Быстродействующая система измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков
Диссертация
Разработка методов измерения деформации и температуры с использованием волоконно-оптических датчиков и работы по созданию систем измерения на их основе ведутся во многих научных организациях и научно-производственных компаниях как в России, так и за рубежом. Стоит отметить основополагающие работы А. Керсея в США и Б. Кулшоу в Великобритании, М. Дигонне в Стенфордском университете. В России данной… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ ПУТЕЙ ПОСТРОЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ
- 1. 1. Анализ существующих методов измерения деформации и температуры
- 1. 2. Классификация и сравнительный анализ волоконно-оптических датчиков для измерения деформации и температуры
- 1. 3. Исследование основных характеристик волоконно-оптических брэгговских датчиков для измерения деформации и температуры
- 1. 4. Анализ существующих методов построения волоконно-оптических систем измерения деформации и температуры на основе брэгговских датчиков
- ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ
- 2. 1. Обоснование структурной схемы быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков
- 2. 2. Математическая модель быстродействующей системы измерения деформации и температуры
- 2. 3. Методика расчета быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконнооптических брэгговских датчиков
- 2. 4. Разработка методики исследований метрологических характеристик быстродействующей системы измерения деформации и температуры на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков
- 2. 5. Анализ алгоритма обработки сигналов от брэгговских датчиков
- 2. 6. Методика получения независимых оценок деформации и температуры
- ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ
- 3. 1. Разработка макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры
- 3. 2. Лабораторные испытания макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры
- 3. 3. Результаты экспериментальных измерений деформации деталей с помощью макета быстродействующей системы измерения деформации и температуры
- ВЫВОДЫ
Список литературы
- Джексон Р. Г. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. 384 с.
- Finkelstein, L., Watts, R.D. Systems Analysis of Instruments // Journal of the Institute of Measurement & Control. 1971. Vol. 4. P. 236−237.
- Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2005. 592 с.
- White R. М. A Sensor Classification Scheme // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1987. Vol. UFFC-34, No 2. P. 124−126.
- Nye J. F. Physical Properties of Crystals. Oxford: Oxford Univ., 1957. 329 p.
- Mason W. P. Crystal Physics of Interaction Process. New York: Academic, 1966.354 p.
- Holman J. P. Experimental Methods for Engeneers. New York: McGraw-Hill, 1978.616 р.
- Piezo Film Sensors Technical Manual. Norris-town (PA): Measurement Specialties Inc., 1999. 257 p.
- Del Prete Z., Monteleone L., Steindler R. A Novel Pressure Array Sensor based on Contact Resistance Variation Metrological Properties // Rev. Sci. Instrum. 2001. Vol. 72(3). P. 1537−1548.
- Benes E. Groschi M., Burger W., Schmid M. Sensors based on piezoelectric resonators // Sensors Actuators. 1995. A 48. P. 1−21.
- Corbett J.P. Quatz steady-state force and pressure sensor // Sensors Expo West. Proceedings. Peterborough, 1991. 12 p.
- Fabrication and Testing of a PZT Strain Sensor for Soil Applications / J. Soman et al. // IEEE Sensors Journal. 2011. Vol. 11, Issue 1. P. 78−85.
- Young, S., Peters, K. Self-Repairing Packaged Strain Sensor With High Repeatability// IEEE Sensors Journal. 2012. Vol. 12, Issue 12. P. 3432−3437.
- Study of Strain Sensor Using FeSiB Magnetostrictive Thin Film / Y. Suwa et al. // IEEE Transactions on Magnetics. 2010. Vol. 46, Issue 2. P. 666−669.
- Field-Controllable Flexible Strain Sensors Using Pentacene Semiconductors / Ji. Taeksoo et al. // IEEE Electron Device Letters. 2007. Vol. 28, Issue 12. P. 1105−1107.
- A novel integrated acoustic gas and temperature sensor / J. D. Sternhagen et al. // IEEE Sensors Journal. 2002. Vol. 2, Issue 4. P. 301−306.
- A Low-Profile Wireless Passive Temperature Sensor Using Resonator/Antenna Integration Up to 1000 °C / C. Haitao et al. // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2012. Vol. 11. P. 369−372.
- Temperature Sensor Using Thin-Film Transistor / A. Nakashima et al. // IEEE Sensors Journal. 2011. Vol. 11, Issue 4. P. 995−998.
- Miniaturized Flexible Temperature Sensor / Y. Moser et al. // Journal of Mi-croelectromechanical Systems. 2007. Vol. 16, Issue 6. P. 1349−1354.
- Inductive Sensor for Temperature Measurement in Induction Heating Applications / C. Franco et al. // IEEE Sensors Journal. 2012. Vol. 12, Issue 5. P. 9 961 003.
- Волоконно-оптические датчики / Под ред. Э. Удда. М.: Техносфера, 2008. 520 с.
- Кульчин Ю. Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: Физматлит, 2001. 272 с.
- Othonos A. Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing. London: Artech House, 1999.422 p.
- Marcuse D. Theory of Dielectrical Optical Waveguides. New York: Academic Press, 1974. 267 p.
- Yariv A. Optical Electronics. Oxford: Oxford Univ. Press, 1990. 736 p.
- Брэгговские решетки показателя преломления / С. А. Васильев и др. // Квантовая электроника. 2005. 35, № 12. С. 1085−1103.
- Квазираспределенная измерительная система на основе брэгговских датчиков механических напряжений с повышенной частотой опроса /В.А.Лазарев и др. // Автоматизация в промышленности. 2008. № 11. С.58−62.
- Kogelnik Н., Shank С. W. Coupled wave theory of distributed feedback lasers // Journal of Applied Physics. 1972. Vol. 43. P. 2327−2335.
- Winick K. A. Effective-index method and coupled-mode theory for almost periodic waveguide gratings: A comparison // Applied Optics. 1992. Vol. 31. p. 757−764.
- Yamada M., Sakuda K. Analysis of almost-periodic distributed feedback slab waveguide via a fundamental matrix approach // Applied Optics. 1987. Vol. 26. P. 3474−3478.
- Bragg solitons in the nonlinear Schrodinger limit: experiment and theory / B. J. Eggleton et al. // Journal of OS A B. 1999. Vol. 16, Issue 4. P. 587−599.
- Yariv A. Coupled mode theory for guided-wave optics // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1973. Vol. QE-9. P. 919−933.
- Russell P. St. J. Bloch wave analysis of dispersion and pulse propagation in pure distributed feedback structures // Journal of Modern Optics. 1991. Vol. 38. P. 1599−1619.
- Борн M., Вольф. Э. Основы оптики. M.: Наука, 1973. 720 с.
- Многоканальная квазираспределенная информационно-измерительная система на основе наноразмерных волоконно-оптических структур датчиков механических напряжений / В. А. Лазарев и др. // Заводская лаборатория. 2008. Том 74, специальный выпуск. С. 70−75.
- Пнев А. Б. Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков: Дис.. канд. техн. наук: 05.11.07. М., 2008. 175 с.
- Culshaw В. Fiber-Optic Sensing: A Historical Perspective // Journal of Lightwave Technology. 2008. Vol. 26, Issue 9. P.1064−1078.
- Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. San Diego: Academic Press, 1999. 460 p.
- Butcher P. N., Cotter D. Elements of Nonlinear Optics. Cambridge: Cambridge University Press, 1990, 348 p.
- High pressure H2 loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in Ge02 doped optical fibres / P. J. Lemaire et al. // Electronics Letters. 1993. Vol. 29, Issue 13. P. 1191−1993.
- Агравал Г. П. Применение нелинейной волоконной оптики: Учебное пособие // СПб: Лань, 2011. 592 с.
- Bragg gratings in Се -doped fibers written by a single excimer pulse / L. Long et al. // Optics Letters. 1993. Vol. 18, Issue 11. P. 861−863.
- Chirped in-fiber Bragg gratings for compensation of optical-fiber dispersion /К. O. Hill et al. // Applied Physics Letters. 1994. Vol. 62, Issue 17. P. 13 141 316.
- Efficient mode conversion in telecommunication fibre using externally written gratings / К. O. Hill et al. // Electronics Letters. 1990. Vol. 26, Issue 16. P. 12 701 272.
- Femtosecond Laser-Induced Damage and Filamentary Propagation in Fused Silica / L. Sudrie et al. // Physical Review B. 2005. Vol. 71, Issue 12. 11 p.
- Fiber Bragg gratings made with a phase mask and 800-nm femtosecond radiation / S. J. Mihailov et al. // Journal of Lightwave Technology. 2003. Vol. 28, Issue 12. P. 995−997.
- Formation of Type I-IR and Type II-IR gratings with an ultrafast IR laser and a phase mask / C. W. Smelser et al. // Optics Express. 2005. Vol. 13, № 4. 10 p.
- Statistical Analysis of Fracture Strength of Composite Materials Using Weibull Distribution / M. Dirikolu et al. // Turkish Journal of Engineering and Environmental Science. 2002. Vol. 26. P. 45−48.
- Type II high-strength Bragg grating waveguides photowritten with ultrashort laser pulses / H. Zhang et al. // Optics Express. 2007. Vol. 15, Issue 7. P.4182−4191.
- Compact optical fiber sensor smart node / S. W. Lloyd et al. // Review of Scientific Instruments. 2007. Vol. 78, Issue 3. 6 p.
- Compact acousto-optic interrogator for fiber optic Bragg sensors / A. V. Tsarev et al. // International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices. Rome (Italy), 2011. P. 83−84.
- Multiplexed Fiber Bragg Grating Interrogation System Using a Microelectro-mechanical Fabry-Perot Tunable Filter / W. R. Allan et al. // IEEE Sensors Journal. 2009. Vol. 9, Issue 8. P. 936−943.
- Spectrometer: Pat. USA № US6862092- date of publishing 28.03.2002- date of patent 01.03.2005.
- Карасик В. Е., Лазарев В. А., Неверова Н. А. Измерительное устройство контроля деформации и температуры на основе наноразмерных волоконно-оптических датчиков // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2008. № 58. С. 51−58.
- Немтинов В. Б. Модельные факторы структурной теории оптико- и ла-зерно-электронных систем // Наука и образование: электронное научнотехническое издание. 2008. № 4. URL: http://technomag.edu.ru/doc/89 026.html (дата обращения: 21.01.2012).
- Немтинов В. Б. Структурная теория оптико- и лазерно-электронных систем. 4.5. Математическое моделирование системы // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Приборостроение. 1995. Выпуск 3. С. 17−27.
- Устройство для измерения деформаций на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках / В. А. Лазарев и др.: Пат. 2 377 497 Рос. Федерация. № 2 008 128 572/28 — заявл. 15.07.2008 // Б.И. 2009. № 36.
- Fabry-Perot / Fiber Bragg Grating Mult-Wavelength Reference: Pat. 6 327 036 USA № 9 654 824- date of publishing 05.09.2000 — date of patent 12.04.2001.
- Круглов О. В. Разработка и исследование приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов : Дис.. канд. техн. наук: 05.11.07. М., 2011. 152 с.
- Fastie W. G. A small plane grating monochromator // Journal of Optical Society of America 1952. Vol. 42. P. 641−647.
- Fastie W. G. Image forming properties of the Ebert monochromator // J. Opt. Soc. Am. 1952. Vol. 42. P.647−652.
- Rosfjord К. M., Villalaz R. A. and Gaylord Т. K. Constant-bandwidth scanning of the Czerny-Turner monochromator // Appl. Opt. 2000. Vol. 39. P. 568−572.
- Koike M. and Namioka T. Grazing-incidence Monk-Gillieson monochromator based on surface normal rotation of a varied line-spacing grating // Appl. Opt. 2002. Vol. 41. P. 245−257.
- Hutley M. C. Diffraction Gratings. New York: Academic Press, 1970. 330 p.
- Meltzer R. J. Spectrographs and Monochromators // Applied Optics and Optical Engineering. 1969. Vol. V, chapter 3. P. 47−84.
- Wadsworth F. The modern spectroscope // Astrophysics Journal. 1896. Vol. 3. P. 47−62.
- Оптико-электронные приборы для научных исследований: Учеб. пособие / JL А. Новицкий и др. // М.: Машиностроение, 1986. 432 с.
- Palmer С. Theory of second-generation holographic diffraction gratings // Journal of Optical Society of America. 1989. Vol. A 6, P. 1175.
- Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика: Учебник. 2-е изд. // М.: Изд-во МГУ- Наука, 2004. 656 с.
- Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. М.: Техносфера. 2004. 592 с.
- Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи: 3-е дополненное изде-ние. М.: Техносфера, 2006. 496 с.
- Garcia С. Characterization of InGaAs Linear Array for Applications to Remote Sensing // Proc. SPIE 5783, Infrared Technology and Applications XXXI. Belling-ham (WA), 2005. Vol. 57. P. 57−64.
- Li X., Huang S. Noise characteristics of short wavelength infrared InGaAs linear focal plane Arrays // Journal of Applied Physics. 2012. Vol. 112. P. 1−5.
- Janesick J. Scientific Charge-Coupled Devices, Bellingham: SPIE, 2001. Chap. 2, 3. P. 101−105.
- Lin M. Stray light characterization of an InGaAs anamorphic hyperspectral imager// Optics express. 2010. Vol. 18, №. 16. P. 1−11.
- Russell P., Archambault J., Reekie L. Fibre Gratings // Physics World. 1993. V. 41. P. 41−46.
- ГОСТ 8.381−80 Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Способы выражения погрешностей. М.: Изд-во стандартов, 1980. 9 с.
- Lee Н. W. Accuracy improvement in peak positioning of spectrally distorted fiber Bragg grating sensors by Gaussian curve fitting // Applied optics. 2007. Vol. 46, №. 12. P. 2205−2208.
- Mooney, Т., Martin, D. Increasing Metering Accuracy by Optimizing the Analog to Digital Converter Characteristics // Power Systems Conference. Clemson (CS), 2006. P. 96−98.
- ГОСТ P 54 500.1−2011 Руководство ИСО/МЭК 98−1: 2009. Неопределённость измерения. M.: Стандартинформ, 2012. 24 с.
- SOA-Based Multi-Wavelength Fiber Laser for FBG Vibration Sensor Array / K. Inamoto et al. // Optical Fiber Sensors (OFS) conference. Gancun (Mexico), 2006. 4 p.
- Three axis strain and temperature sensor / E. Udd et al. // Proceedings of the Fiber Sensor Conference (OFS-11). Sapporo (Japan), 1996. P. 224−247.
- Possible approach for the simultaneous measurement of temperature and strain via first and second diffraction from Bragg grating sensors / K. Kalli et al. // Proceedings of the Fiber Sensor Conference. Glasgow (Scotland), 1994. P. 200−204.
- Simultaneous independent strain and temperature measurement usinf in-fiber Bragg grating sensors / S. W. James et al. // Electronic Letters. 1997. Vol. 22. P. 790−792.
- Transparent Network for Hybrid Multiplexing of Fiber Bragg Gratings and Intensity-Modulated Fiber-Optic Sensors / S. Abad et al. // Applied Optics. 2003. Vol. 42, Issue 25. P. 5040−5045.
- Highly birefringent photonic bandgap Bragg fiber loop mirror for simultaneous measurement of strain and temperature / M. S. Ferreira et al. // Optics Letters. 2011. Vol. 36, Issue 6. P. 993−995.
- Simultaneous Measurement of Strain and Temperature by use of a Single-Fiber Bragg Grating and an Erbium-Doped Fiber Amplifier / J. Jung et al. //Applied Optics. 1999. Vol. 38, Issue 13. P. 2749−2751.
- Use of Dual-Grating Sensors Formed by Different Types of Fiber Bragg Gratings for Simultaneous Temperature and Strain Measurements / X. Shu et al. //Applied Optics. 2004. Vol. 43, Issue 10. P. 2006−2012.
- Simultaneous measurement of temperature and pressure by a single fiber Bragg grating with a broadened reflection spectrum / T. Guo et al. // Applied Optics. 2006. Vol. 45, Issue 13. P. 2935−2939.
- Fiber Bragg grating and long period grating sensor for simultaneous measurement and discrimination of strain and temperature effects / K. Srimannarayana et al. // Optica Applicata. 2008. Vol. XXXVIII, № 3. p. 601−608.
- Hybrid Fiber Bragg Grating and Long Period Fiber Grating Sensor for S train/Temperature Discrimination / H. J. Patrick et al. // IEEE Photonics Technology Letters. 1996. Vol. 8, №. 9. P. 1223−1225.
- ГОСТ 15.101−98. Система разработки и постановки продукции на производство Порядок выполнения научно-исследовательских работ. М.: Изд-во стандартов, 1998. 12 с.
- ГОСТ 16 504–81. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1981. 26 с.
- Shidlovski V. R., Wei J. Superluminescent diodes for optical coherence tomography // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4648. P. 139−147.
- Li Z. Q., Simon Li Z. M. Comprehensive modeling of superluminescent light-emitting diodes // IEEE J. Quantum Electron. 2010. Vol. 46 (4), P. 454−461.
- Суперлюминесцентные диоды и модули. Каталог продукции / Компания Superlum. 2012. URL: http://www.superlumdiodes.com/slds overview. htm (дата обращения: 22.09.2012).
- InGaAs-линейки. Каталог продукции / Компания Hamamatsu. 2012. URL: http://ip.hamamatsu.com/products/sensor-ssd/pdl28/pdl09/4042/index en. html (дата обращения: 22.09.2012).
- ГОСТ 8.381−2009 ГСИ. Эталоны. Способы выражения точности. М.: Стандартинформ, 2011. 24 с.
- Оптико-электронная измерительная система мониторинга деформации на основе наноразмерных волоконно-оптических периодических структур / В. А. Лазарев и др. // Фотон-экспресс. 2009. Спец выпуск, № 6. С. 156−157.
- Быстродействующий измеритель длины волны лазерного излучения для волоконно-оптических систем передачи информации / В. А. Лазарев и др.: Пат. 2 425 338 Рос. Федерация. № 2 009 131 082/28 — заявл. 17.08.2009 // Б.И. 2011. № 21.
- Современные проблемы оптотехники / В. А. Лазарев и др.: Учеб. пособие /Под ред. В. Е. Карасика. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. С. 60−70.
- Измерение деформации и температуры датчиками на основе брэгговских решеток / В. А. Лазарев и др. // Датчики и системы. 2009. № 1. С. 15−19.
- Генеоальныи липектог>иАи :"НИАТ"
- АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертации Лазарева Владимира Алексеевича
- Ученый секретарь д.т.н., проф.1. В.Н.Егоров1. А. К. Проценко2013 г. результатов диссертации Лазарева Владимира Алексеевича
- Начальник лаборатории физико-механических и теплофизических методов измерений, к.т.н.1. Г. Е.Мостовой
- УТВЕРЖДАЮ: ^рн0гда?ктор ФГУП «ВНИИОФИ, 1. В. Н. Крутиков 2013 г. 1. АКТ ВНЕДРЕНИЯрезультатов диссертации Лазарева Владимира Алексеевича
- Начальник лаборатории метрологии у ' С. В. Тихомиров малоинтенсивного лазерного излучения и волоконно-оптических систем, д-р техн. наук,