Inspection and monitoring of engineering structures by means of optical displacement sensors based on interferometry techniques

eng Article in English DOI:

Dariusz Łukaszewski , send Leszek Sałbut , Małgorzata Kujawińska , Grzegorz Dymny Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology

Download Article

Abstract

Inspection and monitoring of engineering structures require simple, fast and remote acquisition, processing and visualization of relevant measuring data. Systems which utilize all above requirements are fundamental for Structural Health Monitoring (SHM). All necessary information should refer to safety threshold and sent to end user, who can accurately assess the health of an object in short time and schedule necessary actions in order to prevent accidences. The paper presents the novel approach to optical displacements sensors. Authors describe low-cost in-plane displacement and strain sensors for monitoring in crucial regions of big civil engineering structures (square millimeters area around welds, joints etc.) by means of two interferometry techniques: Grating Interferometry (GI) and Digital Speckle Pattern Interferometry (DSPI). In principle both of the methods applied have their specific requirements and can be used as complementary ones. GI requires specimen grating attached to the flat surface of an object under test, but it is the unique technique which may provide the information about fatigue process and increased residual stresses. DSPI works with a rough object surface, but due to differential measurements cannot be simply used for long time monitoring but to explore the actual behavior of a structure. We present both sensors working separately, but also we propose the technique which enables usage of the DSPI for long time or periodic monitoring by combining it in one sensor with GI in order to increase number of possible applications of the system. Both sensors can be manufactured by using low - cost replication technologies. The paper presents their mechanical and optical design along with laboratory tests of their main modules which are the sensor heads in the form of monolithic (plastic) and cavity waveguides. Finally, the exemplary applications of sensors in laboratory tests and on exemplary frame truss structure are presented and assessed.

Keywords

digital speckle pattern interferometry, displacement sensor, grating interferometry, structural health monitoring

Zastosowanie optycznych czujników przemieszczeń, wykorzystujących techniki interferometryczne, do kontroli i monitoringu konstrukcji inżynierskich

Streszczenie

Kontrola i monitoring konstrukcji inżynierskich wymaga prostej, szybkiej i zdalnej akwizycji oraz przetwarzania i wizualizacji danych pomiarowych. Systemy spełniające powyższe wymagania są niezbędne do monitorowania stanu technicznego konstrukcji (ang. Structural Health Monitoring - SHM). Dane uzyskiwane przez systemy monitoringu powinny odnosić się do założonych poziomów bezpieczeństwa i być wysłane do końcowego użytkownika, aby mógł on w krótkim czasie ocenić stan obiektu i zaplanować niezbędne działania celem zapobiegnięcia wypadkom. W artykule zaprezentowano nowe podejście do optycznych czujników przemieszczeń. Opisano niskokosztową głowicę interferometryczną wykorzystującą metodę interferometrii siatkowej i cyfrowej interferometrii plamkowej do pomiarów przemieszczenia i odkształcenia w płaszczyźnie. Przedstawiono jej zastosowanie w monitoringu newralgicznych punktów wielkogabarytowych konstrukcji inżynierskich (regiony wokół spawów, połączeń itp.). W pracy przedstawiono również projekt mechaniczny i optyczny czujników oraz testy laboratoryjne ich głównych modułów (falowodowych głowic pomiarowych). Na koniec przedstawiono aplikację opracowanych czujników na przykładowej konstrukcji kratownicowej.

Słowa kluczowe

cyfrowa interferometria plamkowa, czujnik przemieszczeń, interferometria siatkowa, monitorowanie stanu technicznego konstrukcji

Bibliography

  1. Egawa K., A new concept of Maintenance Inspection, [in:] Structural Health monitoring: Current Status and Perspectives, CRC Press, 1997.
  2. Post D., Moire interferometry, [in:] Handbook of Experimental Mechanics, Prentice-Hall, 1987.
  3. Ranson W., Sutton M., Peters W., Holographic and laser speckle interferometry, [in:] Handbook of Experimental Mechanics, Prentice-Hall, 1987.
  4. Łukaszewski D., Sałbut L., Kujawińska M., Malowany K., Optical sensor based on combined GI/DSPI technique for strain monitoring in crucial points of big engineering structures, Proc. SPIE, 8082, 2011, 80823P.
  5. Krężel J., Kujawińska M., Mohr J., Guttman M., Wissmann M., Tonchev S., Parriaux O., Integrated microinterferometric sensor for in-plane displacement, “Applied Optics”, 2010, vol. 49, no. 32, 6243-6252.
  6. Robinson D.W., Interferogram Analysis: Digital Fringe Pattern Measurement Techniques, Institute of Physics Publ., Bristol and Philadelphia 1993.