EKSPERYMENTALNE BADANIA CIĄGŁYCH ŚWIATŁOWODOWYCH CZUJNIKÓW ODKSZTAŁCEŃ WYKORZYSTUJĄCYCH ROZPRASZANIE BRILLOUINA.pdf

Mgr inŜ. Michał ZASADA, Miczasa@pg.gda.pl

Dr hab. inŜ. Krzysztof WILDE, prof. PG, Wild@pg.gda.pl

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów Politechniki Gdańskiej

mgr inŜ. Andrzej BANACH, Andrzej.Banach@telekomunikacja.pl

Centrum Badań Rozwojowych, Telekomunikacja Polska S.A.

EKSPERYMENTALNE BADANIA CI Ą GŁYCH

Ś WIATŁOWODOWYCH CZUJNIKÓW ODKSZTAŁCE Ń

WYKORZYSTUJ Ą CYCH ROZPRASZANIE BRILLOUIN’A

EXPERIMENTAL EXAMINATION OF CONTINUOUS BRILLOUIN SCATTERING FIBER OPTIC

STRAIN SENSORS

Streszczenie W niniejszym referacie przedstawiono wstępne badania eksperymentalne czujników

światłowodowych do ciągłego pomiaru odkształceń. Badane sensory wykorzystują zjawisko rozpraszania

Brillouin’a. Badania obejmowały testy systemu pomiarowego (BOTDR) dla włókien światłowodowych

rozciąganych siłami skupionymi w trzech konfiguracjach obciąŜenia. Wyniki badań wskazują, Ŝe BOTDR

poprawnie wskazuje poziomy odkształceń w badanych włóknach i określa miejsca przyłoŜenia obciąŜenia.

Badany system moŜe być uŜyty do ciągłego pomiaru odkształceń bardzo duŜych obiektów inŜynierii lądowej.

Abstract In this paper the experimental study on continuous Brillouin scattering fiber optic strain sensors is

presented. The optical fiber were tested by imposing tension through three configurations of the experimental

setup. The results of the measurements obtained from the BOTDR showed that the method can provide the

information about the strain with sufficient precision and the locations of the load application can be estimated.

The BOTDR might be used for strain measurements for very large civil engineering objects.

1. Wst ę p

Podnoszenie poziomu bezpieczeństwa uŜytkowania konstrukcji inŜynierskich o

specjalnym znaczeniu oraz pojawienie się nowych technologii umoŜliwiających budowę

bardzo dokładnych systemów diagnostycznych spowodowały szybki rozwój metod

monitorowania stanu obiektów. Rozwój technologii optoelektronicznych oraz coraz lepsze

rozpoznanie zjawisk towarzyszących propagacji światła we włóknie światłowodowym

umoŜliwiły powstanie nowoczesnych czujników do pomiaru odkształceń takich jak: czujniki

Fabry-Perot (F-P), czujniki Bragg’a (FBG), czujniki ciągłe oparte na wymuszonym

rozpraszaniu Brillouin’a [1].

Najbardziej powszechne w uŜyciu, są obecnie czujniki FBG, które mierzą odkształcenia w

punkcie i mogą być traktowane jako zamiennik powszechnie stosowanych tensometrów.

Zaletę czujników FBG jest moŜliwość pomiaru odkształceń, przy zastosowaniu odpowiedniej

konfiguracji urządzeń pomiarowych (interrogator i switch’e), nawet w 1200 punktach, przy

uŜyciu jednego włókna światłowodowego i jednego zestawu pomiarowego zachowując

349

Czujniki FBG wraz z urządzeniami

pomiarowymi są oferowane w sprzedaŜy komercyjnej i są stosowane w konstrukcjach

inŜynierskich, przemyśle lotniczym, okrętowym i jachtowym. Nowym optoelektronicznym

rozwiązaniem jest zastosowanie ciągłych czujników światłowodowych bazujących na

wymuszonym rozpraszaniu Brillouin’a [2]. Tego typu rozwiązanie umoŜliwia pomiar

odkształcenia na zwykłym pojedynczym światłowodzie w jego dowolnym punkcie na

długości nawet 120 km.

W niniejszym referacie przedstawiono wstępne badania nad zastosowaniem ciągłych

czujników wykorzystujących rozpraszanie Brillouin’a z intencja ich zastosowania do

obiektów inŜynierii lądowej. W pracy przedstawione są badania eksperymentalne wykonane

na Politechnice Gdańskiej w grudniu 2006 przy współpracy z Telekomunikacją Polską S.A.

De = 10

-6

2. Zasada działania ci ą głych czujników ś wiatłowodowych

Podstawą działania ciągłych czujników światłowodowych jest pomiar rozpraszania

Brillouin’a, którego rozkład ulega zmianie pod wpływem odkształcenia włókna

światłowodowego. Urządzenie o nazwie Brillouin Optical Time Domain Reflectometer

(BOTDR) słuŜy do wymuszenia w rozpraszania Brillouin’a i pomiaru jego intensywności w

załoŜonym przedziale częstotliwości. Przy pewnej mocy wiązki świetlnej wysyłanej przez

BOTDR w światłowodzie następuje wzbudzenie drgań siatki krystalicznej światłowodu, która

powoduje rozproszenie się energii fali świetlnej. Rozproszona fala porusza się w kierunku

przeciwnym do kierunku propagacji światła w światłowodzie. Analiza przesunięcia

częstotliwości fali rozproszonej o największej częstotliwości umoŜliwia określenie

odkształceń w danym punkcie światłowodu. Skanowanie całego światłowodu pozwala na

pomiar odkształceń na całej długości włókna, czyli nawet do 120 km. Dokładność pomiarów

odkształceń przez BOTDR jest podawana przez producenta jako

e =5

3. Cel i zakres bada ń

Badania rozpoznawcze związane z uŜyciem BOTDR wykonano w lipcu i wrześniu 2006 w

Centrum Badawczo Rozwojowym Telekomunikacji Polskiej w Lublinie. Badania

eksperymentalne ukierunkowane na pomiar odkształceń na małych bazach pomiarowych,

czyli z myślą o zastosowaniach w konstrukcjach budowlanych, wykonano w grudniu 2006 na

Wydziale InŜynierii Lądowej i Środowiska PG. Celem eksperymentów było:

350

dokładności pomiarową na poziomie

10 -6 [3].

Głównym zastosowaniem BOTDR jest poszukiwanie uszkodzeń światłowodów, gdzie

niezbędne jest sprawdzenie bardzo długich odcinków kabli światłowodowych z określeniem

przybliŜonego miejsca uszkodzenia. Potencjalne zastosowanie BOTDR do pomiarów w

obiektach budowlanych wymaga bardzo duŜych dokładności pomiarowych w ściśle

określonym punkcie konstrukcji, nie jest niezbędne skanowanie na kilometrowych odcinkach

obiektu. Systemy pomiarowe z zastosowaniem technologii wykorzystującej rozpraszanie

Brillouin’a mogą mieć zastosowanie w konstrukcjach o bardzo duŜych rozmiarach, na

przykład: do pomiarów odkształceń torów bezstykowych, pomiarów pełzania kabli w

konstrukcjach spręŜonych, kontrolowania stanu zestawu zbiorników na paliwa płynne,

monitorowania stanu obiektów uŜyteczności publicznej, wykrywania niebezpiecznych

pęknięć konstrukcji Ŝelbetowych czy do kontrolowania stanu wałów przeciwpowodziowych

[4,5].

o Wyznaczenie parametrów włókna światłowodowego niezbędnych do konfiguracji

urządzenia BOTDR: współczynnika odkształceniowego C e oraz zerowej

częstotliwość Brillouin’a dla uŜytego włókna.

o Wstepna werfikacja czułości systemu pomiarowego oraz wstępna ocena

algorytmu wyznaczania odkształceń stosowanego przez BOTDR.

o Zbadanie zachowania się układu pomiarowego przy róŜnych schematach

obciąŜenia włókna światłowodowego i przy róŜnych poziomach obciąŜenia.

Zakres badań obejmował testy trzech schematów obciąŜenia:

o Włókno światłowodowe obciąŜone jedną siłą na odcinku o długości 7m,

o Włókno światłowodowe obciąŜone trzema siłami na odcinku 7m,

o Włókno światłowodowe obciąŜone jedną siłą na odcinku 4cm,

4. Badania eksperymentalne

m. Wytrzymałość gwarantowana szkła we włóknie wynosiła 700 MPa, zaś

osłony 16 MPa [2]. Ze względu na parametry mechaniczne poszczególnych elementów

włókna światłowodowego konieczne było zaprojektowanie odpowiedniego sposobu

mocowania obciąŜenia, w taki sposób aby było ono przekazywane bezpośrednio na płaszcz

szklany. Osłona poliuretanowa uplastycznia się przy bardzo małym obciąŜeniu i z tego

powodu siły przyłoŜone do płaszcza po przekroczeniu pewnej wartości nie są przekazywane

na szklany rdzeń i płaszcz, co jest warunkiem właściwego działania czujnika. Zjawisko

zsuwania się obciąŜenia wraz z poliuretanową osłoną zaobserwowano podczas badań

przygotowawczych.

Rys. 1. Budowa włókna światłowodowego, Double Cladding firmy Lucent

Poliuretanową osłonę usunięto z włóka uŜywając stripper’a typu Miller. Następnie do

czystego szkła przyklejano krótką, naciętą tulejkę o małej średnicy wykonaną z PCV. Do

klejenia wykorzystano dwuskładnikowy klej epoksydowy. Po związaniu kleju do pierwszej

tulejki przyklejono naciętą dłuŜszą tulejkę o większej średnicy, na którą po połączeniu z

mniejszą tuleją nakładano przygotowane do tego celu pierścieniowe cięŜarki. Taki sposób

przykładania obciąŜania gwarantował punktowe, osiowe obciąŜanie włókna siłami o zadanej

wielkości i nie było konieczne rozwijanie włókna ze szpulki. Zaproponowany system

obciąŜania włókna został zastosowany do wszystkich badanych schematów obciąŜenia.

4.1 Badanie nr 1. Wyznaczenie charakterystyk włókna pomiarowego.

Celem pierwszego badania było wyznaczenie charakterystyk włókna pomiarowego, czyli:

współczynnika odkształceniowego C e

oraz zerowej częstotliwości Brillouin’a

n B0 . Te

351

Do pomiarów zastosowano włókno światłowodowe Double Cladding firmy Lucent o

długości około 5300 m. Jest to typowe włókno światłowodowe, które składa się z trzech

części: szklanego rdzenia i płaszcza oraz poliuretanowej osłony (Rys. 1). Średnica płaszcza

wynosi 125

parametry są róŜne dla kaŜdego rodzaju włókien. ZaleŜność pomiędzy częstotliwością

odpowiadającą maksymalnej intensywności rozpraszania Brillouin’a a odkształceniem

włókna światłowodowego (z pominięciem wpływu temperatury) określona jest wzorem (1):

n B = n B0

x (1 + C e

(1)

n B oznacza częstotliwość odpowiadającą maksymalnej intensywności rozpraszania

Brillouin’a,

n B0 to zerowa częstotliwość Brillouina odpowiadająca maksymalnej

intensywności rozpraszania Brillouin’a dla włókna nieobciąŜonego, C ḛ oznacza współczynnik

odkształceniowy zaś

przedstawia odkształcenie włókna światłowodowego.

Rys. 2. Schematy obciąŜeń dla badania nr 1, 2 i 3.

Tablica 1. Badanie nr 1. Zestawienie danych

pomiar

warto ść

obci ąŜ enia

[kg]

warto ść

napr ęŜ enia we

włóknie

[MPa]

przyj ę ty

współczynnik

odkształceniowy

C e

obliczona

analitycznie warto ść

odkształcenia [%]

0,00

0,04

32,00

0,045

0,04

32,00

3,53

0,045

0,04

32,00

3,53

0,045

0,08

64,00

3,23

0,091

0,08

64,00

3,23

0,091

0,16

128,00

3,23

0,182

352

gdzie:

0,16

128,00

3,23

0,182

0,16

128,00

3,23

0,182

0,16

128,00

3,23

0,182

Rys. 3. Badanie nr 1.Wykresy odkształceń z pomiarów.

Dla przedstawionego schematu obciąŜenia wykonano 14 pomiarów przy 6 poziomach

obciąŜeń. Dwa pierwsze poziomy obciąŜenia słuŜyły wyznaczeniu współczynnika

odkształceniowego C e z przyjęciem jego wstępnej wartości równej 1. Wyniki obliczeniowych

napręŜeń i odkształceń spręŜystych, przedstawione są w Tabl. 1. ObciąŜenie włókna przez 1

kg było szacowane jako cięŜar zrywający światłowód. Odkształcenia pomierzone przy

pomocy BOTDR przedstawione są na Rysunku 3. Wyniki pokazana są dla wycinka włókna

od jego 4455,5 m do 4475,5 m. Wyniki eksperymentalne wskazują miejsce przyłoŜenia siły

rozciągającej znajdującej się na odcinku od 4462 do 4469 m szczególnie dla duŜych

obciąŜeń. Analitycznie wyznaczone odkształcenie dla włókna obciąŜonego pierścieniami o

wadze 0,16 kg wynosi 0,182%, wyznaczone zaś eksperymentalnie 0,188%.

Odczytanie z wykresu rozpraszania Brillouin’a i wykresu odkształceń z BOTDR’a (w

miejscu, gdzie włókno nie jest obciąŜone) pozwoliło wyznaczyć zerową częstotliwość

Brillouin’a

4.2 Badanie nr 2. Pomiar rozkładu odkształce ń przy zmiennym rozkładzie

napr ęŜ e ń we włóknie.

Badanie nr 2 miało na celu poznanie rozkładu odkształceń pomierzonego przez BOTDR,

w przypadku zmiennego rozkładu napręŜeń we włóknie. Aby uzyskać załoŜony stan

obciąŜono odcinek, włókna światłowodowego o długości 7m w trzech punktach (rys. 2). W

353

n B0 = 10,844 GHz. Korzystając z obliczeń analitycznych dotyczących wartości

odkształceń dla danego poziomu obciąŜenia oraz odczytanej zerowej częstotliwości

Brillouin’a obliczono wartość współczynnika odkształceniowego C ḛ = 3,23 . Długość impulsu

skanującego wykonanych pomiarów, wynosiła 2ns, co odpowiada uśrednianiu z odcinka 2m.

Oznacza to, Ŝe urządzenie uśrednia wyniki odkształcenia z odcinków 2 m. Ta baza

pomiarowa przesuwana jest co 5 cm stwarzając moŜliwość odtworzenie rzeczywistego stanu

odkształcenia, z określeniem dokładnego punktu przyłoŜenia obciąŜenia.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: