Research of parameters of fiber-optical measuring systems

• Autorzy: Wójcik Waldemar , Kalizhanova Aliya , Kashaganova Gulzhan , Kozbakova Ainur , Aitkulov Zhalau , Orazbekov Zhassulan

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.2543

Warianty tytułu

PL

Badanie parametrów światłowodowych systemów pomiarowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

At present there exist a lot of technical devices, the failure of which can be connected not only with huge financial losses, but with the treat to the environment as well. Therefore, an important problem is the effective devices conditions diagnostics, including electronic components and check of their operation. Timely faults detecting allows introducing the prevention measures and avoiding serious consequences. Fiber-optic sensors have several advantages, more important of which include the immunity to electromagnetic disturbances, little weight and possibility to be included into the structure being measured. The most perspective are the sensors based on the Bragg fiber gratings. Bragg fiber gratings have several advantages, for instance, they allow creating the distributed measuring massifs, which contain several sensors. As well, they are insensitive to the optic power source vibrations. Variety of using the fiber sensors based on the Bragg fiber gratings has led to producing the Bragg fiber gratings with different spectral characteristics. Homogeneous Bragg fiber gratings have the spectra with solid side lobes, which can influence at the temperature sensor processing characteristics. To level the side lobes there is applied the apodization method, which is one of the means to affect the spectral form. The article herein considers the issues of the Bragg fiber gratings mathematical and computer modeling using the transfer matrix method. Transfer matrix method allows defining the optical components spectral characteristics based on the bound modes theory and description of electromagnetic wave, passing through an optic fiber. In the article there have been analyzed the Bragg fiber gratings in compliance with spectral features, such as transmission and reflectance spectra. As well, there has been carried out the experiment with influence of various parameters at the Bragg fiber gratings spectral characteristics. There have been studied the Bragg fiber gratings spectral features and selected the grating optimal parameters for designing the fiber-optic sensors based on the Bragg fiber gratings.

PL

Obecnie istnieje wiele urządzeń technicznych, których awarię można powiązać nie tylko z ogromnymi stratami finansowymi, ale także z troską o środowisko. Dlatego ważnym problemem jest skuteczna diagnostyka warunków pracy urządzeń, w tym elementów elektronicznych i kontrola ich działania. Wykrywanie błędów w odpowiednim czasie umożliwia wprowadzenie środków zapobiegawczych i uniknięcie poważnych konsekwencji. Czujniki światłowodowe mają kilka zalet, z których ważniejsze to odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, niewielka waga i możliwość włączenia do mierzonej struktury. Najbardziej perspektywiczne są czujniki oparte na siatkach Bragga (FBG). Optyczne siatki Bragga mają kilka zalet, na przykład umożliwiają tworzenie rozproszonych układów pomiarowych, które zawierają kilka czujników. Są również niewrażliwe na wibracje źródła zasilania optycznego. Różnorodność wykorzystania czujników światłowodowych opartych na siatkach Bragga doprowadziła do wytworzenia siatek Bragga o różnych charakterystykach spektralnych. Jednorodne, optyczne siatki Bragga mają widma z pełnymi płatkami bocznymi, które mogą wpływać na charakterystykę przetwarzania czujnika temperatury. Aby wyrównać płatki boczne, stosuje się metodę apodyzacji, która jest jednym ze sposobów wpływania na formę widmową. W niniejszym artykule omówiono zagadnienia światłowodowych siatek Bragga, modelowania matematycznego i komputerowego z wykorzystaniem metody macierzy transferu. Metoda macierzy transferu pozwala na określenie charakterystyki widmowej składników optycznych w oparciu o teorię modów wiązanych i opis fali elektromagnetycznej, przechodzącej przez światłowód. W artykule przeanalizowano siatki Bragga zgodnie z cechami widmowymi, takimi jak widma transmisji i odbicia. Przeprowadzono również eksperyment z wpływem różnych parametrów na charakterystyki widmowe siatek Bragga. Zbadano cechy widmowe siatek Bragga i wybrano optymalne parametry siatki do projektowania czujników światłowodowych opartych na siatkach Bragga.

Słowa kluczowe

EN

Bragg grating; optical sensor; temperature; mathematical model

PL

siatka Bragga; czujnik optyczny; temperatura; model matematyczny

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 9, nr 2
• Strony: 28--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Wójcik Waldemar

• Lublin University of Technology,

autor

Kalizhanova Aliya

• Institute of Information and Computational Technologies, SR MES RK
• Al-Farabi Kazakh National University

autor

Kashaganova Gulzhan

• Institute of Information and Computational Technologies, SR MES RK
• Kazakh-American University

autor

Kozbakova Ainur

• Institute of Information and Computational Technologies, SR MES RK
• Al-Farabi Kazakh National University

autor

Aitkulov Zhalau

• Institute of Information and Computational Technologies, SR MES RK
• Al-Farabi Kazakh National University

autor

Orazbekov Zhassulan

• Institute of Information and Computational Technologies, SR MES RK
• Abai Kazakh National Pedagogical University

Bibliografia

• [1] Abdulina S.R., Vlasov A.A.: Suppression of side lobes in the Bragg fiber grating reflection spectrum. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing 50(1)/2014, 75–86.
• [2] Chen Y., Chen L., Liu H., Wang K.: Research of FBG sensor signal wavelength demodulation based on improved wavelet transform. Optic 124/2013, 4802–4804.
• [3] Cięszczyk S., Kisała P.: Inverse problem of determining periodic surface profile oscillation defects of steel materials with a Bragg fiber grating sensor. Appl. Opt. 55/2016, 1412–1420.
• [4] Demirdag O., Yildirim B.: Comparing transmission matrix method and AN- FIS in free vibration analysis of Timoshenko columns with applications. Res. Eng. Struct. Mat. 2/2016, 1–18.
• [5] Harasim D., Gulbakhar Y.: Improvement of FBG peak wavelength demodulation using digital signal processing algorithms. Proc. SPIE 9662, 2015, 966212.
• [6] Harasim D., Kisała P.: Układy przesłuchujące multipleksowane światłowodowe czujniki Bragga. Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska – IAPGOS 5(4)/2015, 77–84.
• [7] Kashyap R.: Fiber Bragg Gratings. Academic Press San Diego 2009.
• [8] Kenneth O., Meltz G.: Bragg Fiber Grating Technology Fundamentals and Overview. Journal of Lightwave Technology 15(8)/1997, 1263–1276.
• [9] Khalid K. S., Zafrullah M., Bilal S.M., Mirza M.A.: Simulation and analysis of Gaussian apodized Bragg fiber grating strain sensor. Journal of Optical Technology 7(10)/2012, 667–673.
• [10] Kisała P., Cięszczyk S.: Method of simultaneous measurement of two direction force and temperature using FBG sensor head. Applied Optics 54(10)/2015, 2677–2687.
• [11] Kisała P.: Method of simultaneous measurement of bending forces and temperature using Bragg gratings. Proc. SPIE 9506, 2015.
• [12] Kotyra A.: Optoelektroniczne systemy w zastosowaniach diagnostycznych i pomiarowych. Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska – IAPGOS 4(2)/2014, 9–10.
• [13] Majumder M., Gangopadhyay T.K., Chakraborty A.K., Dasgupta K., Bhattacharya D.K.: Bragg fiber gratings in structural health monitoring – present status and applications. Sensors and Actuators 147/2008, 150–164.
• [14] Negri L., Nied A., Kalinowski H., Paterno A.: Benchmark for Peak Detection Algorithms in Bragg Fiber Grating Interrogation and a New Neural Network for its Performance Improvement. Sensors 11/2011, 3466–3482.
• [15] Pereira G., McGugan M., Mikkelsen L.P.: Method for independent strain and temperature measurement in polymeric tensile test specimen using embedded FBG sensors. Polymer Testing 50/2016, 125–134.
• [16] Wójcik W., Kisała P.: The application of inverse analysis in strain distribution recovery using the Bragg fiber grating sensors. Metrology and Measurement Systems 16(4)/2009, 649–660.
• [17] Wójcik W., Kisała P.: Metoda wyznaczania funkcji apodyzacji światło-wodowych siatek Bragga na podstawie ich charakterystyk widmowych. Przegląd Elektrotechniczny 86(10)/2010, 127–130.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).