Волоконно-оптические датчики на брэгговских решетках
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 (λb), описанной в уравнении ниже. Это фактически приводит к тому, что ВБР отражает определенные длины волн (определенную частоту) света и пропускает все остальные.
В уравнении (1), λb – 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).
Источник
Обзор разновидностей волоконно-оптических датчиков
На существующие методологии измерения звука, деформации, давления, вибрации, угла наклона или линейного перемещения, накладывается определенное ограничение с местом применения. Основное количество сенсоров, фиксирующих названые факторы, работает на основе электричества, что автоматически не дает их использовать во взрывоопасных средах. Существует, пусть и малая, но вероятность, случайного возникновения искры на контактах устройств, участвующих в измерениях, которая в свою очередь может привести к воспламенению газа или горючей жидкости.
Кроме названой проблемы есть и такое понятие, как затухание сигнала линии в зависимости от расстояния. Для приборов, использующих электричество в качестве основы своей работы и передачи данных, дальность прохождения тока весьма невелика. Да и к тому же сами информационные импульсы могут исказиться в процессе перехода между детектором и принимающим устройством под воздействием внешнего электромагнитного поля, ионизации, радиации или каких-либо иных физических явлений.
Всех перечисленных проблем лишены волоконно-оптические датчики. Так как в основе их работы и передачи информации лежит движение света через сам сенсор и трансляционную линию, а значит исказить получаемые в финале сведения очень сложно. В сущности, весь принцип системы заключен в анализе разницы между исходными характеристиками спектра излучения лазера и полученным результатом на входе детектирующего устройства. Вне зависимости от того на какой фактор настроен сенсор — температуру, деформацию, давление, угол наклона, вибрацию или линейное перемещение — поток света изменит свои свойства под воздействием внешнего состояния среды и будет получен обрабатывающим устройством. Которое уже, в свою очередь и зафиксирует изменение характеристик. Причем линия передачи данных, использующая оптические принципы, допускает трансляцию информации от многих устройств по одному каналу, без ее смешивания, искажения или утраты, или другими словами — мультиплексирования.
Не стоит забывать и об устойчивости аналогичных детекторов к коррозии и температуре. В большинстве из них основой служит кварц, который практически не подвержен названным проблемам. Единственный фактор деградации канала передачи информации, выявленный в ходе исследований, связан с длительным применением оптоволоконной линии на большие расстояния в очень влажной среде. Речь идет всего лишь о частичном искажении передаваемых данных в очень плотном их потоке, при длине канала свыше километра. В отношении телеметрической информации, которой по объему транслируется намного меньше, проблем замечено не было.
Еще один фактор в отношении волоконно-оптического датчика, дающий ему преимущество в сравнении с остальными — радиационная устойчивость. Ионизация, возникающая в местах повышенного фона, сильно воздействует на полупроводниковые приборы и каналы связи, в некоторых случаях до их полного выхода их из строя. Принцип работы и передачи данных оптических систем не допускает отрицательного влияния радиации на происходящие процессы.
Виды датчиков
Все существующие виды волоконно-оптических датчиков можно грубо разделить на точечные и распределенные. Для первых характерно применение в месте измерения открытого точечного элемента или специализированного сенсора, встраиваемого в защищенное от среды оптоволокно. Под воздействием внешних условий, на которые собственно и настроен датчик, проходящий через него свет меняет свою конкретную характеристику. В основе функционирования большинства из них обычно лежат дифракционные решетки Брэгга, или изменение характеристик света, проходящего через открытый участок к внешним условиям линии оптоволокна. Есть и точечные детекторы, работающие на иных физических принципах. К сожалению, их слишком много для рассмотрения в рамках настоящей статьи.
Следующий вид разделения — распределенные системы. Они отличаются своей длиной и тем, что в качестве чувствительного элемента используется вся площадь волоконно-оптического канала. Свет, проходя через него меняет свои характеристики под воздействием внешних условий. К сожалению, принцип работы распределенных датчиков ограничивает и ниши их применения, давая плюс только в общем объеме измеряемых областей.
Линии передачи информации
Получить измененный пучок света мало, его еще и нужно отправить дальше. Для этого используются одно- и многомодовые оптические каналы, физически представленные кварцевым легированным волокном в защитной оболочке. Световой поток в процессе движения по внутреннему слою, имеющему больший коэффициент преломления, отражается от внешних стенок, что позволяет доставить сигнал на довольно дальние расстояния без его рассеивания. Главное отличие классов оптоволоконных каналов – их модность, которая обуславливается толщиной внутренней линии. Чем она больше, тем сильнее затухает луч при прохождении расстояния. Для многомодов характерна внутренняя линия от 50 до 62.5 мкм, одномоды ограничены стандартом 7–9 мкм. С учетом ошибок в производстве последних названная характеристика может достигнуть и 10 мкм. Первые используются в основном для телеметрии, к которой относятся и датчики, вторые для доставки цифровой информации на дальние расстояния.
Параметры светового потока
Прежде чем двинутся дальше нужно понять, что представляет собой световой поток и какие его характеристики доступны к изменению для последующей фиксации оборудованием.
В сущности, обсуждаемое излучение представляет собой электромагнитные волны, видимые человеческим глазом. Зачастую понятие оптической длины расширяют, относя к нему инфракрасные и ультрафиолетовые спектральные уровни.
В качестве потока света принимается любое излучение с длиной волны в пределах 380–740 нм или колебаниями в
480–790 ТГц. Нервные окончания в совокупности с мозгом производят градацию частот поступающих сигналов, воспринимая их как цвет потока, что хорошо демонстрирует таблица:
В неживой природе доступно разделение сложного излучения на частотные составляющие при переходе его из одной среды в другую, что хорошо демонстрируется обычной призмой. В сущности, частота потока и есть один из тех факторов, который улавливается измеряющим оборудованием, а изменение его от номинала служит информационной составляющей.
Следующей характеристикой потока излучения можно назвать его поляризацию. Колебания волны света проходят своеобразную плоскость. Именно точка соприкосновения «низа» и «верха» излучения в пределах колебаний к этой, своеобразной оси, служат обоснованием поляризации текущего потока. Кроме того, для эллиптического света есть такое понятие, как вращающийся вектор плоскости перехода. Причем двигаться он может, как по часовой стрелке, так и против нее. Технически, из любого оптического потока можно выделить поляризованный свет, или даже превратить его в циркулярный, повернув плоскость на необходимый угол. Именно определение названных характеристик приборами и служит одним из методов получения информации от датчиков.
И последней важной составляющей параметров света служит его интенсивность или мощность. Разделяют силу самого излучения и светового потока. Это разные величины, которые отличаются по фотометрическим характеристикам. К примеру, даже при энергетической мощности зеленого спектра ниже чем фиолетового, он все равно зрительно воспринимается, как более яркий. Определение получаемой световой или энергетической мощности потока света служит еще одой основой работы волоконно-оптических датчиков.
Классы датчиков
Какой бы ни был волоконно-оптический сенсор по своему типу, основой его работы в любом случае будет луч света, изменения, под воздействием внешних условий которого, и служат номиналом получаемых характеристик среды. По измеряемым параметрам выделяют четыре класса устройств:
- Датчики с модуляцией интенсивности. В них, внешние воздействия изменяют силу потока света. Отличаются малыми размерами, так как чувствительный контур представлен модулирующим устройством, введенным в саму линию передачи светового потока, или вообще сделан на основании ее нерегулярности. Последняя зачастую выполняется разрывом, растяжением или изгибом волокна. Результаты проб получают обычным фото детектированием.
- Фазовые сенсоры. В них характеристики окружающего пространства влияют на сдвиг фазы спектра проходящего через детектор излучения. Чувствительность элементов названого класса сильно зависит от длины оптического волокна. Чем она больше, тем будут выше характеристики определения изменений внешних факторов у прибора. С целью получения результатов исследований в фазовом классе применяются когерентные методы, заключающиеся в гомо- и гетеродинном определении характеристик полученного светового потока.
- Поляризационный волоконно-оптический датчик. Бывают точечного и распределенного исполнения, в зависимости от того, что именно используется в качестве детектирующей части — вся длина волокна или единичный сенсор на нем. Как понятно из названия, в датчиках такого типа, меняется поляризация светового потока. Из-за ряда ограничений технологии использование сенсоров названого класса в некоторых методах тестирования недоступно.
- Частотные. Относительно недавно разработанный класс устройств, принцип действия которых основан на изменении частоты генерируемого, отраженного или пропускаемого излучения.
В приведенной таблице указаны ниши физических процессов, определяющихся детекторами в зависимости от их класса.
Измеряемая характеристика среды | Тип датчика | Примечание | ||
---|---|---|---|---|
С модуляцией интенсивности | Фазовый | Поляризационный | ||
Акустическое давление звука | + | + | + | Определяется механическая деформация или сдвиг оптических характеристик светового потока, под воздействием звуковых волн. |
Температура | + | + | — | Нагрев волоконно-оптического датчика изменяет его размер или характеристики проходящего излучения |
Смещение | + | + | + | Сдвиг элементов конструкции сенсора приводит к изменениям световой волны |
Сила магнитного поля | − | + | + | Под действием магнитных полей деформируется датчик, что отмечается соответствующим оборудованием по измерению светового потока. Другой вариант детектора отмечает смену фадеевской плоскости поляризации происходящей под действием названого фактора |
Сила электрического поля | − | − | + | Детектор определяет изменения в рамках эффектов Керра и Поккельса или пьезоэлектрического сдвига |
Электрический ток | − | + | + | Сила электрического тока определяется теми же методами, как и мощность магнитного поля. В основе определения тестируемых параметров – эффект возникновения последнего в потоке электронов |
Ускорение | + | + | − | Механические смещения конструкции датчика вызывают изменения и потока, проходящего через него света |
Характеристики вращения | − | + | − | Прибор в своей работе использует эффект Саньяка |
Далее области применения датчиков различного вида по определяемым физическим факторам:
Исследуемые физические процессы | Область применения |
---|---|
Счетчик прерывания, определение толщины или смещения | Линии конвейерного перемещения чего-либо |
Определение прерывания, смещения или положения | В печатающем оборудовании, работающем на высоких скоростях |
Потока, давления, температуры | Технологический контроль |
Давления, счетчик прерываний, температуры | Машиностроение |
Уровня жидкости, напряжения, вращения, потока, давления, положения | Авиация в общем, ЖКХ, насосные станции, ядерные реакторы |
Определение утечки газовой смеси и уровней жидкости | Нефтяная промышленность |
Электрическое и магнитное поле, ток, температура, давление, вибрация, счетчик прерываний | Энергетика |
Давления, уровень жидкости, магнитное поле, вибрации | Судостроение |
Представленные модели на рынке
Закончив теоретическую часть, перейдем к практическому обзору волоконно-оптических датчиков, представленных на рынке. Но начать стоит все-же с каналов передачи информации. То есть, другими словами о кабелях и шнурах оптико-волоконной связи. Здесь достаточно большой разброд, полный непонятных терминов и классификаций для непрофессионала. Далее будут рассмотрены виды датчиков, востребованных на Российском рынке. Только нужно учесть для последних, что они могут поставляться в комплекте с анализирующим прибором, или без. Усилители оптического сигнала не рассматриваются по причине их практически нулевого применения в системах телеметрии.
Оптоволокно
Сами линии оптоволоконной связи продаются как в виде монтажного провода, так и кабеля. Основные варианты поставки — катушки. Сами кабели могут быть покрытыми внешней защитной оболочкой, или нет. Среди предназначенных для монтажа снаружи зданий распространены модели с внутренним укрепляющим кордом из стальной нити. Также кабель может содержать, как одну линию передачи, так и несколько (обычно до 10). Главная маркировка — класс исполнения. Распространены согласно стандарту:
Характеристика | Класс | ||||||
OS1 | OS2 | ОМ1 | ОМ2 | ОМ2+ | ОМ3 | ОМ4 | |
Длинна волны передачи (нм) | 1310(1550) | 1310(1550) | 850(1300) | 850(1300) | 850(1300) | 850(1300) | 850(1300) |
Затухание дБ на километр | − | − | 3.5(1.5) | 3.5(1.5) | 3.5(1.5) | 3.5(1.5) | 3.5(1.5) |
Максимальная скорость потока | 1, 10, 40, 100 Гбит/с | 1, 10, 40, 100 Гбит/с | 10 Мб/с |
100 Мб/с
10 Гбит/с
100 Гбит/с
0.1