XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, оптоволокно, датчики температуры, датчики с волоконно-оптическими связями, интегрально-оптические датчики, световоды.

Аннотация: в статье рассматриваются волоконно-оптические датчики температуры и построения современных волоконно-оптических датчиков (ВОД) и возможность их применения в различных областях промышленного производства. Авторами поясняется принцип действия волоконно-оптических датчиков. Рассматриваются преимущества, которыми обладают датчики температуры. Статья посвящена применению датчиков в различных сферах, а также обзору основных параметров оптоволоконных датчиков температур разных производителей.

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.

Волоконно-оптический датчик - это датчик физических величин, в конструкции которого в качестве чувствительного элемента используется волоконный световод. Применяются датчики температуры практически везде. Любая сфера или производство, где температура объекта влияет на качество работы и итоговой продукции, требует пристального температурного контроля.

Волоконно-оптическим измерение температуры – это, по-другому, применение в оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Волоконно-оптические температурные датчики применяются в сферах, связанных с обеспечением безопасности.

Например, применяются для контроля температуры при химических процессах, контроля температуры силовых кабелей для оптимизации производственных отношений, обеспечения пожаробезопасности в железнодорожных туннелях и в автомобилях, а также для обнаружения утечек в трубопроводах. Рассматриваемые датчики могут быть использованы для повышения эффективности нефтяных и газовых скважиню. Волоконно-оптические системы пригодны не только для передачи информации, но и в качестве локальных распределённых измерительных датчиков. Физические величины измерения, например, температура или давление а также сила растяжения могут воздействовать на оптическое волокно и менять свойства световодов в определённом месте. Вследствие гашения света в кварцевых стеклянных волокнах за счёт рассеяния место внешнего физического воздействия может быть точно определено, благодаря чему возможно применение световода в качестве линейного датчика.[1].

Интегрально-оптические датчики, использующие в качестве чувствительного элемента планарный световод, изготовленный методами интегральной оптики; принцип действия такого датчики основан на нарушении полного внутреннего отражения для лучей, распространяющихся вдоль световода, и «вытекание» их через границу раздела за счет приближения к ней среды или изменения ее показателя преломления.

Датчики с волоконно-оптическими связями, в которых чувствительный элемент располагается в месте разрыва оптического волокна и воздействует на его светопередачу.

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 [2].

Общий принцип работы волоконно-оптического датчика заключается в следующем: свет от источника излучения передается через оптическое волокно, в следствии это приводит к изменению параметров в волокне. После прохождения по оптоволокну происходит сравнение спектров и интенсивностей с исходным излучением. Результат оценки измеряемых величин не зависит от особенностей волокна. Измерительную информацию несут такие явления, как прерывание светового потока, отражение света, изменение энергии излучения. Датчики, которые используют прерывание светового потока, очень распространенные и просты в использовании. Примером таких датчиков может быть счетчик деталей, подаваемых на сборочный конвейер или упаковку [3].

Метод волоконно-оптического измерения обладает рядом преимуществ: возможность прямого измерения температуры по шкале Кельвина, локализованность наиболее нагретых мест, оценка изменений температуры. Если сравнивать с другими датчиками, то данные датчики взрывобезопасны, не подвержены к электро-помехам, они имеют широкий диапазон температур. Волоконно-оптические датчики температуры состоят из не токопроводящих материалов, что позволяет использовать их под высоким напряжением. Волоконно-оптические датчики температуры получают все большее признание. Производством рассматриваемых датчиков занимаются многие отечественные предприятия. Далее в таблице приведена сравнительная характеристика параметров датчиков температуры различных фирм.

Рассмотренные волоконно-оптические датчики температуры обладают высокой надежностью, помехозащищенностью, нечувствительны к СВЧ-полям, магнитные полям, электромагнитным импульсам. По приведенным данным в таблице можно сделать вывод о том, что датчики предприятия «НЦВО-Фотоника» обладают довольно широким диапазоном температур, что является преимуществом волоконнооптических датчиков. В настоящее время волоконно-оптические датчики температуры хорошо зарекомендовали себя в различных сферах. Развитие коммерческого рынка свидетельствует о том, что растет интерес к данным датчикам.

Датчик температуры

Принцип работы датчика основан на эффекте флюоресценции. На внешний торец оптического волокна нанесено флюоресцентное вещество. Вторичное излучение, возникающее под воздействием зондирующего оптического луча ультрафиолетового диапазона, принимается этим же волокном. Для одной из составляющих флюоресцентного излучения (λ1 = 510 нм) характерна сильная зависимость от температуры измеряемой среды, а для другой (λ2 = 630 нм) — очень слабая.

Температурный сигнал вычисляется как отношение соответствующих интенсивностей на λ1 и λ2 по методу двух длин волн. В качестве зондирующего источника используется ультрафиолетовый светодиод с λ = 300…400 нм

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

В связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления во всех областях промышленности возрастает потребность в датчиках физических величин — температуры, давления, ускорения, перемещения, тока. Помимо высоких метрологических характеристик, датчики должны обладать большой надежностью, стабильностью, помехоустойчивостью, долговечностью и простотой интегрирования в микроконтроллерные системы управления. Особенно это относится к таким отраслям, как авионика, металлургия, автоэлектроника, теплотехника и энергетика, медицинская техника, высокоточные системы вооружений. Перечисленным требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД).

Рис. 3.Датчики температуры

До недавнего времени развитие волоконно-оптических датчиков сдерживалось, в основном, двумя факторами. Во-первых, не было дешевых оптоэлектронных компонентов — малошумящих лазерных диодов, высокочувствительных p-i-n-фотодиодов, пассивных волоконно-оптических элементов. Во-вторых, из-за нелинейности оптического сигнала относительно измеряемой величины требуются специальные алгоритмы обработки сигнала (усреднение, нелинейная обработка, интегральные преобразования), а значит нужен процессор обработки сигнала с высокой производительностью.

Типы волоконно-оптических датчиков и принцип их работы.

Прежде чем переходить к рассмотрению волоконно-оптических датчиков, рассмотрим функционирование оптического волокна. Современное оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой распространяется свет, и оболочки. Снаружи она закрыта полимерной пленкой. Сердцевина представляет собой нить из пластика или стекла с определенными добавками (как правило, германий) для повышения коэффициента преломления. Коэффициент преломления сердцевины n1 примерно на 0,01…0,02 превышает коэффициент преломления оболочки n2. Благодаря этому луч света, направленный в сердцевину, распространяется по ней, многократно отражаясь от границы раздела «сердцевина-оболочка».

Важнейшей характеристикой оптоволокна является числовая апертура NA — максимально возможный угол, с каким свет, введенный в волокно, может распространяться в нем. Числовая апертура определяется коэффициентами преломлений сердечника и оболочки и выражается как:

Таблица 2.Сравнительная характеристика ВОДТ

где Δ = (n1/n2) – 1.

Если угол ввода луча света в сердечник меньше NA , то он испытывает полное внутреннее отражение и распространяется только в нем (луч 1 на рис. 1). При нарушении этого условия часть вводимого излучения преломляется и уходит в оболочку, а часть — отражается внутрь сердечника (луч 2). [1].

Волоконно-оптические датчики можно разделить на две группы: датчики с волокном в качестве линии передачи и с одномодовым волокном в качестве чувствительного элемента. Наиболее отработаны в теоретическом и технологическом отношении и постепенно осваиваются в промышленном производстве волоконно-оптические датчики первого типа. Их можно условно поделить на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптическим зондом.

Датчики с оптическим преобразователем представляют собой систему, которая содержит оптический элемент, чувствительный к воздействию измеряемой физической величины, излучатель и приемник. Оптический элемент (преобразователь) помещен между торцами передающего и приемного многомодового волокна. В качестве излучателя обычно используют малошумящий светодиод, а в качестве детектора света — p-i-n-фотодиод. Эти полупроводниковые элементы должны быть электро- и термостабильными.

В датчиках с оптическим зондом зондирующий световой луч, отраженный или рассеянный объектом измерения, поступает в приемную оптическую систему, состоящую из объектива и волокна, выходной торец которого связан с p-i-n-фотодетектором. В датчиках этого типа могут быть использованы многомодовые или одномодовые оптические кабели, а также волоконно-оптические жгуты. В качестве источника света в зависимости от вида измеряемой величины (интенсивность, поляризация, фаза) используются светодиоды или лазеры. Волоконно-оптические датчики на этом принципе отличаются высокой чувствительностью и могут быть использованы для бесконтактных измерений.[4]

Одним из новых и перспективных вариантов ВОД температуры и механических деформаций являются датчики с использованием волоконных решеток показателя преломления (брэгговских решеток) в качестве чувствительного элемента – они обладают свойством отражать излучение на определенной длине волны.

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 [5]

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 λБР. Вместе с тем такая схема регистрации использует достаточно дорогостоящее оборудование и имеет ограниченное быстродействие.

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 λБР, как правило, обеспечивают точность измерения температуры ~0.1ºС 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 Для измерения температуры с помощью световодов, изготовленных из кварцевого стекла, особенно подходит так называемый эффект Рамана. Свет в стеклянном волокне рассеивается на микроскопически малых колебаниях плотности, размер которых меньше длины волны. В отличие от входящего света, обратно рассеянный свет содержит как компоненту с начальной длиной волны (обусловленную эластичным, или рэлеевским рассеянием), так и компоненты, подвергшиеся спектральному сдвигу на частоту, соответствующую резонансной частоте колебаний рассеивающих узлов (комбинационное рамановское рассеяние). Компоненты со смещённой длиной волны образуют в спектре рассеянного света линии-спутники, которые делятся на стоксовы (сдвинуты к большим длинам волн и меньшей частоте) и анти-стоксовы (сдвинуты к меньшим длинам волн и большей частоте)[1]. Амплитуда анти-стоксовой компоненты зависит от локальной температуры.

Общий принцип действия выглядит следующим образом: волоконная брэгговская решетка связывает основную моду световода с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. Это означает, что на определенной длине волны распространяющееся по световоду излучение отражается от решетки полностью или частично. Свойства этого отражения зависят от параметров решетки. Длина отражаемого света определяется формулой , где - эффективный показатель преломления, - период решетки [4].

При изменении температуры изменяется период брэгговской решетки, а значит, изменяется и длина отражаемого излучения. Эти изменения в спектре отраженного света фиксирует фотоприемник, далее информация анализируется и определяется температура объекта контроля.

Как правило, для контроля состояний объектов используют сразу несколько датчиков, объединенных в одну систему.

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. Следует отметить масштабируемость системы как по количеству датчиков на одной измерительной линии (до 50 - 100 точек измерения), так и по количеству волоконно-оптических линий измерения (с использованием оптического переключателя). Локальность измерений может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в зависимости от конкретных условий и задач. Средняя точность датчика- порядка 0.1° С, диапазон измерений: −100 ¸ +400° С.

рис.2. Система датчиков температуры. [6].

Заключение

Волоконно-оптические датчики для контроля температуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами подобных устройств. Такой датчик незаменим во многих направлениях современной промышленности. Пока у этих устройств нет аналогов, которые могли бы так же успешно применяться в газовой промышленности, различного рода печах и сушильных установках, например, в СВЧ, турбинах и генераторах, двигателях, различных областях медицины и инженерии, аэронавтике и космонавтике.Основная проблема эксплуатации ВОД датчиков температуры заключается в необходимости дорогостоящего оборудования для снятия и обработки показаний датчиков и малом быстродействии; вместе с тем их использование является относительно недорогим для конечных потребителей за счет устойчивости к излучениям и коррозии, малому потреблению энергии и определенности получаемых данных.

Основными направлениями развития волоконно-оптических датчиков в настоящее время являются интегрально-оптические технологии, которые позволят объединить электронные схемы обработки и микрооптические компоненты в одном кристалле или микромодуле. Это значительно снизит себестоимость волоконных датчиков и повысит их эксплуатационные характеристики.

Библиографический список

Пчельников Р. Л., Миронов Д. В., Муслимов Э. Я., Шевченко С. Д. Система мониторинга и анализа работы скважин в режиме реального времени – элемент концепции «интеллектуального месторождения» // Электронный журнал «Инженерная практика». Москва, 2011.

«Волоконно-оптические датчики», под ред Э. Удда, Техносфера, 2008.

Рзаев Ас. Г. Интеллектуальный межтраверсный датчик усилия // Известия НАНА, серия физико-технических и математических наук. Том XXXII. № 3, 2012. С. 158-164

Гауер Д. «Оптическая связь», гл. 1–2// М, «Радио и связь», 1988 г.

Окоси Т. и др. «Волоконно-оптические датчики», пер с японского//Энергоатомиздат, 1990 г.

С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов, "Волоконные решетки показателя преломления и их применения", Квантовая Электроника, 35, 12, 1085-1103, 2005

Код для цитирования: Скопировать