Диссертация (Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно­оптического телеметрического комплекса), страница 5

Так же, как и при рассеянииМандельштама – Бриллюэна, рассеянный свет имеет стоксову и антистоксовукомпоненты. Характерная величина частотного сдвига составляет вкварцевых световодах 13 ТГц (частота колебаний связи Si-O), чтосоответствует сдвигу ~ 100 нм на длине волны 1,55 мкм. Интенсивностьантистоксового рассеяния сильно зависит от температуры среды, поэтомурегистрация сигнала этого рассеяния с применением методов OTDRпозволяетполучитьпространственноераспределениетемпературысдостаточно высокой точностью и пространственным разрешением [27, 45].По аналогии с модами сердцевины волоконного световода вводитсяпонятие мод оболочки световода, основная часть энергии которыхраспространяется по кварцевой оболочке и участку среды, непосредственноприлегающему к ней. Свойства оболочечных мод волоконного световодаоказываются чувствительными к изменению состава внешней средыволоконного световода, поэтому их часто используют в датчиках состава идавления окружающей среды.

Возбудить моды оболочки можно с помощьюдлиннопериодной волоконной решетки, или используя источник излучения сбольшой апертурой.Характерные параметры, достигаемые методами обратного рассеяния:• пространственное разрешение ~ 10м;• время измерения ~ 1 мин;24• точность определения температуры ~ 5°C;• точность определения деформации ~ 0.01%;• характерные длины контролируемых объектов ~ 1 – 10 км.1.2.2. Методы локальной и квазираспределенной техническойдиагностики [83]Волоконно-оптические локальные методы предполагают применениеволоконно-оптическихдатчиков(ВОД),обеспечивающихизмерениефизической величины в заданных (относительно небольших) областяхпространства, причем, как правило, предполагается, что в пределах областиизмерения измеряемая величина неизменна или ее относительное изменениеневелико.

Отметим, что измерение среднего или интегрального значениянекоторой величины также может быть выполнено на основе базовыхпринципов построения локальных методов [12].Волоконно-оптические квазираспределенные методы подразумеваютиспользование локальных ВОД, которые объединены в единую системуизмерения с использованием волоконно-оптических методов объединения(мультиплексирования) единичных чувствительных элементов [8].

Важнымпримером квазираспределенной системы измерения физических величинявляется система основанная на использовании волоконных брэгговскихрешеток в качестве чувствительных элементов.Волоконно-оптические методы локальной и квазираспределеннойтехнической диагностики можно разделить на группы в соответствии с тем,какой параметр оптической волны измеряется для получения информации офизической величине:• Интенсивность излучения;• Изменение фазы излучения;• Измерение поляризации излучения;• Измерение спектра излучения.Ниже будут рассмотрены различные реализации методов.25Волоконно-оптический метод, основанный на измеренииинтенсивности излученияИзмерение интенсивности излучения - наиболее простой методрегистрации оптического сигнала, так как в этом случае требуетсядостаточно ограниченный электронный интерфейс (например, стандартныйполупроводниковый фотоприемник).Использованиедатчиковинтенсивностичащевсеготребуетстабильного по интенсивности источника излучения или особого внимания кнормировке полезного сигнала.

Данный метод в наибольшей степениподвержен влиянию различных помех (шумы, неконтролируемые потери ит.д.).Волоконно-оптический метод, основанный основанные наизмерении изменения фазы излученияДанный метод получил широкое распространение в цельноволоконныхсенсорных системах, поскольку даже небольшое изменение фазы на единицудлиныВСможетбытьзарегистрированоприбольшойдлинечувствительного участка световода (до нескольких километров) [60].Изменение фазы ∆ϕ излучения можно выразить через изменение оптическогопути по формуле:∆ = Δ� � = Δ + Δ,(1.2)где L и neff – длина и показатель преломления чувствительного участкаВС, а ∆L, ∆neff – их изменение соответственно. Большая длиначувствительного элемента ВС дает возможность измерять изменение ПП науровне10-12,чтопозволяетрегистрироватьзвуковыеколебаниявгидрофонных и микрофонных сенсорных системах.Данныйметодмалоэффективенпринеобходимостиквазираспределенной технической оценке состояния объекта из-за низкогопространственного разрешения.26Волоконно-оптический метод, основанный на измеренииполяризации излучения [80, 101, 102]В ВС возможно распространение излучения двух ортогональныхполяризаций.

В общем случае состояние электромагнитного поля в ВСявляется линейной комбинацией данных поляризаций. Ряд физическихэффектов(вчастности,эффектПоккельса,эффектФарадея,упругооптический эффект) могут приводить к изменению разности фазмежду этими поляризациями.В оптических схемах, характерных для этого типа датчиков,используютсяВС и оптические поляризаторы (устройства, подавляющиеизлучение одной из поляризаций и не влияющее на интенсивность другой), атак же источники света с заданным состоянием поляризации и контроллерыполяризации (волоконно-оптическое устройство, позволяющее изменятьразность фаз между двумя поляризациями контролируемым образом).Стоит особо отметить, что воздействие, приводящее к изменениюсостояния поляризации, может происходить на внешний объект (например,металлизированное покрытие световедущей структуры), или на сам световод,который в этом случае одновременно служит чувствительным элементом исредой, передающей излучение.Недостатком таких ВОД является их малая воспроизводимость из-забольшого количества неконтролируемых параметров, оказывающих сильноевлияние на величину реакции ВОД.Волоконно-оптический метод, основанный на измерении спектраизлученияИзлучение,распространяющеесяпоВС,имееттеилииныеспектральные характеристики.

Многие ВОД построены на регистрацииизменений,происходящихвспектрепроходящего/отраженногоилирассеянного излучения. Спектральный принцип регистрации является однимиз самых надежных, так как он в наименьшей степени подвержен влияниюшумов и дополнительных оптических потерь.27Физическими механизмами, обуславливающими изменения в спектреизлучения, являются излучение нагретых или люминесцирующих тел, спектрпоглощения и усиления веществ или самого световода, рассеяние, отражениеразличных веществ и структур. Важным примером ВОД, основанным наизменении спектра излучения являются волоконные решетки показателяпреломления.Элементы,используемыедляпостроенияоптическихсхемрассматриваемого класса ВОД: широкополосные или перестраиваемыеисточники излучения, спектроанализаторы, перестраиваемые фильтры идругиеспектральныеспектральныеэлементы.характеристикиСущественнуюиспользуемыхрольприборовздесьииграютволоконно-оптических элементов, важна стабильность их спектральных характеристик[34].Таким образом, рассмотрев существующие волоконно-оптическиеметоды локальной и квазираспределенной технической диагностики, можнозаключить следующее:• Метод, основанный на измерении интенсивности излучения в наибольшейстепени подвержен влиянию различных помех (шумы, неконтролируемыепотери и т.д.) из-за высоких требований к стабильности интенсивностиисточника излучения и нормировке полезного сигнала;• Метод,основанныйнаизмеренииизмененияфазыизлучениямалоэффективен при необходимости квазираспределенной техническойоценке состояния объекта из-за низкого пространственного разрешения;• Метод,основанныйнаизмеренииполяризацииизлучениямалоэффективен из-за плохой повторяемости характеристик ВОД;• Метод, основанный на измерении спектра излучения является одним изсамых надежных, так как он в наименьшей степени подвержен влияниюшумов и дополнительных оптических потерь.28Физические явления, используемые в волоконно-оптическихдатчиках, основанных на измерении спектра излученияПо результатам анализа метод, основанный на измерении спектраизлучения является наиболее подходящим для решения задач созданияволоконно-оптической системы технической диагностики.

В связи с этимнеобходимо наиболее подробно рассмотреть и проанализировать физическиеявления,которыеиспользуютсявволоконно-оптическихдатчиках,основанных на измерении спектра излучения.Волоконно-оптические датчики, использующие термооптическийэффектТермооптический эффект в ВС заключается в том, что растяжение ВСприводит к изменению его показателя преломления, и как следствие, кизменению оптического пути для излучения, распространяющегося по ВС.Термооптический эффект характеризуется коэффициентом тепловогорасширения кварцевого стекла = 0,52 × 10−6коэффициентом1 1≈ 6,1 × 10−6 .°C1°Cи упругооптическимТермоиндуцированное изменение фазы ∆ф можно вычислить наосновании следующего соотношения:∆ = ( +1 )Δ,(1.3)где Δ − изменеие температуры, L – осевая деформация световода.Волоконно-оптические датчики, использующиемагнитооптический эффект ФарадеяДля создания сенсора магнитного поля (датчики тока, магниты) можетбыть использован магнитооптический эффект Фарадея в волоконныхсветоводах.

Суть его заключается в том, что при распространении линейнополяризованного излучения через вещество, находящееся в магнитном поле,наблюдается вращение плоскости поляризации излучения. Суть эффектазаключается в том, что во внешнем магнитном поле показатели преломлениядляциркулярно поляризованногоизлучениястановятсяразличными.29Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линиймагнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно левоиправополяризованныесоставляющиераспространяютсясразнымифазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую отоптической длины пути. Разность показателей преломления право- и левоциркулярно поляризованных волн линейно зависит от напряжённостимагнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описываетсясоотношением:Θ = ,(1.4)где V — постоянная Верде, коэффициент пропорциональности,который зависит от свойств вещества, длины волны излучения итемпературы,Н–напряженностьмагнитногополявдольосираспространения света (оси световода), L –длина вращающего поляризациюВС.Волоконно-оптические датчики, использующие упругооптическийэффектУпругооптический эффект в ВС проявляется в том, что при упругойдеформации световода происходит изменение ПП материала ВС и егогеометрической длины.