Датчики физических величин на основе брэгговских решеток
В настоящее время ВБР рассматриваются как один из наиболее перспективных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков физических величин. К числу их основных преимуществ можно отнести: защищенность от воздействия электромагнитных полей, высокую чувствительность, надежность, воспроизводимость и широкий динамический диапазон измерений, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или в нескольких световодах, значительное расстояние до места проведения измерений, малое время отклика на изменение измеряемой величины, высокую коррозионную и радиационную стойкость, малые габариты и вес, и ряд других.
Как уже отмечалось, резонансная длина волны BG зависит от температуры световода и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений. Это обстоятельство лежит в основе использования ВБР в качестве чувствительных элементов датчиков физических величин.
Предложено большое число способов измерения смещения BG. Наиболее прямым из них является измерение спектра пропускания/отражения решетки с помощью широкополосного источника излучения и спектроанализатора либо с помощью узкополосного перестраиваемого лазера и фотоприемника. Такой способ является нечувствительным к оптическим потерям, которые могут возникать в оптическом тракте при проведении измерений, и обеспечивает высокую точность измерений BG. Вместе с тем такая схема регистрации использует достаточно дорогостоящее оборудование и имеет ограниченное быстродействие.
Более высокое быстродействие обеспечивают схемы измерений, в которых спектральное смещение решетки преобразуется в изменение интенсивности оптического сигнала, попадающего на фотоприемник. Это может быть реализовано, например, при использовании дополнительного спектрального фильтра с наклонной характеристикой пропускания. Таким фильтром в частности может служить ДПВР. Наклон спектральной зависимости фильтра задает динамический диапазон и чувствительность волоконного датчика.
Указанные схемы позволяют измерить физическую величину в месте нахождения ВБР, вместе с тем часто возникают задачи измерения пространственного распределения этой величины. Для этого разработаны схемы, позволяющие мультиплексировать чувствительные элементы, в том числе расположенные в одном световоде. К числу таких схем следует отнести:
спектральное мультиплексирование каналов, при котором чувствительные элементы разнесены на различные длины волн;
использование оптических переключателей, подключающих тот или иной чувствительный элемент к системе измерения;
пространственно-временное мультиплексирование, при котором отклик от каждой из решеток регистрируется в различные моменты времени;
комбинированные схемы, включающие в себя несколько принципов мультиплексирования каналов, перечисленных выше.
Перечисленные схемы измерения lBG, как правило, обеспечивают точность измерения температуры ~0.1С и относительного удлинения ~10-6.
Существует также большое число работ, посвященных важным на практике вопросам разделения влияния температуры и деформации на сдвиг резонансной длины волны решетки, а также одновременному измерению этих параметров.
Примеры датчиков на ВБР приведены ниже.
Датчики на ВБР позволяют измерять:
Температуру
Давление среды
Смещение. ускорение
Механическое напряжение, деформация
Магнитное поле
Датчики уровня жидкостей
Содержание нефти и нефтепродуктов
Сеть нескольких одно/разнотипных датчиков на одном оптическом волокне (спектральное мультиплексирование измерительных каналов)
И многое другое.
Датчики на ВБР и их сети представляют собой перспективное направление в методах измерений физических величин.
|
Датчики температуры и деформации объектов на основе волоконных решеток показателя преломления Введение Макет системы измерения температуры и деформации объектов Введение Волоконно-оптический датчик (ВОД) - датчик физических величин, в конструкции которого в качестве чувствительного элемента и передающей оптическое излучение среды используется волоконный световод. Чувствительный элемент ВОД преобразует определенное физическое воздействие в изменение свойств прошедшего, отраженного или рассеянного излучения. По принципу действия ВОД можно разделить на группы в соответствии с тем, какой параметр оптической волны измеряется для получения информации о физическом воздействии: интенсивность, фаза, состояние поляризации, спектральный или мoдовый состав излучения. Современные ВОД позволяют измерять деформацию, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость линейного перемещения и скорость вращения, ускорение, параметры колебаний и звуковых волн, уровень жидкостей, показатель преломления, электрическое и магнитное поле, дозу радиационного излучения, а также ряд других физических величин. Использование ВОД основывается на таких явлениях, как электрооптический, магнитооптический, упругооптический, термооптический эффекты, люминесценция, комбинационное рассеяние, рассеяние Рэлея и Мандельштама-Бриллюэна, межмодовое взаимодействие и других. Преимуществами ВОД являются: защищенность от воздействия электромагнитных полей, высокая чувствительность, надежность, воспроизводимость и широкий динамический диапазон измерений, малые габариты и вес, высокая коррозионная и радиационная стойкость, электроизоляционная прочность, пожаробезопасность, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или в нескольких световодах, значительное расстояние до места проведения измерений, малое время отклика. Одним из новых и перспективных вариантов ВОД температуры и механических деформаций являются датчики с использованием волоконных решеток показателя преломления в качестве чувствительного элемента (см. раздел обзора "Датчики физических величин на основе брэгговских решеток"). Сферы использования ВОД температуры и деформации объектов, построенные на основе решеток, весьма разнообразны. Приведем далеко не полный перечень возможных областей применения таких систем: все виды строительства и коммуникаций; автомобилестроение; авиация; кораблестроение; эксплуатация и контроль состояния (целостность, безопасность) городских строений и промышленных объектов. Демонстрационный макет квазираспределенной системы измерения температуры и деформации объектов
Система построена на основе спектрального мультиплексирования отдельных каналов, каждый из которых представляет собой спектр отражения однородной волоконной брэгговской решетки длиной 5 мм. Максимум отражения от решетки зависит от температуры и деформации световода (см. раздел обзора "Волоконные брэгговские решетки"). По смещению резонансных длин волн решеток с использованием специально разработанного для этой цели программного обеспечения восстанавливается температура и деформация объекта. Демонстрационный макет системы построен на основе 12 решеток, что позволяет измерять температуру T и деформацию e в шести пространственно разнесенных точках объекта. Спектр отражения системы решеток приведен ниже. Приведенная серия решеток была записана на одном отрезке стандартного волоконного световода SMF-28 без применения сварок, что упростило конструкцию системы и повысило надежность ее работы.
Схема системы датчиков представлена на следующем рисунке.
Широкополосный сигнал от полупроводникового источника света 3 через волоконно-оптический разветвитель 2 поступает в волоконную измерительную линию 1. Отраженный решетками сигнал через тот же ответвитель поступает на оптический анализатор спектра 4. Персональный компьютер 5 через требуемые промежутки времени считывает спектр и обрабатывает его с помощью специальной программы. Для анализа технических характеристик системы серия датчиков закреплена на металлической балке 6. Размеры балки составляют 1200*110*20 мм. Балка располагается на опорах 7, расположенных по ее краям. На следующем рисунке представлены измеренные системой датчиков напряжения, которые возникают на верхней поверхности балки при приложении нагрузки в районе ее середины.
В этом эксперименте балка последовательно нагружалась грузами по ? г (на рисунке видны 12 соответствующих "ступенек"), затем также последовательно эти грузы были сняты с балки, и система таким образом была приведена в исходное состояние. Серия из шести кривых 1 соответствует брэгговским решеткам, которые измеряют суммарное воздействие деформации и температуры, в то время как серия 2 - решеткам, которые измеряют только изменение температуры. Кривые из серии 1 с наибольшей величиной деформации соответствуют решеткам, которые находились ближе всех к точке приложения нагрузки. Поскольку во время эксперимента система находилась при температуре, близкой к постоянной, кривые в серии "температурных" решеток 2 характеризуют шумовые характеристики и стабильность системы. В том случае, если окружающая температура меняется, в разработанной системе этот температурный дрейф учитывается, что позволяет измерять деформацию независимо от температуры. Шумовые характеристики и долговременная стабильность системы на примере измерения температуры представлены на следующем рисунке.
Как видно из рисунка, амплитуда шумов датчика составляет ~0.05°С. Долговременная стабильность после 30 минутного прогрева - 0.1°С в течение течение 1 часа. Следует отметить масштабируемость системы как по количеству датчиков на одной измерительной линии (до 50 - 100 точек измерения), так и по количеству волоконно-оптических каналов измерения (с использованием оптического переключателя). Локальность измерений может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в зависимости от конкретных условий и задач. Технические данные и характеристики системы
|
Общий
вид макета
Спектр
отражения серии волоконных брэгговских
решеток в системе измерения температуры
и деформации
Схема
системы
Результаты
тестирования квазираспределенного
волоконно-оптического датчика
температуры и деформации
Шумы
и долговременная стабильность системы
на примере датчика температуры
1 Спектральная плотность мощности характеризует распределение энергии регистрируемого сигнала по различным диапазонам частот.
2Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, титаната бария и др.) при их деформации в определенном направлении, а обратный эффект заключается в изменении размеров кристалла под действием приложенного к нему электрического напряжения.
3 Длина волны светового излучения лазера, наиболее эффективно усиливаемого в резонаторе, целое число раз укладывается по длине оптического пути [11].
4В качестве сцинтиллятора можно использовать кристаллы NaI, активированные Tl, или растворы p-терфинила в ксилоле и толуоле с добавлением POPOP [10].
5Зависимость термоэдс от разности температур Т1 и Т2 для различных типов термопар регламентируется стандартами и задается в виде таблиц или полиномов.
6Платинородий – сплав платины и родия. В платинородий-платинородиевых термопарах в качестве материала «положительного» электрода используется сплав 70% платины и 30% родия, а для «отрицательного» - 90 % платины и 10% родия.
7Хромель – сплав меди и никеля, копель – сплав никеля, хрома, железа и марганца.
8
9Подробно прямой пьезоэффект был рассмотрен в разделе, посвященном пьезоэлектрическим датчикам давления.
10 Звук – это колебания частиц упругой среды, поэтому наличие среды является обязательным условием распространения звука.
11 АТТЕНЮАТОР (от франц . attenuer - ослаблять) – радиотехническое устройство для понижения напряжения или мощности сигнала.
12 Акселерометр (от латинского accelero – ускоряю) – прибор для измерения ускорений и перегрузок.
13Данный процесс называется разверткой изображения.
i
ii