Волоконно-оптические датчики температуры на основе решеток показателя преломления (стр. 1 из 3)

Курсовая работа по курсу «Технология материалов микро-, опто- и наноэлектроники»

Московский Институт Электронной Техники (ТУ)

Москва 2009 г.

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.

По принципу работы и конструктивным особенностям датчики можно разделить на четыре группы [5]:

1. Оптопары с открытым каналом, где размещается или контролируемая среда, или промежуточный элемент.

2. Волоконно-оптические датчики, в которых чувствительным элементом является само волокно, оптические свойства которого изменяются под действием внешних факторов.

3. 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.

4. 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 [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 [6].

В основе использования волоконных брэгговских решеток (ВБР) лежит зависимость резонансной длины волны λБР от температуры световода и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений.

Предложено большое число способов измерения смещения λБР [3]. 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 [2].

Конструкция ВОД температуры и схема измерений.

Датчик температуры на основе ВБР представляет собой следующую систему [6]:

рис.1. Конструкция датчика температуры на ВБР.

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.

Схема системы датчиков [6] представлена на следующем рисунке.

рис.2. Система датчиков температуры.

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.

4. Методы записи брэгговских решеток

В силу малого периода ВБР (Λ ~0.5 мкм) их, как правило, формируют с использованием интерференционных методов. Так как процесс записи необходимой решеточной структуры может длиться несколько десятков минут, изготовление качественной решетки возможно лишь при высокой стабильности интерференционной картины.

Несмотря на то, что число предложенных схем записи ВБР довольно велико, можно выделить ряд основных принципов их организации [2].

В первом интерферометре, который использовался для записи брэгговских решеток (рис. 5a), использовалось амплитудное разделение исходного УФ пучка с помощью светоделительной пластины. Пучки затем сводились в области расположения облучаемого световода под определенным углом a друг к другу. Этот угол задает период интерференционной картины и, следовательно, период ВБР.

Часто для записи ВБР используют интерферометры с пространственным разделением пучка, которые имеют меньшее количество оптических элементов и, следовательно, большую временную стабильность. Такой интерферометр может быть создан, например, с использованием диэлектрического зеркала, которое делит фронт пучка на две равные части (интерферометр Ллойда, рис. 5б). Перестройка угла a в данном случае осуществляется путем поворота зеркала вместе с закрепленным на нем световодом, что значительно проще в сравнении с тем, как это делается в интерферометре, изображенном на рис. 5а. Отметим, что цилиндрическая линза, используемая в обеих схемах, представленных на рис. 5, служит для фокусировки излучения на волоконный световод (в ряде случаев на его сердцевину), что, как правило, необходимо для увеличения плотности УФ - излучения при записи брэгговских решеток.