Сравнительное исследование калибровки волоконных датчиков с брэгговской решеткой с помощью тензометрического датчика и экстензометра с использованием метода цифровой корреляции изображений

Pashaie Rasoul, Mirzaei A.H., Vahedi M., Shokrieh M.M.

Ссылка для цитирования:

Pashaie R., Mirzaei A.H., Vahedi M., Shokrieh M.M. A comparative study of digital image correlation, strain gauge, and extensometer for calibration of fiber Bragg grating sensors (Сравнительное исследование калибровки волоконных датчиков с брэгговской решеткой с помощью тензометрического датчика и экстензометра с использованием метода цифровой корреляции изображений) [in English] // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 1. С. 12–22. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-01-12-22

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Методика калибровки сенсоров температуры и механических напряжений на основе волоконных датчиков с брэгговской решеткой. Цель исследования. Cравнение эффективности различных методов калибровки сенсоров, в частности, аппаратных, основанных на тензометрических датчиках с чувствительным элементом в виде металлической фольги, экстензометрическом устройстве и программным, основанным на корреляции регистрируемых цифровых изображений. Метод. Выявление оптимального метода калибровки сенсоров на основе волоконных брэгговских решеток посредством сравнения результатов натурных экспериментов по калибровке при использовании аппаратных сенсоров деформации (при четырех испытаниях на растяжение металлических и композитных (углеродо-эпоксидные слои смол) образцов с результатами калибровки методом корреляции цифровых изображений, при этом для калибровки волоконных датчиков как сенсоров температуры использовалась лабораторная печь с управляемым режимом работы. Основные результаты. Метод калибровки посредством цифровой корреляции изображений показал значительно большую погрешность по сравнению с аппаратными методами. Установлено, что оптимальным по критерию погрешности калибровки является метод с использованием тензометрического датчика с чувствительностью к механическому напряжению и температуре 0,85 пм/µe и 11,9 пм/град соответственно. Практическая значимость. Установлено превосходство метода калибровки с использованием аппаратных средств (тензометрический датчик с найденными параметрами) чувствительных элементов датчиков механического напряжения и температуры на основе волоконных брэгговских решеток по сравнению с программным методом корреляции цифровых изображений.

Ключевые слова:

калибровка, волоконный датчик, брэгговская решетка, тензометрический датчик, экстензометр, корреляция цифровых изображений, датчик деформации, датчик температуры

Коды OCIS: 060.2370, 060.4370, 060.2300

Список источников:

1. Anas M., Nasir M.A., Asfar Z., et al. Structural health monitoring of GFRP laminates using graphene-based smart strain gauges // J. Brazilian Soc. Mechanical Sci. and Eng. 2018. V. 40. P. 1–10. https://doi.org/10.1007/s40430-018-1320-4

2. Salehi S.D., Rastak M.A., Shokrieh M.M., et al. Full-field measurement of residual stresses in composite materials using the incremental slitting and digital image correlation techniques // Experimental Mechanics. 2020. V. 60. № 9. P. 1239–1250. https://doi.org/10.1007/s11340-020-00640-2

3. Abbas Saqlain, Fucai Li, and Jianxi Qiu. A review on SHM techniques and current challenges for characteristic investigation of damage in composite material components of aviation industry // Materials Performance and Characterization. 2018. V. 7. № 1. P. 224–258. https://doi.org/10.1520/MPC20170167

4. Malakzadeh A., Pashaie R., Mansoursamaei M. 150 km φ-OTDR sensor based on erbium and Raman amplifiers // Opt. and Quant. Electron. 2020. V. 52. № 6. P. 1–8. https://doi.org/10.1007/s11082-020-02439-w

5. Pashaie R., Mirzaei A.H., Vahedi M., et al. Discrimination between the strain and temperature effects of a cantilever beam using one uniform FBG sensor // Opt. and Quant. Electron. 2023. V. 55. № 2. P. 1–15. https://doi.org/10.1007/s11082-022-04428-7

6. Jinachandran S., Rajan G. Fibre Bragg grating based acoustic emission measurement system for structural health monitoring applications // Materials. 2021. V. 14. № 4. P. 897. https://doi.org/10.3390/ma14040897

7. Chen M.Q., He T.Y., Zhao Y., et al. Ultra-short phase-shifted fiber Bragg grating in a microprobe for refractive index sensor with temperature compensation // Opt. & Laser Technol. 2023. V. 157. P. 108672. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108672

8. Cheng L., Tong X., Wei J., et al. Highly accurate differential pressure FBG gas flow sensor // Opt. Fiber Technol. 2023. V. 75 P. 103189. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4148315

9. Liu Q., Wang C., Liu W., et al. Large-range and high-sensitivity fiber optic temperature sensor based on Fabry–Pérot interferometer combined with FBG // Opt. Fiber Technol. 2022. V. 68. P. 102794. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102794

10. Sah R.K., Kumar A., Gautam A., et al. Temperature independent FBG based displacement sensor for crack detection in civil structures // Opt. Fiber Technol. 2022. V. 74. P. 103137. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2022.103137

11. Raghuwanshi S.K., Kumar M. Highly dispersion tailored properties of few mode fiber Bragg grating-based vibration sensor due to a perturbed apodization profile // Opt. Eng. 2018. V. 57. № 5. P. 057105–057105. https://doi.org/10.1117/1.OE.57.5.057105

12. Rastak M.A., Shokrieh M.M., Barrallier L., et al. Estimation of residual stresses in polymer-matrix composites using digital image correlation // In Residual Stresses in Composite Materials. 2021. P. 455–486. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818817-0.00001-9

13. Bárnik F., Sága M., Vaško M., et al. Measurement and comparison study of deformation using extensometer and 2D DIC technology // In IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. V. 776. № 1. P. 012065. http://doi.org/10.1088/1757-899X/776/1/012065

14. Babaeeian M., Mohammadimehr M. Experimental and computational analyses on residual stress of composite plate using DIC and Hole-drilling methods based on Mohr's circle and considering the time effect // Opt. and Lasers in Eng. 2021. V. 137. № 1. P. 106355. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106355

15. Yan S., Zhang J., Sun B., et al. In situ measurement of strains at different locations in 3-D braided composites with FBG sensors // Composite Structures. 2019. V. 230. P. 111527. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111527

16. Pereira G., Frias C., Faria H., et al. On the improvement of strain measurements with FBG sensors embedded in unidirectional composites // Polymer Testing. 2013. V. 32. № 1. P. 99–105. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2012.09.010

17. Li Ruiya., Yiyang Chen., Yuegang Tan, et al. Sensitivity enhancement of FBG-based strain sensor // Sensors. 2018. V. 18. № 5. P. 1607. https://doi.org/10.3390/s18051607

18. Roths J., Wilfert A., Kratzer P., et al. Strain calibration of optical FBG-based strain sensors // 4th European Workshop on Optical Fibre Sensors. 2010. V. 765. P. 103–106. https://doi.org/10.1117/12.866428

19. Zahmatkesh F., Osman M.H., Talebi E., et al. Experimental study on the performance of slant end-plate connections at elevated temperature // Advanced Steel Construction. 2018. V. 14. № 1. P. 57–72. http://doi.org/10.18057/IJASC.2018.14.1.4

20. Kim Y.H., Parinov I.A., Chang S.H., et al. Physics and mechanics of new materials and their applications // Appl. Sci. 2022. V. 12. № 18. P. 9336. http://doi.org/10.1142/978919807727-fmatter