Спектрально-чувствительные датчики на волоконных брэгговских решетках

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 22 из 26Следующая ⇒

Резонансная длина волны волоконной брэгговской решетки зависит от эффективного ПП сердцевины световода и периода модуляции ПП. В свою очередь эти два параметра зависят от внешних деформирующих напряжений и температуры. Используя выражение (1) смещение центральной длины волны отражения под действием деформации и температуры можно записать так [2]:

(12)

Первое слагаемое в выражении (12) показывает воздействие деформации на волокно. Физический смысл его в изменении периода решётки и ПП, вызванного упругооптическим эффектом. Этот эффект можно описать следующим выражением:

(13)

где p_e – эффективная упругооптическая постоянная, определяется как:

(14)

где p₁₁ и p₁₂ – компоненты упругооптического тензора, n – ПП сердцевины, а ν – коэффициент Пуассона. Для стандартного одномодового ОВ с параметрами p₁₁ = 0,113, p₁₂ = 0,252, ν = 0,16 и n = 1,482 при длине волны

отражения ВБР λ_В0 ≈ 1550 нм расчётная чувствительность к деформации составляет 1,2 пм при относительном удлинении ε(z) = 10^-6. Экспериментальные результаты исследования смещения брэгговской длины волны отражения от деформации (растяжение/сжатие) представлены на рисунке 3.3 [2].

Рис. 3.3. Зависимость смещения брэгговской длины волны от приложенной деформации

Второе слагаемое в выражении (12) показывает температурное воздействие на брэгговскую решетку. Смещение брэгговской длины волны происходит из-за температурного расширения кварца, вызывающего изменение периода решётки, а также изменения ПП волокна. Подобное смещение λ_B при изменении температуры ΔT может быть записано как:

(15)

где α = (1/Λ )(δΛ/δT) - коэффициент термического расширения (для кварца α = 0,55 ×10^-6), ξ = (1 /n)(δn/δT) - термооптический коэффициент (для волокон с добавками германия примерно равный 8,6×10^-6). Видно, что изменение ПП является доминирующим эффектом. Из уравнения (15) можно рассчитать, что температурный сдвиг решетки Брэгга в одномодовом оптическом волокне составляет ~ 13,7 пм/° С. На рисунке 3.4 показана температурная зависимость резонансной длины волны волоконной брэгговской решетки [2].

Рис. 3.4. Зависимость длины волны резонанса ВБР от температуры

Существует множество различных способов построения сенсорных систем на основе брэгговских решеток. В простейшем случае сенсорная система представляет собой точечный датчик, соединенный через оптический разветвитель с источником светового сигнала и блоком анализатора (рис. 3.5). Сигнал от источника отражается чувствительным элементом. Длина волны отражения фиксируется блоком анализатора.

Рис. 3.5. Схема простейшего волоконно-оптического датчика на брэгговских решетках

Как правило, анализатор (Bragg grating interrogator) представляет собой узкополосный спектрометр. Существуют спектрометры различных типов: от стандартных дифракционных, где в качестве дисперсионного элемента используется дифракционная решетка, до анализаторов на основе интерферометра Фабри-Перо.

Одним из основополагающих достоинств волоконно-оптических датчиков является их относительно легкая возможность объединения в массивы (мультиплексирование). Наиболее часто в волоконных датчиках на брэгговских решетках используются два вида мультиплексирования – мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing - WDM) и мультиплексирование по времени (Time Division Multiplexing - TDM).

Мультиплексирование по времени TDM основано на анализе скорости прохождения сигнала по системе. Каждый датчик разделен участком волоконного световода, для прохождения которого сигналу требуется определенное, и известное заранее, время. Источник посылает короткий импульс в систему. Сигнал на выходе представляет собой ряд импульсов,

дифференцированных по времени, каждый из которых несет информацию о состоянии каждого сенсора в отдельности. В чистом виде такая система мультиплексирования также редко используется для объединения брэгговских волоконных датчиков, однако как составная часть более сложной системы встречается довольно часто. Подробное описание данного типа мультиплексирования представлено в работе [3].

Принцип WDM мультиплексирования основывается на том, что каждый сенсорный элемент записывается со своим уникальным периодом решетки, что позволяет различать их по спектру при анализе и, соответственно, фиксировать показания каждого сенсора отдельно. Количество сенсоров в массиве, в основном, ограничивается спектральной шириной источника и динамическим диапазоном анализатора.

Познавательные статьи:



Организация работы процедурного кабинета

Статус республик в составе РФ

Понятие финансов, их функции и особенности

Сущность демографической политии