Мониторинг процесса формования композитов с помощью сенсора на основе оптоволоконных брэгговских решeток при использовании линейной демодуляции в реальном времени

Zhan Yage, Zhang Wenzhuo, Xu Long, Han Min, Wang Ziting

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Zhan Ya., Zhang W., Xu L., Han M., Wang Z. Real-time monitoring for composites forming process based on superstructure fiber grating sensing and linear demodulation [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 9. P. 91–101. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-91-101

Zhan Ya., Zhang W., Xu L., Han M., Wang Z. Real-time monitoring for composites forming process based on superstructure fiber grating sensing and linear demodulation (Мониторинг процесса формования композитов с помощью сенсора на основе оптоволоконных брэгговских решeток при использовании линейной демодуляции в реальном времени) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 9. С. 91–101. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-91-101

Ссылка на англоязычную версию:

Yage Zhan, Wenzhuo Zhang, Long Xu, Min Han, and Ziting Wang, "Real-time monitoring for the composite forming process based on superstructure fiber grating sensing and linear demodulation," Journal of Optical Technology. 90(9), 545-552 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000545

Аннотация:

Предмет исследования. Пути проектирования системы сенсоров на оптоволоконных брэгговских решетках для контроля в реальном времени изменений температуры и внутренних силовых напряжений в процессе формирования композитов. Цель работы. Оптимизация параметров сенсора на основе оптоволоконных брэгговских решеток посредством уменьшения влияния погрешностей фотоэлектических преобразований при демодуляции сигнала. Метод. Экспериментальные исследования оригинальной специально разработанной системы сенсоров контроля температуры и внутренних силовых напряжений в составе двух видов оптоволоконных брэгговских решеток: решетки с усложненной структурой, чувствительной к состоянию поляризации и являющейся источником сигнала, и решетки с линейным спектром, используемой как демодулятор. Основные результаты. Практически реализована система сенсоров для контроля изменений температуры и силовых напряжений в процессе формирования композитов с динамическим диапазоном 1200 °С и 11000 МПа и максимальной погрешностью менее 10 °С и 100 МПа соответственно. При этом характеристика демодуляции линейна в диапазоне 1544–1556 нм с линейностью 2,21 дБ/нм. Практическая значимость. Подтверждена возможность создания системы сенсоров, обеспечивающей более быстрый и точный мониторинг процесса формования композитов в реальном времени по сравнению с известными системами.

Ключевые слова:

мониторинг в реальном времени, оптоволоконный брэгговский сенсор, линейная демодуляция, контроль температуры, внутренние силовые напряжения

Благодарность:

работа выполнена при поддержке Фонда естественных наук Шанхая (грант № 21ZR1402400) и Института нелинейных наук Университета Дунхуа

Коды OCIS: 060.2370

Список источников:

1. Ma Q., Li J., Tian S. Forming technology of thermoplastic composite and its application in aircraft // New Chem. Mater. 2022. V. 50. № 6. P. 263–266, 271.

2. Roux M., Eguemann N., Dransfeld C., et al. Thermoplastic carbon fibre-reinforced polymer recycling with electrodynamical fragmentation: From cradle to cradle // J. Thermoplastic Composite Mat. 2017. V. 30. № 3. P. 381–403. https://doi.org/10.1177/0892705715599431

3. Avci H., Akkulak E., Gergeroglu H., et al. Flexible poly(styrene-ethylene-butadiene-styrene) hybrid nanofibers for bioengineering and water filtration applications // J. Appl. Polymer Sci. 2020. V. 137. № 26. P. 49184. https://doi.org/10.1002/app.49184

4. Wang C.T., Hsieh T.S., Hsu H.C., et al. Curing monitoring of cross-ply and quasi-isotropic-ply carbon fiber/epoxy composite material with metal-coated fiber Bragg grating sensors // Optik. 2019. V. 184. P. 490–498. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.04.126

5. Chen J., Fu K., Li Y. Understanding processing parameter effects for carbon fibre reinforced thermoplastic composites manufactured by laser-assisted automated fibre placement (AFP) // Composites Part a-Appl. Sci. and Manufacturing. 2021. V. 140. P. 160. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106160

6. Zhan Y., Lin F., Guo A., et al. Polyimide-coated fiber Bragg grating sensor for monitoring of the composite materials curing process // J. Opt. Technol. 2020. V. 87. № 8. P. 501–505. https://doi.org/10.1364/jot.87.000501

7. Zhan Y., Lin F., Guo A. и др. Датчик для мониторинга процессов технологической обработки композитных материалов, использующий брэгговскую решётку в волокне с полиимидной оболочкой [in English] // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 8. С. 72–78. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-08-72-78

8. Nascimento M., Inacio P., Paixao T., et al. Embedded fiber sensors to monitor temperature and strain of polymeric parts fabricated by additive manufacturing and reinforced with NiTi wires // Sensors. 2020. V. 20. № 4. P. 1122. https://doi.org/10.3390/s20041122

9. Tsukada T., Minakuchi S., Takeda N. Identification of process-induced residual stress/strain distribution in thick thermoplastic composites based on in situ strain monitoring using optical fiber sensors // J. Composite Mat. 2019. V. 53. № 24. P. 3445–3458. https://doi.org/10.1177/0021998319837199

10. Konstantaki M., Violakis G., Pappas G.A., et al. Monitoring of torque induced strain in composite shafts with embedded and surface-mounted optical fiber Bragg gratings // Sensors. 2021. V. 21. № 7. P. 2403. https://doi.org/10.3390/s21072403

11. Zhang J., Yu H., Li L., et al. Study of monitoring CF3052/5224 composites molding process by optical fiber Bragg grating // Mat. Sci. and Technol. 2015. V. 23. № 4. P. 17–22. http://dx.doi.org/10.11951/j.issn.1005-0299.20150403

12. Hsiao T.C., Hsieh T.S., Chen Y.C., et al. Metal-coated fiber Bragg grating for dynamic temperature sensor // Optik. 2016. V. 127. № 22. P. 10740–10745. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.08.110

13. Wang J., Zhu W., Ma C., et al. FBG wavelength demodulation based on a radio frequency optical true time delay method // Opt. Lett. 2018. V. 43. № 11. P. 2664–2667. https://doi.org/10.1364/ol.43.002664

14. Bloessl Y., Hegedus G., Szebenyi G., et al. Applicability of fiber Bragg grating sensors for cure monitoring in resin transfer molding processes // J. Reinforced Plastics and Composites. 2021. V. 40. № 19–20. P. 701–713. https://doi.org/10.1177/0731684420958111

15. Melle S.M., Liu K.X., Measures R.M. A passive wavelength demodulation system for guided-wave Bragg grating sensors // IEEE Photon. Technol. Lett. 1992. V. 4. № 5. P. 516–518. https://doi.org/10.1109/68.136506

16. Wu J., Wu H., Huang J., et al. Research progress in edge filter demodulation method of fiber Bragg grating sensors // Opt. Commun. Technol. 2014. V. 38. № 4. P. 38–41. https://doi.org/10.1364/OE.433914