Теоретические исследования термокомпенсации результатов диагностики полимерных композитов методом двух оптических волокон

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрены преимущества и недостатки существующих методов термокомпенсации данных от волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток в составе встроенной системы одновременного контроля деформации и температуры полимерных композитных материалов. Показано, что при невозможности внешнего контроля температуры наиболее целесообразно реализация метода двух оптических волокон, обладающих различной чувствительностью хотя бы к одному из этих параметров за счет различных легирующих добавок. Рассмотрены технологические вопросы, связанные с формированием пространственной топологии и обеспечением эффективного опроса встроенной оптической системы контроля полимерных композитных материалов методом двух волокон. Приведены результаты теоретических исследований линейной модели термокомпенсации, модели, учитывающей влияние перекрестной чувствительности, а также квадратичной модели термокомпенсации данных оптического контроля. Установлено, что линейная модель является наиболее простой, однако при ее применении стоит учитывать погрешность, связанную с неточностью аппроксимации данных оптического контроля линейной функцией. При этом показано, что для повышения качества и достоверности результатов оптического контроля целесообразно применять квадратичную модель термокомпенсации, обеспечивающую уровень погрешности, сопоставимый с погрешностью устройства опроса волоконно-оптических датчиков. Полученные результаты могут быть применены для разработки методик одновременного контроля образцов, а также монолитных и трехслойных конструкций из конструкционных слоистых ПКМ с предельными условиями формования (температура не более 180 °C, удельное давление не более 0,7 МПа) как в процессе стендовых и иных испытаний, так и, в перспективе, в реальных условиях эксплуатации.

Об авторах

М. Ю Федотов

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук;Российская инженерная академия

Email: fedotovmyu@gmail.com
Новосибирск, Россия

Список литературы

  1. Старцев В.О., Антипов В.В., Славин А.В., Горбовец М.А. Современные отечественные полимерные композиционные материалы для авиастроения (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 2 (71). С. 122-144. doi: 10.18577/2713-0193-2023-0-2-122-144
  2. Liu Guozeng, Gao Weicheng, Liu Tao. Debonds and Water-Filled Defects Detection in Honeycomb Sandwich Composites Based on Pulse Infrared Thermography NDT Technique // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2023. V. 59. No. 5. P. 583-591.
  3. Лю Г., Гао В., Лю В., Цзоу С., Сюй Ц., Лю Т. Контроль нарушений адгезии и дефектов, заполненных водой, в многослойных композитах с сотовым заполнителем методом импульсной инфракрасной томографии // Дефектоскопия. 2023. № 5. С. 45-53. doi: 10.31857/S0130308223050056
  4. Kaledin V.O., Vyachkina E.A., Vyachkin E.S., Budadin O.N., Kozel'skaya S.O. Applying Ultrasonic Thermotomography and Electric-Loading Thermography for Thermal Characterization of Small-Sized Defects in Complex-Shaped Spatial Composite Structures // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2020. V. 56. No. 1. P. 58-69. doi: 10.1134/S1061830920010052
  5. Goossens S., Berghmans F., Munoz K., Jiménez M., Karachalios E., Saenz-Castillo D., Geernaert T. A global assessment of barely visible impact damage for CFRP sub-components with FBG-based sensors // Composite Structures. 2021. V. 272. P. 1-12. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.114025
  6. Datta A., Augustin M.J., Gupta N., Viswamurthy S.R., Gaddikeri K.M., Sundaram R. Impact localization and severity estimation on composite structure using fiber Bragg grating sensors by least square support vector regression // IEEE Sensors Journal. 2019. V. 19 (12). P. 4463-4470. doi: 10.1109/JSEN.2019.2901453
  7. Беловолов М.И., Беловолов М.М., Семенов С.Л., Будадин О.Н., Козельская С.О., Кутюрин Ю.Г. Разработка волоконно-оптических датчиков контроля технических характеристик и оценки работоспособности композитных узлов изделий авиационной и ракетно-космической техники (Обзор) // Конструкции из композиционных материалов. 2020. № 3 (159). С. 45-53.
  8. Анискович В. А., Будадин О. Н., Кутюрин Ю. Г., Разин А.Ф., Шаклеин А.Ф. Мониторинг напряженно-деформированного состояния изделий из композиционных материалов с использованием волоконно-оптических датчиков // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2018. № 4 (104). С. 126-133.
  9. Matveenko V.P., Kosheleva N.A., Serovaev G.S. Strain measurements by FBG-based sensors embedded in various materials manufactured by different technological processes // Procedia Structural Integrity: 4th, Virtual, Funchal, Madeira, 30 августа - 02 2021 года. V. 37. Virtual, Funchal, Madeira, 2021. P. 508-516. doi: 10.1016/j.prostr.2022.01.116
  10. Fedorov A.Y., Kosheleva N.A., Matveenko V.P., Serovaev G.S. Strain measurement and stress analysis in the vicinity of a fiber Bragg grating sensor embedded in a composite material // Composite Structures. 2020. V. 239. P. 111844. doi: 10.1016/j.compstruct.2019.111844
  11. Jeon S.-J., Park S.Y., Kim S.T. Temperature compensation of fiber bragg grating sensors in smart strand // Sensors. 2022. V. 22 (9). 17 p. doi: 10.3390/s22093282
  12. Jung J., Park N., Lee B. Simultaneous measurement of strain and temperature by use of a single fiber Bragg grating written in an erbium:ytterbium-doped fiber // Applied Optics. 2000. V. 39 (7). P. 1118-1120. doi: 10.1364/AO.39.001118
  13. Kuang Y., Guo Y., Xiong L., Liu W. Packaging and Temperature Compensation of Fiber Bragg Grating for Strain Sensing: A Survey // Photonic Sensors. 2018. V. 8 (10). 12 p. doi: 10.1007/s13320-018-0504-y
  14. Yan W., Guo Z., Wang C., Zhang Y., Du G. Passive temperature compensation package for fiber Bragg grating // Proc. SPIE. 2006. V. 6150. doi: 10.1117/12.676531
  15. Guan B.O., Tam H.Y., Tao X.M., Dong X.Y. Simultaneous strain and temperature measurement using a superstructure fiber Bragg grating // IEEE Photonics Technology Letters. 2000. № 12-6. P. 675-677. doi: 10.1109/68.849081
  16. Chehura E., James S.W., Tatam R.P. Temperature and strain discrimination using a single tilted fibre Bragg grating // Optics communications. 2007. V. 275 (2). P. 344-347. doi: 10.1016/j.optcom.2007.03.043
  17. Frazao O., Melo M., Marques P.V.S., Santos J.L. Chirped Bragg grating fabricated in fused fibre taper for strain-temperature discrimination // Measurement science and technology. 2005. V. 16. P. 984-988. doi: 10.1088/0957-0233/16/4/010
  18. Sulejmani S., Sonnenfeld C., Geernaert, Berghmans F., Thienpont H., Eve S., Lammens N., Luyckx G., Voet E., Degrieck J., Urbanczyk W., Mergo P., Becker M., Bartelt H. Towards micro-structured optical fiber sensors for transverse strain sensing in smart composite materials // Sensors. 2011. IEEE. P. 109-112. doi: 10.1109/ICSENS.2011.6127305
  19. Федотов М.Ю. Особенности создания системы одновременного встроенного контроля деформации и температуры композитных конструкций волоконно-оптическими датчиками // Космические аппараты и технологии. 2023. Т. 7. № 1 (43). С. 24-34. doi: 10.26732/j.st.2023.1.03
  20. Федотов М.Ю. Методы формирования пространственной топологии и опроса волоконно-оптических датчиков для диагностики композитных конструкций // Контроль. Диагностика. 2023. Т. 26. № 4 (298). С. 24-37. doi: 10.14489/td.2023.04.pp.024-037
  21. Федотов М.Ю. Теоретические исследования встроенной волоконно-оптической системы контроля деформации и температуры полимерных композитов // Контроль. Диагностика. 2023. Т. 26. № 5 (299). С. 14-25. doi: 10.14489/td.2023.05.pp.014-025
  22. Sivanesan P., Sirkis J.S., Murata Y., Buckley S.G. Optimal wavelength pair selection and accuracy analysis of dual fiber grating sensors for simultaneously measuring strain and temperature // Opt. Eng. 2002. V. 41(10). P. 2456-2463.
  23. http://www.scipy.org
  24. Аксенова Е.Н., Гасников Н.К., Калашников Н.П. Методы оценки погрешностей результатов прямых и косвенных измерений в лабораториях физического практикума / Учебно-методическое пособие. М.: МИФИ, 2009. 24 с.
  25. Федотов М.Ю. Теоретические аспекты калибровки и оценки погрешностей волоконно-оптической системы диагностики полимерных композитов // Конструкции из композиционных материалов. 2023. № 2 (170). С. 43-51. doi: 10.52190/2073-2562_2023_2_43

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».