Датчики контроля состояния инженерных и строительных конструкций на основе оптических волноводных структур

УДК 621.372.8
Авторы Гончаренко Игорь Андреевич, доктор физико-математических наук, доцент
Рябцев Виталий Николаевич
Аннотация В работе проведен анализ конструкций волоконно-оптических датчиков контроля состояния инженерных и строительных конструкций, рассмотрены возможные пути повышения их эффективности. Рассмотрены основные физические эффекты, используемые для измерения деформаций и напряжений контролируемых объектов. Предложена структура и принципы функционирования распределенного векторного датчика изгибов и напряжений на основе микроструктурированного оптического волокна ленточной формы с тремя сердцевинами.
Ключевые слова
  Литература
1. Гуляев, Ю.В. Волоконно-оптические технологии, устройства, датчики и системы / Ю.В. Гуляев, С.А. Никитов, В.Т. Потапов, Ю.К. Чаморовский // «Фотон-экспресс».– 2005. – № 6. – С. 114-127.
2. Гармаш, В.Б. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении / В.Б. Гармаш, Ф.А. Егоров, Л.Н. Коломиец, А.П. Неугодников, В.И Поспелов // «Фотон-экспресс». – 2005. – № 6. – С. 128-140.
3. Connolly, C. Structural monitoring with fibre optics / C. Connolly // Europhotonics. – 2009. – No. 2-3. – P. 16-18.
4. Inaudi, D. Fiber optic sensors for structural control / D. Inaudi, A. del Grosso // Proceedings of the 14th World Conference on Earthquake Engineering. – October 12-17, 2008. – Beijing, China. – Paper No. S 25-013.
5. Соколов, А.Н. Волоконно-оптические датчики и системы / А.Н. Соколов, В.А. Яцеев // Lightwave Russian Edition. – 2006. – № 4 .– С. 44-46.
6. Chen, G. Simultaneous strain and temperature measurements with fiber Bragg grating written in novel Hi–Bi optical fiber / G. Chen, L. Liu, H. Jia, J. Yu, L. Xu, W. Wang // IEEE Photonics Technology Letters. – 2004. –Vol. 16, № 1. – P. 221-223.
7. Sheng, H.–J. A lateral pressure sensor using a fiber Bragg grating / H.–J. Sheng, M.–Y. Fu, T.–C. Chen, W.–F. Liu, S.–S. Bor // IEEE Photonics Technology Letters. – 2004. – Vol. 16, № 4. – P. 1146-1148.
8. Madhav, K.V. Spectrum estimation by wavelength shift time stamping in a fiber Bragg grating sensor / K.V. Madhav, S. Asokan // IEEE Photonics Technology Letters. – 2004. – Vol. 16, № 5. – P. 1355-1357.
9. Goncharenko, I. Optical fibre sensors for structural monitoring / I. Goncharenko // Proceedings of Humboldt-Kolleg «Philosophy of Science», September 8–11, 2010. – Odessa, Ukraine. – P. 64-66.
10. Hill, K.O. Photosensitivity in optical fibers / K.O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D.C. Johnson // Annual Review of Material Science. – 1993. – Vol. 23. – P. 125-157.
11. Morey, W.W. Photoinduced Bragg gratings in optical fibers / W.W. Morey, G.A. Ball, G. Meltz // Optics & Photonics News. – 1994. – Vol. 5. – P. 8-14.
12. Allsop, T. Spectral characteristics of tapered LPG device as a sensing element for refractive index and temperature / T. Allsop, F. Floreani, K.P. Jedrzejewski, P.V.S. Marques, R. Romero, D.J. Webb, I. Bennion // J. Lightwave Technology. – 2006. – Vol. 24, № 2. – P. 870-878.
13. Удд, Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Э. Удд. // Москва: Техносфера, 2008 – 520 с.
14. Glisic, B. Monitoring a subterranean structure with the SOFO® system / B. Glisic, M. Badoux, J.P. Jaccoud, D. Inaudi // Proceedings of the 1st International Conference Long Road and Rail Tunnels. – 2000. – Basel, Switzerland. – P. 127-136.
15. Sumitro, S. Long-gage optical fiber sensors monitoring on deteriorated structure deformational properties / S. Sumitro, Y. Okada, K. Saitoh, S. Takanashi, D. Inaudi // Proceedings of the 1st International conference on structural health monitoring and intelligent infrastructure. – November 13-15, 2003. – Tokyo, Japan. – P. 49-52.
16. Мамедов, А.М. Одноволоконные распределенные волоконно-оптические датчики физических величин и полей / А.М. Мамедов, В.Т. Потапов, Т.В. Потапов, Е.К. Смуреев // «Фотон-экспресс». – 2005. – № 6. – С. 141-151.
17. Farahani, M.A. Spontaneous Raman scattering in optical fibers with modulated probe light for distributed temperature Raman remote sensing / M.A. Farahani, T. Gogolla // J. Lightwave Technology. – 1999. – Vol. 17, № 8. – P. 1379-1391.
18. Park, J. Raman based distributed temperature sensor with simplex coding and link optimization / J. Park, G. Bolognini, D. Lee, P. Kim, P. Cho, F.D. Pasquale, N. Park // IEEE Photonics Technology Letters. – 2006. – Vol. 18, № 17. – P. 1879-1881.
19. Inaudi, D. Long-range pipeline monitoring by distributed fiber optic sensors / D. Inaudi, B. Glisic // ASME Journal of Pressure Vessel Technology. – 2010. – Vol. 132, № 1. – P. 011701–01 – 011701–09.
20. Bernini, R. Accuracy enhancement in Brillouin distributed fiber-optic temperature sensors using signal processing techniques / R. Bernini, A. Minardo, L. Zeni // IEEE Photonics Technology Letters. – 2004. – Vol. 16, №4. – P. 1143-1145.
21. Dakin, J.P. Distributed optical fiber Raman temperature sensor using a semiconductor light source and detector / J.P. Dakin, D. Pratt, G.W. Bibby // Electronics Letters. – 1985. – Vol. 21. – P. 569-570.
22. Hotate, K. Distributed fiber Brillouin strain sensing with 1-cm spatial resolution by correlation-based continuous-wave technique / K. Hotate, M. Tanaka // IEEE Photonics Technology Letters. – 2002. – Vol. 14. – P. 179-181.
23. Gogolla, T. Distributed beat length measurement in single-mode optical fibers using stimulated Brillouin-scattering and frequency-domain analysis / T. Gogolla, K. Krebber // J. Lightwave Technology. – 2000. – Vol.18, No. 3. – P. 320-328.
24. Bernini, R. Frequency-domain approach to distributed fiber-optic Brillouin sensing / R. Bernini, L. Grosso, A. Minardo, F. Soldovieri, L. Zeni // Optics Letters. – 2002. – Vol. 27, No. 5. – P. 288-290.
25. Rothwell, J.H. Photonic sensing based on variation of propagation properties of photonic crystal fibres / J.H. Rothwell, D.A. Flavin, W.N. MacPherson, J.D.C. Jones, J.C. Knight, P.St.J. Russell // Optics Express. – 2006. – Vol. 14, № 25. – P. 12445-12450.
26. Ju, J. Temperature sensitivity of a two-mode photonic crystal fiber interferometric sensor / J. Ju, Z. Wang, W. Jin, M.S. Demokan // IEEE Photonics Technology Letters. – 2006. – Vol. 18, № 20. – P. 2168-2170.
27. Ju, J. Two-mode operation in highly birefringent photonic crystal fiber / J. Ju, W. Jin, M.S. Demokan // IEEE Photon. Technol. Letters. – 2004. – Vol. 16, No. 11. – P. 2472-2474.
28. Goncharenko, I.A. Analysis of propagation of orthogonally polarized supermode in straight and curved multicore microstructured fibres / I.A. Goncharenko, M. Marciniak // J. Telecommunications and Information Technology. – 2007. – No. 4. – P. 63-69.
29. Mickelson, A. Backscatter readout from serial microbending sensors / A. Mickelson, O. Klevhus, M. Eriksrud // J. Lightwave Technology. – 1984. – Vol. 2, Issue 5. – P. 700-709.
30. Giles, C.R. Lightwave applications of fiber Bragg gratings / C.R. Giles // J. Lightwave Technology. – 1997. – Vol. 15, № 8. – P. 1391-1404.
31. Гончаренко, И.А. Волоконно-оптический векторный датчик изгиба / И.А. Гончаренко, В.Б. Залесский, А.И. Конойко, А.Г. Иваницкий, В.Н. Рябцев // Патент Республики Беларусь на полезную модель № 8715. Заявлено 13.04.2012 г. Опубликовано 31.10.2012 г.
32. Гончаренко, И.А. Излучение и потери на изгибе в микроструктурированных волокнах с несколькими сердцевинами / Гончаренко И.А. // Вестник Фонда фундаментальных исследований. – 2006. – № 3. – С. 91-98.
33. Goncharenko, I.A. Analysis of propagation of orthogonally polarized supermode in straight and curved multicore microstructured fibres / I.A. Goncharenko, M. Marciniak // J. Telecommunications and Information Technology. – 2007. – No. 4. – P. 63-69.
34. Goncharenko, I. Optimizing the structure of vector bend and strain sensor on the base of three-core microstructured fiber / I. Goncharenko, M. Marciniak, A. Konojko, V. Reabtsev // J. Telecommunications and Information Technology. – 2012, – No. 4. – P. 63-69.