English
Обновлено:
5 апреля 2005






webmaster

Датчики температуры и деформации объектов на основе волоконных решеток показателя преломления

Введение
Макет системы измерения температуры и деформации объектов

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.

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.

Одним из новых и перспективных вариантов ВОД температуры и механических деформаций являются датчики с использованием волоконных решеток показателя преломления в качестве чувствительного элемента (см. раздел обзора "Датчики физических величин на основе брэгговских решеток").

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.
  • Демонстрационный макет квазираспределенной системы измерения температуры и деформации объектов

    Макет квазираспределенной системы измерения температуры и деформации объектов на основе волоконно-оптических датчиков
    Общий вид макета

    Система построена на основе спектрального мультиплексирования отдельных каналов, каждый из которых представляет собой спектр отражения однородной волоконной брэгговской решетки длиной 5 мм. Максимум отражения от решетки зависит от температуры и деформации световода (см. раздел обзора "Волоконные брэгговские решетки"). По смещению резонансных длин волн решеток с использованием специально разработанного для этой цели программного обеспечения восстанавливается температура и деформация объекта.

    Демонстрационный макет системы построен на основе 12 решеток, что позволяет измерять температуру T и деформацию e в шести пространственно разнесенных точках объекта. Спектр отражения системы решеток приведен ниже. Приведенная серия решеток была записана на одном отрезке стандартного волоконного световода SMF-28 без применения сварок, что упростило конструкцию системы и повысило надежность ее работы.

    Спектр отражения серии волоконных брэгговских решеток в системе измерения температуры и деформации
    Спектр отражения серии волоконных брэгговских решеток в системе измерения температуры и деформации

    Схема системы датчиков представлена на следующем рисунке.

    Схема системы волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток
    Схема системы

    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.

    Для анализа технических характеристик системы серия датчиков закреплена на металлической балке 6. Размеры балки составляют 1200*110*20 мм. Балка располагается на опорах 7, расположенных по ее краям.

    На следующем рисунке представлены измеренные системой датчиков напряжения, которые возникают на верхней поверхности балки при приложении нагрузки в районе ее середины.

    Схема приложения нагрузки к квазираспределенному волоконно-оптическому датчику температуры и деформации

    Результаты тестирования квазираспределенного волоконно-оптического датчика температуры и деформации
    Результаты тестирования квазираспределенного волоконно-оптического датчика температуры и деформации

    В этом эксперименте балка последовательно нагружалась грузами по ? г (на рисунке видны 12 соответствующих "ступенек"), затем также последовательно эти грузы были сняты с балки, и система таким образом была приведена в исходное состояние. Серия из шести кривых 1 соответствует брэгговским решеткам, которые измеряют суммарное воздействие деформации и температуры, в то время как серия 2 - решеткам, которые измеряют только изменение температуры. Кривые из серии 1 с наибольшей величиной деформации соответствуют решеткам, которые находились ближе всех к точке приложения нагрузки. Поскольку во время эксперимента система находилась при температуре, близкой к постоянной, кривые в серии "температурных" решеток 2 характеризуют шумовые характеристики и стабильность системы. В том случае, если окружающая температура меняется, в разработанной системе этот температурный дрейф учитывается, что позволяет измерять деформацию независимо от температуры.

    Шумовые характеристики и долговременная стабильность системы на примере измерения температуры представлены на следующем рисунке.

    Шумы и долговременная стабильность волоконно-оптического датчика температуры
    Шумы и долговременная стабильность системы на примере датчика температуры

    Как видно из рисунка, амплитуда шумов датчика составляет ~0.05°С. Долговременная стабильность после 30 минутного прогрева - 0.1°С в течение течение 1 часа.

    Следует отметить масштабируемость системы как по количеству датчиков на одной измерительной линии (до 50 - 100 точек измерения), так и по количеству волоконно-оптических каналов измерения (с использованием оптического переключателя). Локальность измерений может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в зависимости от конкретных условий и задач.

    Технические данные и характеристики системы

    Точность определения деформации, me1
    Точность определения температуры, °C0.1
    Диапазон измерения деформации, me-1000 - +1000
    Диапазон измерения температуры, °C-100 - +400
    Количество точек измерения в одном каналедо 50 - 100
    Количество каналов100 и более
    Copyright © 2003-2004 gratings.fo.gpi.ru
    При использовании материалов сайта ссылка на источник обязательна