СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ ТА КОНТРОЛЮ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТНИХ КОНСТРУКЦІЙ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-5364.2026.1.09Ключові слова:
система, моніторинг, контроль, полімерний композиційний матеріал, композитна конструкція, температура, деформація, сенсор, оптоволоконна бреггівська решіткаАнотація
У статті розглянуто методи вимірювання та контролю деформацій і температури в полімерних композиційних матеріалах із використанням оптоволоконних бреггівсь-ких решіток (ОБР) як інтегрованих сенсорних елементів. Полімерні композиційні мате-ріали набули широкого застосування в авіаційній, енергетичній, транспортній, маши-нобудівній, приладобудівній та робототехнічній галузях, де поєднання малої маси, ви-сокої питомої міцності та жорсткості супроводжується підвищеними вимогами до на-дійності та контролю технічного стану конструкцій у процесі експлуатації. З огляду на це актуальним є створення засобів безперервного моніторингу напружено-деформованого та температурного стану композитних елементів без порушення їхньої цілісності.
Запропонований підхід ґрунтується на інтеграції оптоволоконних бреггівських решіток безпосередньо в об’єм полімерного композиційного матеріалу, що забезпечує можливість локального та розподіленого контролю деформаційних і температурних па-раметрів у режимі реального часу. У роботі проаналізовано фізичні принципи форму-вання бреггівського відбиття, механізми впливу механічних деформацій і температур-них змін на спектральні характеристики решіток, а також методи розділення темпера-турної та деформаційної складових вимірювального сигналу на основі використання еталонних сенсорів і алгоритмів компенсації.
Наведено результати експериментальних досліджень, що підтверджують ліній-ність відгуку ОБР у досліджуваних діапазонах навантажень і температур, високу по-вторюваність вимірювань та добру узгодженість отриманих даних із теоретичними мо-делями й результатами альтернативних методів контролю. Показано можливість засто-сування ОБР для одночасного вимірювання деформацій і температури в умовах змін-них теплово-механічних впливів.
На основі отриманих результатів розроблено структурну схему системи автома-тичного моніторингу та контролю напружено-деформованого стану полімерних компо-зиційних конструкцій. У запропонованій системі оптоволоконні бреггівські решітки виконують функції первинних вимірювальних перетворювачів, формуючи інформацій-ні сигнали для подальшої цифрової обробки, оцінювання технічного стану та реалізації адаптивних або предиктивних алгоритмів керування. Запропонований підхід створює передумови для переходу від періодичного контролю до безперервного автоматизова-ного моніторингу та може бути використаний під час проєктування інтелектуальних композитних конструкцій з підвищеними вимогами до безпеки та надійності.
Посилання
Talam D. B., El-Badawy El-S. A., Shalaby H. M. H., Ali M. H. EDFA gain flatten-ing using fiber Bragg gratings employing different host materials. Optical and Quantum Elec-tronics. 2020. Vol. 52, No. 3. Art. 161.
Bhaskar C. V. N., Pal S., Pattnaik P. K. Recent advances in fiber Bragg grating based temperature and strain measurement. Results in Optics. 2021. Vol. 5. Art. 100130.
Wang H.-P., Dai J.-G., Wang X.-Z. Improved temperature compensation of fiber Bragg grating-based sensors applied to structures under different loading conditions. Optical Fiber Technology. 2021. Vol. 63. Art. 102506.
Kumar J., Mahakud R., Kumar S., Saini P. K., Prakash O., Dixit S. K., Nakhe S. V. Analysis and experiment on simultaneous measurement of strain and temperature by etched and un-etched FBG pair. Results in Optics. 2021. Vol. 5. Art. 100135.
Campanella C. E., Cuccovillo A., Campanella C., Yurt A., Passaro V. M. N. Fibre Bragg grating based strain sensors: review of technology and applications. Sensors. 2018. Vol. 18, No. 9. Art. 3115.
Zhu Ch., Gerald R., Huang J. Progress toward sapphire optical fiber sensors for high-temperature applications. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2020. Vol. 69, No. 11. P. 8639–8655.
Van Steenkiste R. J. Strain and temperature measurement with fiber optic sensors. Boca Raton, FL, USA CRC Press, 1996. 294 p. ISBN 978-1-56676-480-3.
Fernández-Medina A., Frövel M., López Heredero R., Belenguer T., de la Torre A., Moravec C., San Julián R., Gonzalo A., Cebollero M., Álvarez-Herrero A. Embedded fiber Bragg grating sensors for monitoring temperature and thermo-elastic deformations in a carbon fiber optical bench. Sensors. 2023. Vol. 23, No. 14. Art. 6499.
Troytskyi V. A., Karmanov M. N., Troytskaia N. V. Nerazrushaiushchyi kontrol kachestva kompozytsyonnykh materyalov. Tekhnycheskaia dyagnostyka y nerazrushaiushchyi kontrol. 2014. No. 2. P. 29–33.
Tsai L., Cheng T. C., Chiang C. C., Lin C. L. Application of the embedded optical fiber Bragg grating sensors in curing monitoring of Gr/epoxy laminated composites. Proceed-ings of SPIE The International Society for Optical Engineering. 2009. Vol. 7293. Art. 729307.
Nevliudov I. Sh., Tokarieva O. V. Avtomatychne upravlinnia tekhnolohichnymy obiektamy. Kharkiv : KhNURE, 2018. 190 p.
Silvestrov A. M., Ostroverkhov M. Ya., Shefer O. V., Ladik N. A., Zimenkov D. K. Suchasni systemy avtomatychnoho keruvannia tekhnolohichnymy kompleksamy. Kyiv : KPI im. Ihoria Sikorskoho, 2023. 386 p.
Powell J. D., Emami-Naeini A. F., Ivler C. M. Feedback control of dynamic sys-tems. 9th ed. Pearson, 2025. 1046 p.
Oustaloup A. Control in system dynamics: comparative analysis of feedback strat-egies. John Wiley and Sons Ltd, 2024. 464 p.
