Скачать

Волоконно-оптические датчики температуры на основе решеток показателя преломления

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.

Рис. 5. Схемы записи брэгговских решеток в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения.

Указанные типы интерферометров обладают гибкостью в выборе параметров (период, длина) записываемых решеток, однако требуют высокую пространственную и временную когерентность записывающего излучения.

Запись ВБР через фазовую маску (рис 6.) значительно снижает требования к когерентности УФ излучения, поэтому часто применяется с использованием недорогих эксимерных лазеров. В этом методе реализуется интерференция между первым и минус первым дифракционными порядками излучения, прошедшего через фазовую маску. Маска изготавливается из прозрачного в ультрафиолетовой части спектра кварцевого стекла и имеет определенный рельеф обращенной к световоду поверхности. Рельеф выполнен таким образом, чтобы подавить нулевой и другие порядки дифракции, кроме первого и минус первого, и обеспечить тем самым высокий контраст интерференционной картины (рис.6а). Изготавливаемые в настоящее время фазовые маски позволяют записывать структуры ВБР, имеющие переменные по длине период и амплитуду модуляции ПП. Вместе с тем жесткая фиксация возможных параметров ВБР на стадии изготовления маски является одним из основных недостатков указанной схемы.

Рис. 6. Схемы записи брэгговских решеток с помощью фазовой маски: прямая запись (а), запись в интерферометре Тальбота (б).

Механизмы фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до сих пор недостаточно прояснены даже для наиболее изученных стекол, легированных диоксидом германия (GeO2). Однако известно, что для германосиликатного стекла фотовозбуждение германиевых кислородно-дефицитных центров (ГКДЦ) играет инициирующую роль для последующей трансформации сетки стекла, которая сопровождается изменением его ПП. В спектре поглощения германосиликатного стекла доминируют две полосы с максимумами 242 и 330 нм, приписываемые синглет-синглетному и синглет-триплетному поглощению ГКДЦ соответственно (2).

Фотовозбуждение синглетной полосы осуществляется излучением KrF эксимерного лазера (248 нм), второй гармоники аргонового лазера (244, 257 нм), четвертой гармоники Nd3+:YAG лазера (266 нм) или второй гармоники лазеров на красителях (5). Эти источники излучения, как правило, и используются для записи решеток ПП.

4.1 Фоточувствительные составы стекол

Величина наведенного ПП в сердцевине волоконного световода зависит от многих факторов, таких как метод и условия изготовления самого световода, тип и концентрация легирующих элементов, длина волны, интенсивность и тип (импульсный или непрерывный) облучения.

К сожалению, фоточувствительность стандартных телекоммуникационных световодов с концентрацией германия 3 - 5 мол. % недостаточно высока для эффективной записи в них решеток ПП. Даже при длительном облучении наведенный ПП в таких световодах не превышает 5·10-5. В связи с этим значительные усилия были предприняты в поисках способов повышения этой величины. В частности, было показано, что фоточувствительность германосиликатных световодов увеличивается с ростом концентрации диоксида германия в сердцевине, что главным образом связано с ростом концентрации ГКДЦ при увеличении степени легирования стекла германием. Обычно величина поглощения на 242 нм пропорциональна концентрации германия с коэффициентом пропорциональности 10¸40 дБ/(мм·мол.% GeO2). Заметное повышение концентрации ГКДЦ может быть также достигнуто при синтезе заготовки волоконного световода в условиях дефицита кислорода, например, при замене его азотом или инертными газами. Такой подход позволяет повысить фоточувствительность, сохранив при этом волноводные свойства световода.

К числу химических элементов, увеличивающих фоточувствительность световодов при совместном легировании с германием, относятся бор, олово, азот, фосфор, сурьма. В ряде работ исследовались световоды, не содержащие германия, профиль ПП в них формировался легированием другими элементами (2). Так, было обнаружено, что при облучении на длине волны 193 нм высокую фоточувствительность имеют световоды, легированные азотом, фосфором, серой, сурьмой.

4.2. Методы увеличения фоточувствительности волокна

Несмотря на то, что был предложен целый ряд составов, обладающих повышенной фоточувствительностью, как правило, волоконные световоды на их основе сложны в изготовлении и, кроме того, имеют материальные и волноводные характеристики, отличные от стандартных. Последнее обстоятельство часто приводит к дополнительным потерям на стыковку таких световодов со стандартными и некоторым другим сложностям при их использовании.

В этой связи значительный интерес представляло увеличение фоточувствительности уже изготовленных, в том числе стандартных световодов без значительного изменения их собственных характеристик. Оказалось, что насыщение сетки стекла водородом при высокой температуре, например в пламени горелки с высоким содержанием водорода, способно на порядок увеличить наведенный показатель преломления стандартных световодов. Такая обработка может быть выполнена на небольшом участке световода и обеспечивает повышенную фоточувствительность этого участка в течение длительного времени. Вместе с тем это приводит к значительному росту концентрации ОН групп в сетке стекла, которые имеют полосы поглощения в области 1.4 мкм. Кроме того, значительно уменьшается механическая прочность световода.

Существует принципиально другой способ водородной обработки, которая также существенно увеличивает фоточувствительность германосиликатных световодов. Этот способ заключается в насыщении сетки стекла молекулярным водородом при относительно низких температурах (~100 ºC). При таких температурах еще не происходит взаимодействие молекулярного водорода с сеткой стекла, и водород находится в стекле в физически растворенном состоянии. Для такого насыщения световод погружают в камеру с водородом при давлении ~100 атм. Коэффициент диффузии молекулярного водорода в кварцевом стекле достаточно высок и экспоненциально зависит от температуры. Практически полное насыщение световода (98% от максимального значения) при комнатной температуре достигается через две недели, а при температуре 100ºC - уже через 12 часов. Концентрация молекулярного водорода в сетке стекла при такой обработке достигает 2 - 3 мол. %. Световод, подвергнутый низкотемпературной водородной обработке, имеет повышенную фоточувствительность до тех пор, пока водород находится в сетке стекла. По мере обратной диффузии водорода в окружающую среду фоточувствительность уменьшается, возвращаясь к своему исходному значению, поэтому световод после водородной обработки следует хранить при пониженной температуре. Так, при Т = -20 ºC уменьшение концентрации водорода на оси световода в два раза происходит примерно через 2 месяца.

Описанный способ водородной обработки наиболее удобен для практического использования и позволяет индуцировать наведенный ПП в стандартных световодах, достаточный для большинства приложений (~10-2).

Полезное развитие описанной техники низкотемпературной водородной обработки было предложено в работе (8), где было показано, что облучение световода с растворенным водородом небольшой дозой УФ-излучения позволяет "заморозить" высокую фоточувствительность световода, то есть сохранить ее в течение длительного времени даже после выхода молекулярного водорода из световода. Таким образом, можно подготовить необходимые участки световода для последующей записи решеток, предварительно облучив их небольшой дозой. Оказалось, что такую предварительную обработку можно проводить не только на длине волны, на которой будет проводиться запись решеток, но и на других длинах волн в УФ-диапазоне, в том числе излучением ультрафиолетовой лампы.

Интересным методом является увеличение фоточувствительности с помощью механического растяжения световода при записи в нем решеток (1). При этом наведенный ПП увеличивается в 3 - 4 раза при фиксированных параметрах облучения в сравнении с ненатянутым световодом, что позволяет сократить время записи решеток примерно на порядок. Недостаток - приложенные деформации имеют довольно большую величину (3% и более), что требует высокого качества поверхности световода и механической стабильности системы растяжения при записи. Кроме того, такие деформации значительно изменяют резонансную длину волны решетки, поэтому они должны быть учтены и заданы с высокой точностью, чтобы решетка после освобождения от механической нагрузки имела нужную длину волны.

Глава 4. Волоконно-оптический датчик точки росы

В качестве детектора образования конденсата в конденсационных датчиках точки росы обычно используют охлаждаемое зеркало, имеющее размеры порядка 1 см2. Для уменьшения размеров датчика, поверхности конденсации и упрощения конструкции можно использовать одномодовое оптическое волокно. Кроме того, это позволит вынести источник излучения и фотоприёмник за пределы зоны измерения. Наиболее простой вариант - гигрометр на эффекте изменения коэффициента отражения от границы раздела волокно - газ при образовании на сколе волокна конденсата.

4.1. Состав и принцип работы.

Анализируемый газ подаётся в камеру, в которой на охлаждаемом пьедестале находится чувствительный элемент, содержащий волоконный световод, который сколот под углом 90°, чтобы обеспечить максимальное обратное отражение вводимого в него оптического излучения ИК-диапозона. Программа регулятора снижает температуру в камере до тех пор пока чувствительный элемент не зафиксирует выпадение конденсата на поверхности скола волокна. После этого производится нагрев чувствительного элемента для удаления плёнки конденсата. Далее цикл измерений повторяется, причём в области, где выпадение росы было зафиксировано, скорость охлаждения сильно снижается. Это позволяет фиксировать температуру точки росы с большой точностью. Измерения температуры производятся закреплённым на охлаждаемом пьедестале калиброванным платиновым преобразователем сопротивления.

Рис. 34. Схема экспериментального стенда.

Рис. 35. Волоконно-оптический детектор образования конденсата.

В состав экспериментального стенда входят:

суперлюминесцентный диод (СЛД);

чувствительный элемент;

волоконный разветвитель;

термопреобразователь сопротивления;

двухкаскадный термоэлектрический модуль;

блок питания ТЭМ;

система охлаждения горячей стороны ТЭМ;

фотоприёмник;

микропроцессорный блок управления и индикации;

камера и газовая коммутация.

4.1.1. Чувствительный элемент

Если оптическое волокно, в котором распространяется оптическое излучение, сколоть под прямым углом, то основная часть излучения будет выходить из волокна, но порядка 3,5% излучения (в случае воздуха), будет отражаться от скола обратно. Отражённую мощность можно измерить, поставив в оптическую схему до скола волокна разветвитель. При образовании на торце волокна плёнки конденсата происходит изменение показателя преломления в приповерхностной области, вследствие чего изменяется мощность отражённого сигнала (рисунок 36).

Среди многообразия типов оптического волокна, наиболее подходящим с точки зрения применения в качестве детектора образоваия конденсата является стандартное телекоммуникационное волокно типа SMF-28. Улучшить характеристики прибора можно, используя более тонкое оптоволокно, за счет чего уменьшится градиент температуры по его сколу.

4.1.4. Охлаждение чувствительного элемента

Одной из важнейших задач при создании гигрометра точки росы является обеспечение контролируемого охлаждения чувствительного элемента. Среди широко применяемых для решения этой задачи способов (компрессионный, криогенный и др.) термоэлектрическое охлаждение предствляется наиболее перспективным с точки зрения точности, доступности и экономичности.

Термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) имеют ряд принципиальных преимуществ перед обычными системами принудительного охлаждения: компактность, легкость регулировки температуры, малую инерционность. ТОУ обладают удобной и гибкой характеристикой и несложным переводом из режима охлаждения в режим нагревания. Они отличаются простотой управления, возможностью точного регулирования температуры, бесшумностью, хорошими массогабаритными показателями, высокой надежностью работы и имеют практически неограниченный срок службы.

ТОУ — это устройства для переноса тепловой энергии от теплопередатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой, действие которых основано на эффекте Пельтье. Основным функциональным узлом ТОУ является термоэлектрическая батарея, набранная из электрически соединенных между собой термоэлементов. При прохождении электрического тока (от внешнего источника) через термоэлемент возникает разность температур между горячим и холодным спаями термоэлемента. При этом на холодном спае теплота поглощается из охлаждаемого вещества и передается горячему спаю и далее в окружающую среду.

Охлаждение горячего спая термоэлектрического модуля является очень важной задачей, поскольку от эффективности охлаждения зависит максимальная разность температур на сторонах модуля. Для решения этой задачи решено было обратиться к другой области техники, где активно используется охлаждение – компьютерам. Наиболее мощные компьютерные кулеры на тепловых трубах способны отводить от небольшой поверхности (размеры современных процессоров сравнимы с размерами ТЭМ) значительную тепловую мощность. При этом охлаждение остаётся пассивным (вентилятор является опциональным). Кроме того, основание хороших кулеров как правило делают из меди, которая легко паяется. Такой вид охлаждения надёжен, относительно недорог и с ним имеется возможность создания переносного варианта прибора.

4.2. Теоретиическая модель функционирования чувствительного элемента

Так как используемое волокно является одномодовым в диапазоне используемых длин волн, падение света на границу раздела можно считать нормальным, а значит, для определения коэффициента отражения можно воспользоваться формулой Френеля:

,   (28)

где R – коэффициент отражения, n1 и n2 – показатели преломления сред.

Расчетные данные по этой формуле хорошо сходятся с измеренными значениями в различных жидких средах.

Таблица 10. Мощности сигналов, отражённых от сколотого конца волокна, при погружении волокна в жидкости с различными показателями преломления. Источник излучения – СЛД.