3faa9bdb66786_859505036_1752591323

1. Оптоволоконі сенсори

2. Актуальність дослдіження

Актуальність даної теми зумовлена необхідністю створення точних, надійних
і простих у реалізації засобів контролю фізичних параметрів — зокрема
температури, тиску, деформацій — у системах, де класичні електронні
сенсори не забезпечують достатньої стабільності або не можуть бути
застосовані взагалі. Волоконно-оптичні сенсори здатні працювати на великі
відстані,
у
вибухонебезпечних
середовищах,
поблизу
джерел
електромагнітного випромінювання, що робить їх незамінними для
енергетики, будівництва, нафтохімії, авіації та медицини.
Метою даної роботи є аналіз фізичних принципів роботи оптоволоконних
сенсорів, дослідження їх класифікації та особливостей конструкції, а також
побудова математичної моделі температурного сенсора на основі структури
Брега з подальшим моделюванням його спектральної чутливості до
температури.

3. 1. Теоретичні основи та принципи роботи оптоволоконних сенсорів. 1.1 Поняття оптичного волокна. Області застосування

Усі оптоволоконні сенсори за принципом роботи умовно поділяються на екструзійні (extrinsic)
та інтринсивні (intrinsic). У першому випадку волокно лише транспортує світло до та від
чутливого елементу, який розташований поза волокном. Це може бути, наприклад,
мікромеханічна система або дзеркало, що відбиває світло під різними кутами в залежності від
прикладеного впливу. У другому випадку сам світлопровід є активним чутливим елементом, і
зміна його властивостей напряму впливає на проходження світла, що дозволяє побудувати
мініатюрні, повністю волоконні сенсорні системи.
Фізична природа оптичного волокна дозволяє використовувати його не лише як канал для
передачі даних у телекомунікаціях, а і як чутливий елемент у сенсорних системах. Під дією
зовнішніх впливів таких як деформація, температура, тиск або хімічний контакт змінюється
характеристика світла, яке проходить крізь волокно. Це робить оптичне волокно не просто
провідником сигналу, а активною платформою для точних вимірювань.

4. 1.2 Класифікація оптичного волокна та його основні характеристики

У сенсорних системах окрему групу складають спеціалізовані оптичні
волокна. До таких належать волокна, що зберігають поляризацію, які
мають асиметричну структуру або внутрішнє механічне напруження,
здатне утримувати сталу поляризацію хвилі на всьому шляху
поширення. Це необхідно в тих випадках, коли вимірюваний параметр
впливає на фазу або поляризаційний стан сигналу, наприклад у
гіроскопах або інтерферометричних сенсорах.
Дисперсія ще один критично важливий параметр, який описує
залежність швидкості поширення світла від довжини хвилі. Вона
викликає розширення імпульсів при проходженні по волокну і впливає
на точність вимірювання у сенсорних системах. Для боротьби з цим
явищем використовують спеціальні типи волокон із компенсованою або
нульовою дисперсією при заданих довжинах хвиль.

5. 1.3 Класифікація оптоволоконних сенсорів: за фізичними принципами та призначенням

З фізичної точки зору оптоволоконні сенсори поділяються за тим, які параметри
світлової хвилі змінюються внаслідок зовнішнього впливу. Найпростішим механізмом
вважається модуляція інтенсивності світла тобто вимірювання змін у кількості світла,
що доходить до приймального пристрою. Такі сенсори зазвичай будуються за схемою
відбивання, ослаблення або переривання світлового пучка, що проходить крізь чутливу
зону волокна.
Гіроскопічні сенсори на основі волоконної оптики будуються за принципом ефекту
Саньяка, де фазовий зсув між хвилями, що поширюються в протилежних напрямках по
кільцевому волокну, прямо пропорційний кутовій швидкості. Такі сенсори широко
застосовуються в авіаційних, морських і космічних системах навігації, де потрібна
висока точність та відсутність рухомих частин.
Окреме місце займають спектральні сенсори, які працюють у вузьких діапазонах
довжин хвиль і реагують на зміну поглинання або розсіювання світла внаслідок
взаємодії з речовиною. Їхнє застосування охоплює біосенсори, флуоресцентні сенсори,
сенсори для виявлення газів або рідин.

6. 1.4 Огляд типів волоконних сенсорів. Стисла історія розвитку

Спектральні сенсори орієнтовані на аналіз змін у спектрі випромінювання, яке
проходить через або відбивається від оптичного волокна. Найбільш
характерним прикладом є флуоресцентні сенсори, у яких використовується
явище флуоресценції на активних ділянках волокна. Їх чутливість до певних
хімічних сполук або біомаркерів робить їх придатними для медичних та
екологічних застосувань, зокрема для виявлення газів, рідин чи біологічно
активних речовин у реальному часі.
Кожен тип сенсора відповідає на конкретну потребу в технологічному
середовищі. Температурні сенсори є найпоширенішими, оскільки зміна
температури прямо впливає на структуру волокна, і це легко виявити
спектроскопічно. Завдяки цьому вони масово застосовуються як у важкій
промисловості, так і в енергетиці. Сенсори тиску мають перевагу в
компактності та точності, що дозволяє вбудовувати їх у гідравлічні системи, а
також в середовища з високим тиском, наприклад у нафтогазовому бурінні.
Окремо слід відзначити розподілені сенсори, які не мають фіксованих точок
вимірювання, а використовують усе волокно як безперервний чутливий
елемент. Сигнал формується на основі зворотного розсіювання світла
(Бріллюенівського, Релеєвського, Раманівського), що дозволяє будувати
температурні або механічні профілі на десятках кілометрів.

7. 2 Датчики температури на основі структури Брега. 2.1 Опис Датчика

Волоконно-оптичні сенсори, побудовані на базі решіток Брега (FBG Fiber
Bragg Grating), є одним із найбільш точних і надійних інструментів для
вимірювання температури у складних умовах експлуатації. Їх принцип
роботи базується на здатності періодично модифікованої ділянки
оптичного волокна вибірково відбивати світло певної довжини хвилі, яка
залежить від періоду решітки та показника заломлення серцевини.
Оскільки решітка Брега не вимагає джерела живлення на місці
вимірювання, а лише передає сигнал до спектрометричного реєстратора,
вона придатна для використання в умовах з високим рівнем
електромагнітних перешкод, у вибухонебезпечних середовищах або під
водою. Температурний сенсор, побудований на основі структури Брега, є
високотехнологічним оптоволоконним приладом, призначеним для
точного та стабільного вимірювання температури в умовах, де класичні
електричні датчики виявляються малоефективними або непридатними.
Його принцип роботи ґрунтується на здатності модифікованої ділянки
оптичного волокна решітки Брега відбивати світло певної довжини хвилі,
що залежить від періоду модуляції та ефективного показника заломлення.

8. 2.2. Структура Брега

Структура Брега (англ. Fiber Bragg Grating, FBG) є періодичною модуляцією
показника заломлення в серцевині оптичного волокна, яка утворює
дифракційну решітку, що відбиває світло певної довжини хвилі та пропускає
решту спектра. Така структура працює як високочутливий фільтр, і її
застосування лежить в основі волоконно-оптичних сенсорів нового
покоління, зокрема — температурних і деформаційних датчиків.
Отримання решітки Брега здійснюється шляхом опромінення серцевини
оптичного волокна інтенсивним ультрафіолетовим (УФ) світлом через
спеціальну фотошаблонну або інтерференційну схему. Це призводить до
зміни оптичної щільності скла в зоні опромінення. Найчастіше
використовується метод фазової маски, при якому УФ-проміння
пропускається через мікролітографічну пластину з заданою періодичною
структурою, що утворює інтерференційну картину у волокні.
На графіку зображено лінійну залежність спектрального зсуву ΔλB від
температури в інтервалі від –50 °C до +150 °C. Вона ілюструє, що з
підвищенням температури відбувається лінійне збільшення довжини хвилі
Брега приблизно на 10 пм/°C, що є типовим значенням чутливості для FBGсенсорів у скляному волокні. Така характеристика дозволяє здійснювати
високоточне температурне зондування з оптичним зчитуванням змін

9. 2.3 Схема та принцип роботи волоконного датчика зі структурою Брега

У центрі схеми знаходиться FBG-структура, яка інтегрована в
оптичне волокно. З лівого боку до волокна під’єднане оптичне
джерело,
що
випромінює
широкосмугове
(біле
або
напівмонохроматичне) світло, яке далі поширюється вздовж волокна
до решітки Брега.
λB​ = 2nеф​Λ
У результаті центральна довжина хвилі λB зміщується, і це зсув
спектра фіксує спектральний аналізатор на правій частині схеми.
Така зміна є прямою мірою температури або деформації, якій
піддається FBG. Волоконний сенсор зі структурою Брега дозволяє
здійснювати оптичне вимірювання фізичних величин без
застосування електроніки в зоні впливу. Він є повністю пасивним,
точним, мультиплексованим та безпечним для роботи у
вибухонебезпечних, біологічних або електромагнітно зашумлених
середовищах.

10. 3 Моделювання або експериментальне дослідження оптоволоконного сенсора 3.1 Вибір типу сенсора та постановка задачі

Якщо використовувати FBG-сенсор, чутливий до температури, зміна довжини
хвилі відбитого сигналу прямо пов’язана з температурною зміною за формулою:
λB = 1550 нм
α ≈ 0.55⋅10−6 °C−1
1
nеф
ⅆ