 050.1950, 050.2770

Список источников:

1. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.
2. Guemes A., Fernandez-Lopez A., Soller B. Optical fiber distributed sensing — physical principles and applications // Structural Health Monitoring. 2010. V. 9. No. 3. P. 233–245.
3. Suresh R., Tjin S.C., Hao J. Fiber bragg grating / Smart Materials in Structural Health Monitoring, Control and Biomechanics. Berlin: Springer Heidelberg, 2012. P. 413–439.
4. Prabhugoud M., Peters K. Efficient simulation of Bragg grating sensors for implementation to damage identification in composites // Smart Materials & Structures. 2003. V. 12. No. 6. P. 914–924.
5. Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки. СПб: Университет ИТМО, 2015. 65 с.
6. Попов С.М., Фотиади А.А., Чаморовский Ю.К. Волоконные лазеры с резонатором из оптического волокна с непрерывной брэгговской решеткой / Спецвыпуск “Фотон-экспресс” наука: Тезисы докладов Всероссийской конференции по волоконной оптике. Пермь. 7–9 октября 2015 г. С. 57–58.
7. Бурдин А.В., Василец А.А., Бурдин В.А., Морозов О.Г. Распределенный сенсор на многомодовых оптических волокнах, дополненных волоконной решеткой Брэгга, функционирующих в маломодовом режиме передачи сигнала // I Всероссийская научно-практическая конференция «Оптическая рефлектоме-
трия — 2016». 26–27 мая 2016 г. Пермь. Сборник тезисов докладов. 2016. 76 с. С. 25–26.
8. Попов С.М., Бутов О.В., Волошин В.В., Воробьев И.Л., Вяткин М.Ю., Колосовский А.О., Чаморовский Ю.К. OFTD рефлектометрия оптических волокон с распределенным отражателем брэгговского типа // I Всероссийская научно-практическая конференция «Оптическая рефлектометрия — 2016». 26–27 мая 2016 г. Пермь. Сборник тезисов докладов. 2016. 76 с. С. 36–38.
9. Якушин С.С., Достовалов А.В., Вольф А.А., Парыгин А.В., Бабин С.А. Измерение величины и положения точечных температурных воздействий на длинные ВБР // I Всероссийская научно-практическая конференция «Оптическая рефлектометрия — 2016». 26–27 мая 2016 г. Пермь. Сборник тезисов докладов. 2016. 76 с. С. 39–40.
10. Zhang J. Распределенная система датчиков вибраций, использующая сигналы, отраженные слабыми волоконными брэгговскими решетками // Оптический журнал. 2018. № 7. С. 76–83.
11. Оввян А.П. Расчет однородных и неоднородных брэгговских волоконных решеток // Молодежный научно-технический вестник. Электронный журнал. Изд. ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана». 2012. № 6. http://sntbul.bmstu.ru/doc/469265.html
12. Wang Y., Gong J., Wang D.Y. et al. A quasi-distributed sensing network with time-division multiplexed fiber Bragg gratings // IEEE Photonics Technology Letters. 2011. V. 23. No. 1. P. 70–72.
13. Othonos A. Fiber Bragg gratings // Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68. No. 12. P. 4309–4341.
14. Зуев М.А., Махсидов В.В., Федотов М.Ю., Шиенок А.М. К вопросу об интеграции оптоволокна в ПКМ и измерении деформации материала с помощью волоконных брэгговских решеток // Механика композиционных материалов и конструкций. 2014. Т. 20. № 4. С. 568–574.
15. Каблов Е.Н., Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Сорокин К.В., Федотов М.Ю., Дианов Е.М., Васильев С.А., Медведков О.И. Применение оптического волокна в качестве датчиков деформации в полимерных композиционных материалах // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2010. № 3. С. 10–15.
16. Наймушин И.Г., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Численный анализ деформационных процессов в оптоволоконном датчике // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2012. № 1. С. 104–116.
17. Аношкин А.Н., Воронков А.А., Кошелева Н.А. и т.д. Измерение неоднородных полей деформаций встроенными в полимерный композиционный материал волоконно-оптическими датчиками // Изв. РАН. МТТ. 2016. № 5. С. 42–51.

18. Матвеенко В.П., Шардаков И.Н., Кошелева Н.А. Оценка технологических деформаций в полимерных композиционных образцах на основе использования внедренных волоконно-оптических датчиков деформаций // XХ Зимняя школа по механике сплошных сред. Пермь. 13–16 февраля 2017 г. Тезисы докладов. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2017. 393 с. С. 219.
19. Паньков А.А. Математическая модель диагностики деформаций оптоволоконным датчиком с распределенной брэгговской решеткой по решению интегрального уравнения Фредгольма // Механика композитных материалов. 2018. Т. 54. № 4. С. 761–780. [Перевод: Pan’kov A.A. Mathematical model for diagnosing strains by an optical fiber sensor with a distributed Bragg grating according to the solution of a Fredholm integral equation // Mechanics of Composite Materials. 2018. V. 54. No. 4. P. 513–522]. DOI: 10.1007/s11029-018-9760-6.
20. Паньков А.А. Волоконно-оптический датчик давления // Патент Российской Федерации № 2630537.2016.
21. Паньков А.А. Волоконно-оптический датчик объёмного напряженного состояния // Патент Российской Федерации № 2643692. 2017.
22. Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields // Sensors and Actuators A: Physical. 2019. V. 288. P. 171–176. DOI: 10.1016/j.sna.2019.01.030.
23. Паньков А.А. Пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик для диагностики напряженного состояния и дефектоскопии композитов // Механика композитных материалов. 2017. Т. 53. № 2. С. 325–344. [Перевод: Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent optical fiber sensor for diagnostics of the stress state and defectoscopy of composites // Mechanics of Composite Materials. 2017. V. 53. No. 2. P. 229–242]. DOI: 10.1007/s11029-017-9656-x.
24. Паньков А.А. Пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик для диагностики объемного напряженного состояния в композитных конструкциях // Механика композитных материалов. 2018. Т. 54. № 2. С. 233–248. [Перевод: Pan’kov A.A. A piezoelectroluminescent fiber-optical sensor for diagnostics of the 3D stress state in composite structures // Mechanics of Composite Materials. 2018. V. 54. No. 2. P. 155–164]. DOI: 10.1007/s11029-018-9728-6.
25. Паньков А.А. Резонансная диагностика распределения температуры пьезоэлектролюминесцентныоптоволоконным датчиком по решению интегрального уравнения Фредгольма // Вестник ПНИПУ. Механика. 2018. № 2. С. 72–82. [Перевод: Pan’kov A.A. Resonant diagnostics of temperature distribution by the piezo-electro-luminescent fiber-optical sensor according to the solution of the Fredholm integral equation // PNRPU Mechanics Bulletin. 2018. No. 2. P. 72–82]. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.2.07.
26. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982. 334 с.
27. Победря Б.Е. Лекции по тензорному анализу. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 264 с.
28. Паньков А.А. Статистическая механика пьезокомпозитов. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. 480 с.