Волоконно-оптические датчики на брэгговских решетках

Подобрать решение

В течение десятилетий основным способом измерения физических и механических явлений были электрические датчики (тензорезистивные, струнные, потенциометрические и тд.). Несмотря на их повсеместное использование, электрические датчики имеют ряд недостатков, таких как: потери при передаче сигнала, восприимчивость к электромагнитным помехам, необходимость организации искробезопасной электрической цепи (если существует опасность взрыва). Эти присущие им ограничения делают электрические датчики непригодными или сложными для применения при выполнении ряда задач. Использование волоконно-оптических датчиков является отличным решением данных проблем. В волоконно-оптических датчиках сигналом является свет в оптическом волокне, вместо электричества в медном проводе у традиционных электрических датчиков.

За последние двадцать лет огромное количество инноваций в оптоэлектронике и в области волоконно-оптических телекоммуникаций привело к значительному снижению цен на оптические компоненты и к значительному улучшению их качества. Это позволило волоконно-оптическим датчикам перейти из разряда экспериментальных лабораторных приборов в разряд широко применяемых приборов в таких областях как мониторинг зданий и сооружений и т.д.

Для автоматизированного мониторинга зданий и сооружений используют следующие виды оптоволоконных датчиков:

В основе работы волоконно-оптических датчиков лежит модуляция одного или нескольких свойств распространяющейся световой волны (интенсивность, фаза, поляризация, частота), изменение которых происходит вместе с изменением измеряемой физической величины.

Ядром технологии волоконно-оптических измерений является оптическое волокно – тонкая нить из стекла, которая пропускает свет через свою сердцевину. Оптическое волокно состоит трех основных компонентов: сердечника, оболочки и покрытия. Оболочка отражает рассеянный свет обратно в активную зону, обеспечивая прохождение света через ядро с минимальными потерями. Это достигается с помощью более высокого показателя преломления в сердечнике по отношению к оболочке, в результате чего происходит полное внутреннее отражение света. Внешнее покрытие служит буфером для защиты волокна от внешних воздействий и физических повреждений. Оно может включать в себя несколько слоев в зависимости от требуемой защиты.

Рис. 1 Поперечное сечение оптического волокна

Датчики на основе ВБР (волоконных брэгговских решетках, англ. FBG — fiber Bragg grating)

Одним из наиболее часто используемых волоконно-оптических датчиков являются датчики на основе волоконно-брэгговских решеток (ВБР). Решетки в этих датчиках отражают световой сигнал, спектральная характеристика которого (длина волны) смещается вместе с изменением измеряемого параметра (температурой и / или деформацией). При изготовлении решеток внутри сердечника создается область с периодическим изменением показателя преломления, непосредственно эта область и называется ВБР.

Когда широкополосное световое излучение проходит через брэгговскую решетку, отражения от каждого сегмента области с переменным показателем преломления интерферируют только для конкретной длины волны света, называемой длиной волны Брэгга (λ_b), описанной в уравнении ниже. Это фактически приводит к тому, что ВБР отражает определенные длины волн (определенную частоту) света и пропускает все остальные.

λ_b = 2nΛ (1)

В уравнении (1), λ_b – брэгговская длина волны, n — эффективный показатель преломления сердечника оптического волокна, Λ — расстояние между решетками или период решетки.

Рис 2. Устройство волоконной брэгговской решетки

Зная, что брэгговская длина волны зависит от периода решетки, можно изготавливать решетки с разными брэгговскими длинами волн.
Изменения деформации и температуры влияют на эффективный показатель преломления и период решетки, что вызывает смещение длины волны отраженного сигнала. Это смещение длины волны можно приблизительно описать уравнением (2)
Δλ/λ0 = (1-pe)*ε+(αΛ+αn)*ΔT (2)

Где Δλ – смещение длины волны, а λ0 – начальная длина волны
Первое слагаемое описывает влияние деформации на сдвиг длины волны, где pe – оптический коэффициент напряжения, а ε – относительная деформация, испытываемая решеткой. Второе слагаемое описывает влияние температуры на сдвиг длины волны, где αΛ – температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), а αn – термооптический коэффициент. αn описывает изменение показателя преломления от температуры, а αΛ описывает расширение решетки под воздействием температуры.
Поскольку ВБР реагирует как на деформацию, так и на температуры то необходимо учитывать оба эти эффекта и различать их между собой. Для измерения температуры решетка не должна испытывать деформацию. Для этого можно поместить решетку внутрь корпуса, чтобы быть уверенным, что решетка не будет подвергаться растяжению, сжатию, сгибанию или скручиванию. Коэффициент теплового расширения αΛ стекла на практике не принимается в расчет (пренебрежительно мал), таким образом, изменения в отраженном спектре вызванные воздействием температуры может быть описано изменением показателя преломления волокна αn.
ВБР датчики деформации несколько более сложны, так, как и температура и деформация влияют на спектр отражаемого сигнала. Для получения корректных данных измерений деформации, необходимо компенсировать влияние температуры на ВБР. Это можно сделать с помощью установки ВБР датчика температуры ВБР в тесном тепловом контакте с ВБР датчиком деформации. Простое вычитание сдвига спектра, вызванного датчиком температуры от сдвига спектра датчика деформации, удаляет второе слагаемое уравнения (2). Что в результате дает значения деформации с температурной компенсацией.
Процесс монтажа датчиков на основе ВБР очень похож на монтаж обыкновенных датчиков, так как ВБР датчики имеют различное исполнение (на подложке, в корпусе и тд.).

Преимущества датчиков на основе ВБР

На данный момент большинство датчиков используемых в мире это электрические датчики (MЭМС, тензорезисторы, струнные и т.д.). Как уже говорилось выше, в датчиках на основе брэгговских решеток сигналом является свет, проходящий через оптическое волокно (вместо электрического тока, проходящего по медному проводу). Это кардинальное отличие позволяет ВИР датчикам преодолеть многие проблемы характерные для электрических датчиков.
Оптические волокна и датчики являются непроводящими, электрически пассивными и невосприимчивыми к ЭМ-помехам. Опрос с помощью перестраиваемого лазера высокой мощности позволяет проводить измерения на большие расстояния практически без потери сигнала. Кроме того, в отличие от электрического канала измерительной системы, каждый оптический канал может опрашивать множество датчиков ВБР (каждый канал является «гирляндой»), что значительно уменьшает размер и сложность такой системы измерения.
Оптические измерительные системы идеально подходят для применения в условиях, где обычные электрические датчики (тензорезисторные, струнные, терморезисторные и т.д.) оказались трудно использовать из-за сложных условий (большие расстояния, ЭМ поля, взрывобезопасность и др.). Так как монтаж и эксплуатация оптических датчиков аналогичны с применением обычных электрических датчиков, легко осуществить переход на оптоволоконные решения. Понимание принципов работы таких систем и преимуществ от их использования может значительно облегчить решение различных задач в области измерений (например, мониторинг конструкций).