Меню

Волоконно оптические брэгговские датчики

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.).

Читайте также:  Датчик положения педали акселератора mitsubishi chariot grandis

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

ГОСТ Р 59165-2020 Оптика и фотоника. Датчики волоконно-оптические. Датчики температуры на основе волоконной брэгговской решетки. Общие технические требования и методы испытаний

Текст ГОСТ Р 59165-2020 Оптика и фотоника. Датчики волоконно-оптические. Датчики температуры на основе волоконной брэгговской решетки. Общие технические требования и методы испытаний

ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

ДАТЧИКИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ

Датчики температуры на основе волоконной брэгговской решетки.

Общие технические требования и методы испытаний

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-исследовательский институт физической оптики, оптики лазеров и информационных оптических систем всероссийского научного центра «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова» (ФГУП «НИИФООЛИОС ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова») и Обществом с ограниченной ответственностью «Инновационное предприятие «НЦВО — Фотоника» (ООО ИП «НЦВО — Фотоника»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 296 «Оптика и фотоника»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 10 ноября 2020 г. № 1045-ст

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. Nt 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок —в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

© Стандартинформ. оформление. 2020

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

Содержание

6 Требования безопасности ВОДТ

7 Требования охраны окружающей среды

10 Транспортирование и хранение

11 Указания по эксплуатации

ГОСТ Р 59165—2020

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Датчики температуры на основе волоконной брэгговской решетки. Общие технические требования и методы испытаний

Optics and Photonics. Fiber-optic sensors. Temperature sensors based on fiber Bragg grating. General technical requirements and test methods

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на волоконно-оптические датчики для измерения температуры на основе волоконной брэгговской решетки (далее — ВОДТ), применяемые в различных отраслях экономики (машиностроение, авиастроение, атомная и электроэнергетика, нефтяная и газовая отрасли, строительство и эксплуатация зданий и сооружений и др.).

Настоящий стандарт устанавливает технические требования для ВОДТ. принцип работы которых основан на использовании одной или нескольких волоконных брэгговских решеток (ВБР) в качестве чувствительного элемента датчика.

Настоящий стандарт устанавливает основные характеристики волоконно-оптического датчика для измерения статических и динамических значений температуры на основе ВБР. методы испытаний, основные эксплуатационные параметры и характеристики измерительных приборов для считывания оптического сигнала ВБР.

Настоящий стандарт распространяется на ВБР с постоянным периодом (однородные и аподизи-роаанные), записанные в изотропном волоконном световоде (ВС).

На другие типы волоконных решеток (длиннолериодные волоконные решетки, неоднородные ВБР. ВБР в анизотропном ВС и т. д.) настоящий стандарт не распространяется.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.565 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем связи и передачи информации

Читайте также:  Датчик температуры акпп фф2

ГОСТ 12.2.007.0 Система стандартов безопасности труда. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности

ГОСТ 6651 Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобраэователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний

ГОСТ 15150 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды

ГОСТ 18620 Изделия электротехнические. Маркировка

ГОСТ Р 2.601 Единая система конструкторской документации. Эксплуатационные документы

ГОСТ Р ИСО 5725-2 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 2. Основной метод определения повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений

ГОСТ Р МЭК 60068-2-1 Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-1. Испытания. Испытание А: Холод

ГОСТ Р МЭК 60068-2-2 Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-2. Испытания. Испытание В: Сухое тепло

ГОСТ Р МЭК 60068-2-10 Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-10. Испытания. Испытание J и руководство: Грибостойкостъ

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проворить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты». который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты* за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 волоконно-оптический датчик температуры: ВОДТ: Конструктивно обособленная часть оптической системы измерения, предназначенная для локального измерения температуры и состоящая из следующих конструктивных элементов:

— чувствительного элемента волоконно-оптического датчика температуры, являющегося одиночной волоконной брэгговской решеткой либо массивом волоконных брэгговских решеток с различными резонансными длинами волн (см. 3.3);

— корпуса, обеспечивающего максимально быструю передачу тепла к чувствительному элементу волоконно-оптического датчика температуры;

— входных/выходных волоконных световодов.

Примечание — Материалы ВС (сердцевины, оболочки и внешнего покрытия) и корпуса ВОДТ определяют границы рабочего диапазона (см. 3.14) датчика.

3.2 волоконная брэгговская решетка; ВБР: Волоконная решетка показателя преломления, представляющая собой участок одномодового волоконного световода, в сердцевине которого индуцирована периодическая структура показателя преломления с периодом Л.

Примечание — Рассматриваемые в стандарте волоконные брэгговские решетки имеют постоянный период и отражают узкий участок спектра вблизи резонансной длины волны Xg (см. 3.3).

3.3 резонансная (брэгговская) длина волны Х&: Длина волны максимального отражения или минимального пропускания в соответствующих спектрах волоконной брэгговской решетки (см. 3.2).

1 Если термин применяют к волоконно-оптическому датчику температуры (см. 3.1). то подразумевают резонансную длину волны чувствительного элемента до монтажа датчика.

2 Резонансную длину волны Xg задают уравнением

где — эффективный показатель преломления основной моды волоконного световода;

Л — период волоконной брэгговской решетки.

Резонансную длину волны Х&. как правило, выражают в нанометрах.

3 Период волоконной брэгговской решетки — расстояние между соседними штрихами периодической структуры показателя преломления волоконной брэгговской решетки.

3.4 референсная длина волны Х^ Резонансная длина волны волоконной брэгговской решетки после монтажа волоконно-оптического датчика температуры, от которой проводят отсчет изменения Хв. измеренная при начальной температуре То.

3.5 изменение резонансной длины волны волоконной брэгговской решетки при изменении температуры:

3.5.1 абсолютное изменение ЛХ^Т): Разность между значением измеренным при некоторой температуре Т. и референсной длиной волны волоконной брэгговской решетки (см. 3.4).

Примечание — Абсолютное изменение АХВ(Г) вычисляют из выражения

ДХ0(Т) выражают в нанометрах или пикометрах.

3.5.2 относительное изменение Д(Т): Безразмерная величина, равная отношению абсолютного изменения длины волны волоконной брэгговской решетки (3.5.1) к ее референсному значению (см. 3.4) Д(Т) = ДХВ(Т>ХО.

Примечание — В связи с тем, что относительное изменение Хв. как правило, достаточно мало, его удобно выражать в миллионных долях (ppm): 1 ppm = 10″®.

3.6 коэффициент пропускания волоконной брэгговской решетки 7В 100 % (3)

Чаще всего подразумевают, что оптические потери на Xg малы и справедливо соотношение Рт* Pr s Pq-

3.8 спектральная ширина волоконной брэгговской решетки IV: Полная ширина на уровне половинной амплитуды максимума (см. рисунок 1) отражения на длине волны Хв.

Примечание — IV. как правило, выражают в нанометрах.

3.9 боковые максимумы в спектре отражения волоконной брэгговской решетки: Дополнительные максимумы в спектре отражения, расположенные с обеих сторон от основного максимума волоконной брэгговской решетки.

Примечание — В однородных волоконных брэгговских решетках ампгмтуда боковых максимумов спадает по мере удаления от основного максимума. Для уменьшения амплитуды боковых максимумов используется аподизация волоконной брэгговской решетки.

3.10 относительный уровень боковых максимумов: Отношение амплитуд основного и наибольшего бокового максимумов, выраженное в децибелах (см. позицию 1 на рисунке 1).

3.11 отношение сигнал/шум в спектре отражения волоконной брэгговской решетки SNRFBq: Отношение сигнала, пропорционального спектральной плотности мощности оптического излучения, отраженного на резонансной длине волны BBR к уровню электронного шума аппаратуры системы измерения. измеренному при отсутствии оптического сигнала.

1 Выражают в децибелах (см. позицию 2 на рисунке 1).

2 В некоторых случаях минимальный уровень регистрации полезного оптического сигнала определяют не электронным шумом. а паразитной оптической составляющей (засветкой спектрометра).

> — относительный уровень боковых максимумов

2 — отношение ситнап/шум в спектре отражения волоконной брэгговской решетки

Рисунок 1 — Типовой спектр отражения однородной волоконной брэгговской решетки

3.12 чувствительность резонансной длины волны волоконной брэгговской решетки к тем* пературе Кг: Параметр, означающий скорость изменения резонансной длины волны Хв при изменении температуры волоконной брэгговской решетки.

1 Этот параметр также является функцией температуры, поэтому возможно использовать аппроксимацию следующего вида:

где Кт(Т) = К> ■ (1 + К^ДТ- (1+ К£ЛТ(1

ДТ — Т- Tq — изменение температуры волоконной брэгговской решетки.

2 Линейный коэффициент приведенной зависимости выражают через параметры материала волоконного световода (как правило, кварцевое стекло) по формуле где а — коэффициент теплового расширения.

3.13 минимальный рабочий радиус изгиба волоконного световода: Минимальный радиус, на который входные/выходные волоконные световоды могут быть изогнуты без увеличения вносимых потерь сверх допустимого уровня (а — 1 дБ), т. е. без ухудшения работоспособности волоконно-оптического датчика температуры.

3.14 рабочий диапазон температур волоконно-олтического датчика температуры: Диапазон температуры, который можно измерить волоконно-оптическим датчиком температуры в соответствии с техническими условиями на ВОДТ конкретного типа.

Примечание — Использование волоконно-оптического датчика температуры вне этого диапазона может привести к выходу его из строя.

3.15 постоянная времени волоконно-оптического датчика температуры те: Показатель, характеризующийся ступенчатым изменением температуры объекта измерений.

1 Постоянную времени волоконно-оптического дат’мка температуры измеряют при ступенчатом изменении температуры объекта измерений от до Г2.

Отклик волоконно-оптического датчике температуры на такое изменение рассматривают с использованием функции

Постоянная времени те при этом означает, через какое показание волоконно-оптического датчика температуры изменяются на 1 — 1/е = • (1 + КдД ■ (1 * К?дД ■ (1 + . )):

Д — относительное изменение резонансной длины волны ВБР в конструкции ВОДТ (см. 3.5.2).

В этом уравнении использование членов более высокого порядка позволяет улучшать точность измерений, особенно на краях рабочего диапазона температуры ВОДТ.

1 Возможно использование других аппроксимирующих зависимостей, обеспечивающих требуемую точность определения температуры.

2 Параметр, показывающий скорость изменения резонансной длины волны Xg при изменении температуры ВБР также является функцией температуры, поэтому возможно использовать аппроксимацию следующего вида:

где Кт(Т) = • (1 + К?ДГ • (1 + К?ДЦ1 + . ));

ДГ = Т- Tq — изменение температуры волоконной брэгговской решетки.

3 Линейный коэффициент приведенной зависимости выражают через параметры материала волоконного световода <как правило, кварцевое стекло)

где о — коэффициент теплового расширения.

5.1.1.3 Функции аппроксимации и калибровочные коэффициенты следует указывать в эксплуатационных документах (ЭД) (паспорте (ПС) или руководстве по эксплуатации (РЭ)].

5.1.1.4 Методы определения чувствительности ВОДТ к температуре, приведенные в разделе 9, должны быть установлены в технических условиях (ТУ) на ВОДТ конкретного типа.

5.1.2 Рабочий диапазон температур волоконно-оптического датчика температуры

5.1.2.1 Диапазон температуры ВОДТ следует устанавливать при первичной калибровке.

5.1.2.2 Методы проведения первичной калибровки приведены в разделе 9.

5.1.2.3 Диапазон температуры ВОДТ следует указывать в ЭД (ПС или РЭ) на ВОДТ.

Нижняя граница рабочего диапазона температуры ВОДТ составляет О “С.

5.1.2.4 Если рабочий диапазон температур входных/выходных ВС и оптических соединителей отличается от диапазона температур регистрируемой ВОДТ. то их следует указывать в ЭД на ВОДТ.

5.1.3 Точность измерения температуры и воспроизводимость

5.1.3.1 Точность (погрешность) измерения температуры ВОДТ определяется:

— случайными и систематическими погрешностями системы измерения относительного спектрального смещения резонансной длины волны ВБР А, в том числе привнесенными процедурой калибровки ВОДТ;

— точностью аппроксимации калибровочной зависимости (см. 5.1.1.2), если она используется при проведении измерений.

5.1.3.2 Погрешность измерения температуры, выраженная а процентах всего рабочего диапазона. не должна быть ниже значений, указанных в таблице 1.

Источник

Adblock
detector