[go: up one dir, main page]

NO300345B1 - Fremgangsmåte og fiberoptisk interferometer for analyse av en byggverkskomponents dynamiske deformasjon - Google Patents

Fremgangsmåte og fiberoptisk interferometer for analyse av en byggverkskomponents dynamiske deformasjon Download PDF

Info

Publication number
NO300345B1
NO300345B1 NO902763A NO902763A NO300345B1 NO 300345 B1 NO300345 B1 NO 300345B1 NO 902763 A NO902763 A NO 902763A NO 902763 A NO902763 A NO 902763A NO 300345 B1 NO300345 B1 NO 300345B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
laser beam
fiber
deformation
fiber bundle
measuring
Prior art date
Application number
NO902763A
Other languages
English (en)
Other versions
NO902763D0 (no
NO902763L (no
Inventor
Paolo Campbelli
Mario Martinelli
Original Assignee
Agip Spa
Informazioni Studi Ed Esperien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agip Spa, Informazioni Studi Ed Esperien filed Critical Agip Spa
Publication of NO902763D0 publication Critical patent/NO902763D0/no
Publication of NO902763L publication Critical patent/NO902763L/no
Publication of NO300345B1 publication Critical patent/NO300345B1/no

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/08Testing mechanical properties
    • G01M11/083Testing mechanical properties by using an optical fiber in contact with the device under test [DUT]
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35383Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og en anordning for måling av materialdeformasjon i et byggverk, eller deler av et byggverk, i den hensikt å bestemme variasjonen i denne deformasjon når byggverket utsettes for krefter som varierer i styrke og retning med tiden. Nærmere bestemt gjelder fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen bestemmelse av materialdeformasjonen i legemer som er vanskelig tilgjengelige og/eller befinner seg i uvennlige omgivelser slik at bruk av tradisjonelle måleapparater som f.eks. vanlige ekstensiometere eller akselerometere er upraktisk eller nytteløs.
Det å bestemme variasjonen i deformeringen av et legeme som utsettes for krefter som varierer med tiden er nyttig med tanke på få kjennskap til legemets oppførsel, som f.eks. vibrasjonstilstander samt fordelingen og arten av indre påkjenninger, og få kjennskap til påkjenninger det utsettes for utenfra og som det ellers ikke ville være mulig å fastslå med tilstrekkelig nøyaktighet samt få forståelse for hvilke botemidler man bør gripe til for å forhindre skade på legemet, samt for diagnoseformål, for derved å bringe et byggverks tilstand på det rene.
Oppfinnelsen angår således det tekniske problem som foreligger ved måling av dynamiske deformasjoner i kontinuerlig oscillerende byggverk. Et typisk eksempel på et sådant byggverk er et stigerør fra et undersjøisk oljefelt, som utsettes for diverse påkjenninger pga. bølger og vindkast, idet stigerøret vanligvis er forankret til sjøbunnen slik at de oppoverragende stigerørpartier i perioder utsettes for nevnte type påkjenninger, som varierer raskt med tiden.
Under sådanne forhold er det ikke tilstrekkelig å vite tilstandstypen (strekk eller sammen-presning) i hver delkomponent av strukturen. Det er nødvendig også å vite hvor hurtig fortegnet for tilstanden veksler (mellom positivt og negativt) samt størrelsen av endring-en. Det er også nødvendig å kjenne til om den påkjente struktur oscillerer med sin første, andre eller n-te harmoniske frekvens for å være i stand til å sammenligne oscillasjonene med de tilførte påkjenninger.
Tidligere er det fra GB-patent nr. 2 144 215 kjent en enkelt interferometrisk føler, hvor en optisk fiber anvendes og et referansesignal sammenlignes med et signal som reflekteres fra den speilende fiberendeflate, idet signalet som reflekteres passerer to ganger gjennom fiberen, dvs. i begge retninger. Denne føler fordrer tilgang til en enkelt fiber-ende. Prototypen på en sådan føler er beskrevet nedenfor i forbindelse med fig. 1 på de vedføyde tegninger. Dette GB-patent foreslår imidlertid ikke å utnytte flere sådanne følere, og denne kjente føler er da alene heller ikke egnet for måling av dynamisk frembragte deformasjoner.
Videre er det fra GB-patent nr. 2 147 759 tidligere kjent en optisk føler beregnet på påvisning av akustiske bølger, og hvor det anvendes flere fibre av forskjellig lengde fra et felles utgangspunkt. Med denne føler vandrer det gjennom hver fiber et utgående signal og flere reflekterte signaler, men sistnevnte signaler er innbyrdes forskjøvet i tid avhengig av den tilbakelagte distanse. Returen av flere signaler som vandrer langs samme fiber, fordeles over et kort, men ikke uvesentlig tidsrom. Derfor kan ingen ny impuls sendes ut før etter at de reflekterte signaler er blitt innsamlet, identifisert og registrert.
For den type påkjenningsbestemmelse det her er tale om, er det nødvendig på en og samme tid å kjenne til hvordan hver enkelt-seksjon i vedkommende struktur deformeres hver for seg, og sådant kjennskap fordres for hvert øyeblikk. For å oppnå dette fordres det en analyse av ett eneste reflektert signal i hver fiber, generert av et kontinuerlig signal, hvilket ikke er mulig med de kjente anordninger. Ved hjelp av en sådan analyse vil det imidlertid bli mulig å rekonstruere et "deformasjonsmønster" for strukturen, og deretter gjør variasjonene i et sådant deformasjonsmønster det mulig å utlede typen og størrelsen av den aktuelle påkjenning.
Foreliggende oppfinnelse gjelder således en fremgangsmåte for å analysere en byggverkskomponents dynamiske deformasjon ved i et fiberoptisk interferometer å sammenligne modulasjonsforskjellen mellom en første målende laserstråle som har forplantet seg i begge retninger gjennom en første optisk fiberbunt og en andre målende laserstråle som har forplantet seg i begge retninger gjennom en andre optisk fiberbunt av samme lengde som den første fiberbunt, idet hver fiberbunt i sin fjerne ende har en reflekterende flate og består av flere fibre av forskjellig lengde og fiberbuntene er anordnet på hver sin motsatte side av nevnte byggverkskomponent.
På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk fra de ovenfor nevnte GB-patenter, har da fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at den omfatter følgende trinn:
(a) lysets fasemodulasjon påvises,
(b) målingen av vedkommende byggverkskomponents deformasjon utføres ved at den lengdevariasjon som finner sted i hvert parti av en rekke byggverkspartier av forskjellige lengder måles, idet hvert parti fullstendig inneholder alle partier av kortere lengde i rekken og har en optisk fiber av samme lengde i en av nevnte
fiberbunter stivt festet til seg, for derved å registrere byggverkets deformasjon, og (c) lengdevariasjonene måles ved at faseforsinkelsen mellom nevnte første målende laserstråle og nevnte andre målende laserstråle påvises på grunnlag av den glidning i interferenskantene som frembringes av nevnte lysstrålers innfall mot en strålesplitter, hvor nevnte stråler rekombineres.
Oppfinnelsen gjelder også en fiberoptisk interferometeranordning for å analysere en byggverkskomponents dynamiske deformasjoner, idet anordningen omfatter:
- en laser for å frembringe en laserstråle,
- utstyr for å splitte laserstrålene i to målende stråler for forplantning i begge retninger gjennom henholdsvis en første og en annen optisk fiberbunt av samme lengde og med en reflekterende flate i sin fjerne ende, idet hver fiberbunt består av flere fibre av
forskjellig lengde,
- utstyr for å fasemodulere første og andre målende laserstråle,
- utstyr for å påvise lysets fasemodulasjon, samt
- detektorutstyr for å påvise faseforsinkelsen mellom første og andre målende laserstråle på grunnlag av den glidning av interferenskantene som frembringes av nevnte strålers innfall tilbake mot en innretning, hvor strålene rekombineres.
På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk fra de ovenfor nevnte GB-patenter, har da den fiberoptiske interferometeranordning i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at de optiske fibre av forskjellig lengde i hver fiberbunt er stivt forbundet med hvert sitt parti av samme lengde som fiberen i nevnte byggverkskomponent, idet hvert byggverksparti omfatter i sin helhet alle øvrige byggverkspartier av kortere lengde.
I en foretrukket utførelse av fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen er det forutsatt fire like bunter optiske fibre anbragt i kvadratur på vedkommende struktur eller byggverk, idet hver bunt, hver for seg, består av flere optiske fibre av forskjellig økende lengde fra et felles utgangspunkt. Hver eneste optiske fiber har en tilhørende speilende endeflate, således at et lyssignal innført i fiberen går helt ned til enden og bare reflekteres ved denne. For hvert utgående signal opptrer det da bare et eneste tilsvarende tilbakeført signal. Systemet mates kontinuerlig med laserlys, således at deformasjonstilstandene fastlegges fortløpende og deres variasjoner måles. Deformasjonen i fiberen tilsvarer en fasemodulasjon og den tilpassede konfigurasjon av buntene muliggjør en differensialanalyse av deformasjonene. For eksempel ved å subtrahere faseforsinkelsen langs en generatriselinje for en fiber n fra den for en fiber n+ 1, oppnår man deformasjonen i det parti som har en lengde lik lengden av fiber n+ 1 minus lengden av fiber n, og det blir da mulig å finne ut om dette parti strekkes eller sammenpresses, osv.
Ved å sammenligne deformasjonen i ensliggende seksjoner langs forskjellige generatriselinjer, kan man ta rede på amplituden, den nøytrale akse og fortegnet for bøye-påkjenningen, hvilket bare er mulig dersom alle deformasjoner måles samtidig. Målinger som utføres ved hjelp av avsøkning, slik som med føleren ifølge nevnte GB-patent nr. 2 147 759, er derimot anvendbare bare på strukturer hvis tilstand ikke stadig endrer seg.
Differensialanalysen sammenligner to signaler som begge har strømmet gjennom vedkommende optiske fiber, for å fastlegge deformasjonsforskjellen som foreligger mellom de to fibre, og derved for den byggverksseksjon som fibrene er festet til. Eventuelt kan forskjellen i deformasjon av en og samme fiber fastlegges på forskjellige tidspunkter. Dette er således et fremtredende trekk ved den foreliggende oppfinnelse.
Oppfinnelse vil nå bli beskrevet ved hjelp av et eksempel som ikke skal oppfattes som begrensende for oppfinnelsen, idet det henvises til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 viser en fiberoptisk interferometerføler av kjent type, anskueliggjort i sin mest
generelle form,
fig. 2 viser en typisk utførelse av en fiberbunt i en interferometeranordning i henhold til
oppfinnelsen,
fig. 3 viser en utførelse av en interferometeranordning i henhold til oppfinnelsen, hvor
de optiske fibre foreligger i et antall identiske bunter, og
fig. 4 er et blokkskjema over en elektro-optisk enhet (UEO) i anordningen vist i fig. 3.
Beskrivelsen gjøres med henvisning til en typisk utførelse innen petroleumsindustrien, og særlig under henvisning til oppoverragende rør, ålment kjent som stigerør, som forbinder brønnhodet i hydrokarbonforekomster under vann til plattformer (som f.eks. TLP-er, dvs. strekkforankrede plattformer) på havoverflaten, eller til flytende anordninger som holdes i stilling ved hjelp av andre typer forbindelser til havbunnen, og som holdes i strekk ved hjelp av oppdriftstrykk og/eller propeller.
Det er klart at anordningen i henhold til oppfinnelsen også kan anvendes for å fastslå materialdeformasjon på andre tekniske områder, som f.eks. i gitterverk eller komponent-er i slike, som utsettes for varierende belastning eller periodiske påkjenninger, f.eks. fagverksbroer og -kraner, samt fagverksmaster for lange høyspentkabler, maskindeler, osv.
I det beskrevne utførelseseksempel angående stigerør utgjør stigerøret en av de mest følsomme deler av infrastukturen i forbindelse med drift av hydrokarbonforekomster under vann, idet brudd i stigerøret både vil føre til miljøskader og lengre avbrudd i driften av forekomsten, samt betraktelige utgifter i forbindelse med gjenoppstarting av driften.
I den grad det er mulig holdes slike stigerør fri for de forankringskrefter som er forbundet med å holde plattformen eller den flytende farkost i sin riktige stilling i forhold til havbunnen, men pga. virkningen av bølgebevegelse, vind, tidevann og strømninger, utsettes likevel et stigerør for periodiske bevegelser og påkjenninger som må overvåkes kontinuerlig.
Når deformasjonen måles, utfører anordningen i henhold til oppfinnelsen ekstensio-metriske målinger ved hjelp av optiske fibre. Grunnlaget for målingene er en fiberoptisk transduktor som omformer den deformasjon den gjennomgår, til modulasjon av hoved-parametre for det transporterte lys, dvs. lysstyrke, polarisering og fase.
Fiberoptiske ekstensiometer-transduktorer som hver for seg utnytter hver av disse modulasjonstyper, enten ved hjelp av direkte måling, eller indirekte måling, er kjent. Når måling gjøres direkte, er den optiske fiber stivt festet til den del av byggverket som skal undersøkes. Når måling utføres indirekte, bringes materialdeformasjonen til å virke på en innretning som selv inneholder en optisk fiber. Når fiberoptiske ekstensiometerfølere som er innrettet for å måle lysstyrke-modulasjon benyttes for å løse det tekniske problem den foreliggende oppfinnelse er rettet på, er de i stand til å gi rene deformasjonsmåling-er, men samtidig har de tallrike ulemper som f.eks. ulinearitet i følsomhets- og måle-karakteristikken, begrenset målegrunnlag, begrenset frekvensrespons og dårlig system-pålitelighet.
Likeledes har ekstensiometerfølere som er innrettet for å måle polariseringsmodulasjon ulemper i form av deres ulinearitet og høye følsomhet overfor forstyrrelser. Fasemodula-sjonsfølere av autointerferometertype er lineære og enkle, men de har andre ulemper, som f.eks. behov for tilgang til fiberens begge ender, samt frekvensmodulasjonsproblem-er.
Anordningen i henhold til oppfinnelsen er derimot basert på å bruke fiberoptiske følere for interferensmåling av fasemodulasjon, idet laserkilder benyttes for å måle vibrasjon og langsom deformasjon. Slike målefølere som angår det å utføre målinger som er uforstyrret av omgivelsesstøy, er beskrevet i EP-patent nr. 64 789 og nevnte GB-patent nr. 2 144 215. Med denne type følere gjennomgår den optiske fiber, som er stivt forbundet til det mekaniske byggverk som deformeres, en endring i sine geometriske og optiske egenskaper, og som f.eks. bevirker en faseforsinkelse i det førte lys. Forholdet mellom den samlede deformasjon påtrykket fiberen og den målte faseforskyvning av lysstrålen er lineær over hele måleområdet.
En sådan kjent fiberoptisk interferometerføler er med tanke på konstruksjon og virke-måte, vist i sin mest generelle form i fig. 1, hvor strålen 1 fra en laserkilde 2 splittes opp i to deler ved hjelp av en oppsplitterinnretning BS, slik at det dannes en referanselys-stråle 3 og en målestråle 4. Sistnevnte videreføres til en kobling C og mates så over et passende optisk fokuseringssystem av konvensjonell type (ikke vist) inn i den optiske følerkabel 5.
Denne optiske fiber er gjort speilende i sin ende M ved at en egnet tynn reflekterende film er avleiret på dens plane endeoverflate. For å unngå svingninger i polarisasjons-tilstanden til lyset som føres gjennom fiberen ved hjelp av strålen 4, og som kan oppstå pga. hvilken som helst krumning med liten radius i fiberen, kan det være fordelaktig å anvende en fiber som opprettholder polariseringen. I dette tilfelle bevirker en forsink-elsesplate HWP at polariseringsplanet til det inngående lys sammenfaller med et av den optiske fibers to dobbeltbrytningshovedplan. Etter å ha passert gjennom den optiske fiber 5 i begge retninger etter starten fra forsinkelsesplaten HWP, formidler returlysstrål-en fra den optiske fiber den informasjon som er påkrevet for målingen, dvs. den optiske fasemodulasjon, idet lysstrålen reflekteres ved enden M og kommer tilbake i motsatt retning. Denne optiske fasemodulasjon er proporsjonal med fiberens deformasjons-tilstand.
Den optiske fiber 5 benyttes som deformasjonsføler, idet dens endeparti 7, mellom 8 og M, festes stivt til det legeme 6 som skal måles. Nærmere bestemt består føleren for måling av deformasjonen av legemet 6, over det parti av legemet som befinner seg mellom 8 og M, av den del av den optiske fiber som i fig. 1 er angitt med tallet 7.
Det optiske retursignal 9 bringes til å interferere med referansestrålen 3 i oppslittings-innretningen BS. På dette punkt har referansestrålen 3 allerede passert to ganger gjennom en modulator UM, idet den er blitt reflektert i et speil RM. Hensikten med modulatoren UM, som styres av et modulasjonssignal Um, er å forsyne interferometer-systemet med en passende frekvensomsetning for å muliggjøre en bedre rekonstruksjon av fasesignalet, inkludert fortegnet til det mekaniske deformasjonsfenomeh. Interfero-metersignalet som genereres i oppslitteren BS påvises ved hjelp av en fotodetektor PD og tilføres en elektronisk enhet for demodulering av signalet.
Av de nedenfor nevnte grunner er en ekstensiometerføler av denne type meget fordelaktig, da den oppviser:
- meget stor følsomhet,
- praktisk talt ubegrenset målingsgrunnlag,
- lineær føler-respons,
- stor anvendelsesfleksibilitet med hensyn til systemgeometri,
- bredt frekvensområde,
- stor dynamisk mottagelighet for målte deformasjonsverdier.
En anordningen i henhold til oppfinnelsen utnytter flere sådanne fasemodulerte fiberoptiske interferometerfølere. En slik anordning beskrives nedenfor med henvisning til fig. 2 og 3 som viser en typisk utførelse av anordningen, som likevel ikke skal oppfattes å være begrensende for oppfinnelsen.
Som vist i fig. 2 er de optiske fibre i føleren buntet parallelt sammen med hverandre, slik at det dannes en bunt i hvilken alle fibrene begynner på samme nivå, men hvor fibrene har forskjellig lengde L, og derfor er i stand til å måle deformasjon som opptrer over den lengde L av det byggverksparti som vedkommende fiber er stivt festet til.
De optiske fibre kan også settes sammen til en kabel som festes til byggverket, men i
henhold til et foretrukket utførelseseksempel på oppfinnelsen føres bunten med fibre av forskjellig lengde inn i en beskyttende mantel, f.eks. i rustfritt stål, som så gjøres fast til byggverket. Eksempelvis kan mantelen festes til byggverket ved hjelp av en kontinuerlig sveis, eller punktsveis, idet det anvendes sveisematarial som også kan ha et mellom-
liggende konvekst innstikk, eller ved hjelp av lim eller annet bindemiddel. Såsnart mantelen er festet, deformeres den på samme måte som byggverket, hvilket den optiske fiber inne i den også gjør.
De optiske fibre 7g ... 7k av henholdsvis lengde Lg ... Lj utgjør ekstensiometerføleren som anvendes på byggverket for måling av deformasjon over lengdene Lg ... Lj, over hvilke de er stivt festet til byggverket, idet det viste byggverk (i fig. 3) er et rør.
For å oppnå den ønskede informasjon må rekonstruksjonen av deformasjonen baseres på parallell analyse av et stort antall signaler som stammer fra forskjellige lengder av det byggverk som undersøkes, slik at deformasjonsvariasjonen langs byggverket kan fremskaffes. Det er også nødvendig å rekonstruere byggverkets deformasjon i rommet ved å fastslå denne i forhold til to innbyrdes rettvinklede plan. Det er videre nødvendig å oppheve virkningen av aksiale deformasjonsbidrag som oppstår pga. aksial belastnings-påvirkning på stigerøret, som det foreliggende utførelseseksempel gjelder, idet denne belastning i det minste utgjøres av rørets egen tyngde.
Disse fordringer tilfredsstilles ved hjelp av et foretrukket utførelseseksempel på oppfinnelsen, og som er vist i fig. 3, hvor de fiberoptiske følere for fasemodulasjon er inndelt i et antall identiske bunter anordnet på byggverket i form av en dobbel føler-sammenstilling anbragt i kvadratur.
En sammenstilling av modulære elektro-optiske enheter UEO omformer fasemodulasjon-en frembragt ved deformeringen, til analoge elektriske utgangssignaler u. Hver slik enhet UEO er knyttet til to optiske fibre ordnet i differensial-konfigurasjon, slik at bare deformasjonstilstanden pga. bøyning blir målt. Over hvert parti av lengde Lj er det plassert et dobbelt par følere j, jq, slik at deformasjonen i to innbyrdes rettvinklede plan kan rekonstrueres punkt for punkt. For et antall n målepunkter finnes det 4n ekstensio-meterfølere og 2n elektro-optiske enheter.
Signalet Uj fra enheten UEOj behandles i en elektronisk enhet UEj og mates i analog form til et datainnsamlingssystem. Signalet e} er, i samsvar med et fast kjent forholdstall, direkte proporsjonalt med fasemodulasjonsverdien.
Fiberpartiet Cl er følsomt for "ikke-felles" støy som oppstår pga. deformasjon eller vibrasjon. Denne støy kan fjernes med en innretning av den type som er beskrevet i nevnte GB-patent nr. 2 144 215, eller den kan bli tilfredsstillende redusert ved å gjøre partiet Cl så kort som mulig og holde det i en fast stilling, dvs. gjøre det så uimottagelig som mulig overfor å bli deformert. Fiberpartiet IM utgjør ekstensiometerføleren som får deformeres i stiv forbindelse med rørlegemet 10.
Skissen av den elektroniske enhet UEO, som er vist i fig. 4, er et blokkskjema over et fiberoptisk interferometer av Michelson-type med frekvens-skift eller -modulasjon. I oppsplitterinnretningen BS splittes det innkommende lasersignal opp i to signaler som tilføres en modulasjonsenhet UM som frembringer et frekvensskift. Dette frekvensskift er nyttig for det formål å fullstendig rekonstruere utviklingen av deformasjonen med riktig fortegn.
De to laserstråler fra modulasjonsenheten UM mates inn i de optiske fibre over utstyr som i figuren er merket PBS, FR og HWP, og som har følgende funksjoner: - å hindre retursignalet gjennom den optiske fiber fra igjen å blandes inn i retning av oppsplitteren BS og laseren,
- å fjerne hele signalet som kommer fra den optiske fiber, og
- å mate laserstrålen med riktig polarisering inn i den optiske målefiber.
Strålene fra laseren mates inn i de polarisasjonsbevarende fibre langs dobbeltbrytnings-hovedaksen og reflekteres ved fiberenden M forsynt med speiloverflate. Den polarisasjonsbevarende fiber er en enkelt-modus fiber som pga. sin høye dobbeltbrytning, har den særpregede egenskap at den har to hovedforplantningsplan i hvilke lineært polari-sert lys hovedsakelig beholder sin polarisasjonstilstand. Bruken av slike optiske fibre hindrer forstyrrelser pga. polarisasjonssvingninger, samtidig som gode interferometriske følsomhetsegenskaper opprettholdes.
Returlyset som samles opp ved hjelp av separatorene PBS, settes sammen igjen ved innblanding i oppslitteren BS. Fotodiodene PD er anordnet i en differensial-konfigurasjon som gjør at fellestilstandsstøy avvises.
Signalet Uj fra forsterkeren A tilføres den elektroniske behandlerenhet UE som også inneholder en programmerbar bærebølgegenerator som mater enheten Um med et signal um, samt en demodulasjonskjede. Signalet Uj tilføres et frekvensmodulasjonstrinn og en integrator. Utgangssignalet ej utgjør det påkrevde analoge signal som er proporsjonalt med forskjellen i fasemodulasjon mellom de optiske fibre, og som er proporsjonal med forskjellen mellom to generatriser av stigerøret.
Ekstensiometeranordningen i henhold til oppfinnelsen har tallrike fordeler som omfatter følgende: Dens pålitelighet er tilstrekkelig stor til å muliggjøre bruk i et ubemannet, uvennlig miljø, fordi bare de fiberoptiske følere som er tildekket med en mantel eller sammen-stilt til en kabel, utsettes for de barske omgivelser, mens det resterende av anordningen befinner seg i et beskyttet miljø.
Det lille tverrsnittsmål av den optiske fiberbunt, innbefattet dens beskyttelse, og som tilsammen bare utgjør noen millimeter, betyr at det ikke finnes noe som forringer stigerørets hydrodynamiske egenskaper, og det er heller ikke nødvendig å gjøre endringer ved selve stigerøret.
Anordningen gjør det mulig å foreta beregninger med stor nøyaktighet innenfor et stort måleområde ved hjelp av lineær omforming av komplekse størrelser, og med rikelig dynamisk mottagelighet.
Videre er den enkel å utforme og installere pga. sin modulære oppbygning, hvilket også gjør at den lett kan tilpasses meget ulike byggverksstrukturer.
Anordningen har også den fordelaktige egenskap at den kan benyttes i differensial-oppstillinger hvor målestrålen og referansestrålen overføres i adskilte fibre, hvilket gjør det mulig å avvise alle ytre fellespåkjenninger.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for å analysere en byggverkskomponents dynamiske deformasjon ved i et fiberoptisk interferometer å sammenligne modulasjonsforskjellen mellom en første målende laserstråle som har forplantet seg i begge retninger gjennom en første optisk fiberbunt og en andre målende laserstråle som har forplantet seg i begge retninger gjennom en andre optisk fiberbunt av samme lengde som den første fiberbunt, idet hver fiberbunt i sin fjerne ende har en reflekterende flate og består av flere fibre av forskjellig lengde og fiberbuntene er anordnet på hver sin motsatte side av nevnte byggverkskomponent, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: (a) lysets fasemodulasjon påvises, (b) målingen av vedkommende byggverkskomponents deformasjon utføres ved at den lengdevariasjon som finner sted i hvert parti av en rekke byggverkspartier av forskjellige lengder måles, idet hvert parti fullstendig inneholder alle partier av kortere lengde i rekken og har en optisk fiber av samme lengde i en av nevnte fiberbunter stivt festet til seg, for derved å registrere byggverkets deformasjon, og (c) lengdevariasjonene måles ved at faseforsinkelsen mellom nevnte første målende laserstråle og nevnte andre målende laserstråle påvises på grunnlag av den glidning i interferenskantene som frembringes av nevnte lysstrålers innfall mot en strålesplitter, hvor nevnte stråler rekombineres.
2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at bestemmelsen av hver byggverkskomponents deformasjon i et enkelt plan gjøres ved sammenligning av de partielle lengdevariasjoner langs motsatte sider eller generatriselinjer av byggverket.
3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at målingen av byggverkets deformasjon i rommet gjøres ved måling og sammenligning av lengdevarisjonene langs to eller flere par sider eller generatriselinjer som befinner seg i kvadratur.
4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at både den første og den andre målende laserstråle frekvensmoduleres.
5. Fiberoptisk interferometeranordning for å analysere en byggverkskomponents (10) dynamiske deformasjoner, idet anordningen omfatter: - en laser (2) for å frembringe en laserstråle (1), - utstyr (BS) for å splitte laserstrålene i to målende stråler for forplantning i begge retninger gjennom henholdsvis en første og en annen optisk fiberbunt av samme lengde og med en reflekterende flate (M) i sin fjerne ende, idet hver fiberbunt består av flere fibre (7g - k) av forskjellig lengde, - utstyr (UM) for å fasemodulere første og andre målende laserstråle, - utstyr for å påvise lysets fasemodulasjon, samt - detektorutstyr (PD, UEO) for å påvise faseforsinkelsen mellom første og andre målende laserstråle på grunnlag av den glidning av interferenskantene som frembringes av nevnte strålers innfall tilbake mot en innretning (BS), hvor strålene rekombineres, karakterisert ved at de optiske fibre av forskjellig lengde i hver fiberbunt er stivt forbundet med hvert sitt parti av samme lengde som fiberen i nevnte byggverkskomponent (10), idet hvert byggverksparti omfatter i sin helhet alle øvrige byggverkspartier av kortere lengde.
6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved- utstyr (PBS, FR og HWP) for å føre nevnte første målende laserstråle med riktig polarisasjon gjennom en første optisk fiberbunt med en fjern reflekterende endeflate (M), og - utstyr (PBS, FR og HWP) for å føre nevnte andre målende laserstråle med riktig polarisasjon gjennom en andre optisk fiberbunt med en fjern reflekterende endeflate (M) samt hindre en reflektert laserstråle frembragt av nevnte første eller andre målende laserstråle reflektert på den optiske fibers fjerne endeflate fra å interferere med nevnte første eller andre målende laserstråle.
7. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved utstyr (PD) for å avvise fellestilstandsstøy.
8. Fiberoptisk interferometeranordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte optiske fibre (7g, 7h, 7i, 7k) utgjøres av polarisasjonsbevarende fibre.
9. Fiberoptisk interferometeranordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at de optiske fibre (7g, 7h, 7i, 7k) er inndelt i flere identiske bunter av optiske fibre av forskjellig lengde og som i form av en dobbel sammensetning av følere i kvadratur er anordnet på byggverket (10) som skal under-søkes.
10. Fiberoptisk interferometeranordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at fiberbunten er forenet til en kabelkjerne og innført i en beskyttende mantel.
11. Fiberoptisk interferometeranordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at den ende av hver optiske fiber hvor lysstrålen kommer inn, ligger i et plan rettvinklet på fiberaksen.
12. Fiberoptisk interferometeranordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at fiberbunten har samme lengde som den byggverkskomponent som skal undersøkes og er festet parallelt til denne.
NO902763A 1989-06-23 1990-06-21 Fremgangsmåte og fiberoptisk interferometer for analyse av en byggverkskomponents dynamiske deformasjon NO300345B1 (no)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT8920963A IT1237486B (it) 1989-06-23 1989-06-23 Procedimento e dispositivo a sensori interferometrici a fibra ottica per l'analisi della deformazione dinamica di una struttura o di suoi componenti

Publications (3)

Publication Number Publication Date
NO902763D0 NO902763D0 (no) 1990-06-21
NO902763L NO902763L (no) 1990-12-27
NO300345B1 true NO300345B1 (no) 1997-05-12

Family

ID=11174691

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO902763A NO300345B1 (no) 1989-06-23 1990-06-21 Fremgangsmåte og fiberoptisk interferometer for analyse av en byggverkskomponents dynamiske deformasjon

Country Status (9)

Country Link
EP (1) EP0404242B1 (no)
JP (1) JP3057322B2 (no)
BR (1) BR9003105A (no)
DE (1) DE69002702T2 (no)
DK (1) DK0404242T3 (no)
ES (1) ES2043254T3 (no)
IT (1) IT1237486B (no)
MX (1) MX172748B (no)
NO (1) NO300345B1 (no)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2689632B1 (fr) * 1992-04-02 1997-09-19 Thomson Csf Detecteur a fibre optique de contraintes.
WO1996031756A1 (en) * 1995-04-04 1996-10-10 Cambridge University Technical Services Limited Optical fibre sensor
US5892860A (en) * 1997-01-21 1999-04-06 Cidra Corporation Multi-parameter fiber optic sensor for use in harsh environments
US6016702A (en) * 1997-09-08 2000-01-25 Cidra Corporation High sensitivity fiber optic pressure sensor for use in harsh environments
DE19905687A1 (de) * 1999-02-11 2000-09-07 Deha Ankersysteme Vorrichtung zur Bestimmung der Biegebeanspruchung von Bauteilen
CA2312237A1 (en) * 2000-06-23 2001-12-23 Erick Girouard Pressure regulator
DE102006059439B4 (de) 2006-12-15 2018-01-25 Prüftechnik Dieter Busch AG Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Messung der axialen Deformation einer rotierenden Hohlwelle
EP2166328A1 (en) 2008-09-22 2010-03-24 Universita' degli studi di Bari System for optical fiber strain measure
JP5619571B2 (ja) * 2010-11-05 2014-11-05 三菱重工業株式会社 ライザー管及びライザー管の応答分布計測システム

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2136113B (en) * 1983-03-05 1986-08-06 Plessey Co Plc Improvements relating to optical sensing systems
CH659131A5 (it) * 1983-07-28 1986-12-31 Cise Spa Rivelatore di tipo interferometrico con sensore a fibra ottica.
GB2147759B (en) * 1983-08-24 1987-04-15 Plessey Co Plc Optical sensor
US4788868A (en) * 1986-03-27 1988-12-06 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Strain measurement apparatus and method
DE3771865D1 (de) * 1987-02-13 1991-09-05 G2 Systems Corp Faseroptisches bau-ueberwachungssystem.

Also Published As

Publication number Publication date
NO902763D0 (no) 1990-06-21
JP3057322B2 (ja) 2000-06-26
MX172748B (es) 1994-01-10
EP0404242A1 (en) 1990-12-27
BR9003105A (pt) 1991-08-27
DE69002702T2 (de) 1994-03-10
DE69002702D1 (de) 1993-09-16
DK0404242T3 (da) 1993-10-25
JPH0354427A (ja) 1991-03-08
ES2043254T3 (es) 1993-12-16
IT8920963A0 (it) 1989-06-23
IT1237486B (it) 1993-06-07
EP0404242B1 (en) 1993-08-11
NO902763L (no) 1990-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Ship hull structure monitoring using fibre optic sensors
Todd et al. Bragg grating-based fibre optic sensors in structural health monitoring
US5345522A (en) Reduced noise fiber optic towed array and method of using same
Culshaw et al. Fiber-optic sensing: A historical perspective
CN102168808B (zh) 分布式光纤振动传感器
EP0064789B1 (en) Interferometer transmitting the useful phase information through optical fibres
RU2213328C2 (ru) Система датчиков поперечной деформации на основе волоконно-оптических решеток
Hjelme et al. Application of Bragg grating sensors in the characterization of scaled marine vehicle models
Poittevin et al. Multi-point vibrometer based on high-speed digital in-line holography
Chen et al. Fully distributed hydroacoustic sensing based on ultra-highly sensitive and lightweight fiber-optic hydrophone cable
CH659131A5 (it) Rivelatore di tipo interferometrico con sensore a fibra ottica.
US5229832A (en) Optical ultrasonic material characterization apparatus and method
NO300345B1 (no) Fremgangsmåte og fiberoptisk interferometer for analyse av en byggverkskomponents dynamiske deformasjon
CN105973450A (zh) 光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统及方法
CN111854923B (zh) 声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法
NO834587L (no) Forbedret fiberoptisk sensor for detektering av en overflates svaert smaa forskyvninger
AU613497B2 (en) An interferometric fibre optic network
Xiao et al. Vectorial distributed acoustic sensing based on a multicore fiber and phase-sensitive optical time-domain reflectometry
Yuan et al. Detection of acoustic emission in structure using Sagnac-like fiber-loop interferometer
US4747688A (en) Fiber optic coherence meter
Jungerman et al. Fiber optic laser probe for acoustic wave measurements
Xiong et al. Development of fiber optic acoustic emission sensors for applications in civil infrastructures
Pryor et al. Diffractographic dimensional measurement. Part 1: Displacement measurement
WO2022006702A1 (zh) 海洋温度及压力的连续空间同步监测装置
CN113959472B (zh) 一种具有双重差分结构的光纤位移检测系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Lapsed by not paying the annual fees

Free format text: LAPSED IN DECEMBER 2001