Исследование статистических характеристик шума в показаниях волоконных брэгговских решеток при измерении деформаций
Authors: Сероваев Г.С. , Галкина Е.Б. , Конюхов В.А. 
Published: January 2025

Применение волоконно-оптических датчиков (ВОД) востребовано в различных областях науки и техники благодаря их высокой чувствительности, стабильности измерений, возможности работы в широком диапазоне температур. Малый размер оптического волокна делает данный тип чувствительных элементов пригодным для встраивания в материал на этапе его изготовления, что открывает новые возможности для контроля механического состояния. Как и для любого другого датчика, измерение деформаций с помощью ВОД сопряжено с наличием разброса в амплитуде последовательных измерений при отсутствии внешних воздействий на измерительную систему. Уровень такого шума определяет минимальный порог деформаций, который возможно достоверно зарегистрировать с помощью данного типа датчиков. В работе проведено исследование статистических характеристик шума в показаниях ВОД на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР). Измерение деформаций с помощью ВБР осуществляется посредством интеррогатора, вводящего оптическое излучение в оптоволокно и регистрирующего отраженный от ВБР оптический спектр. Анализ выполнен на выборке из десяти ВБР с целью определения амплитуды размаха показаний и стандартного отклонения от среднего значения. Результаты показали, что максимальный размах амплитуды составляет 8.3 µε. Однако в силу того, что исследуемый сигнал подчиняется закону нормального распределения, основная часть измерений находится в диапазоне ±1.8 µε. Для повышения точности измерений и снижения уровня шума применен фильтр скользящего среднего с различным количеством точек осреднения. Исследование направлено на оценку минимального порога изменения деформаций, который способен зафиксировать ВОД на основе ВБР, что особенно актуально для задач, требующих точного измерения малых величин деформаций.

The use of fiber-optic sensors (FOSs) is in demand in various fields of science and technology due to their high sensitivity, measurement stability, and the ability to work in a wide temperature range. The small size of the optical fiber makes this type of sensing elements suitable for embedding in the material at the manufacturing stage, which opens new possibilities for monitoring the mechanical state of structures. As for any other sensor, the measurement of strains using FOSs is associated with the presence of a spread in the amplitude of successive measurements in the absence of external influences on the measuring system. The level of such noise determines the minimum threshold of strains, which can be reliably measured using this type of sensors. The paper investigates the statistical characteristics of noise in FOS readings based on fiber Bragg gratings (FBG). Strain measurement with the help of the FBG is carried out by means of an interrogator that send an optical signal into the optical fiber and registers the optical spectrum reflected from the FBG. The analysis was performed on ten FBGs in order to determine the amplitude range of readings and the standard deviation. The results showed that the maximum amplitude span is 8.3 µε. However, due to the fact that the studied signal follows the law of normal distribution, the main part of the measurements lies in the range ±1.8 µε. To improve measurement accuracy and reduce noise, a moving average filter with a different number of averaging points has been applied. The study is aimed at assessing the minimum threshold for strain changes that can be measured by FOSs based on FBG, which is especially important for problems requiring accurate measurement of small strains.