Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Вместе с тем жесткая фиксация возможных параметров ВОБР на стадии изготовления маски является одним из основных недостатков указанной схемы. Фазовая маек У Д световод Рис, 1.11. Схемы изготовления волоконно-оптических брэгговских решеток с помощью фазовой маски в интерферометре Тальбота Перестройку резонансной длины волны ВОБР в относительно широких пределах можно осуществить в интерферометре Тальбота соответствующим поворотом дополнительных зеркал, Исходя из проведенного анализа автор рекомендует использовать метода с применением фазовых масок и интерферометра Тальбота для записи брэгговских решеток.
1.2.4. Анализ срока службы и надежности брэгговских решеток Оптические свойства брэгговской решетки зависят от структуры показателя преломления, которая со временем может изменяться, под действием различных факторов- воздействие температуры, старение и т.д. Очевидно, что для того чтобы использовать брэгговские решетки в составе ВлкнОптчОЭИзмС необходимо иметь представление о надежности как оптических, так и механических характеристик брэгговских решеток. Исходя из анализа, проведенного в параграфе 1.2.3 следует, что наиболее подходящими для использования в ВлкнОптчОЭИзмС являются брэгговские решетки типа 1 и типа 11а.
Поэтому в дальнейшем будет проведен анализ характеристик этих типов решеток. Исследования стабильности наведенного показателя преломления решеток типа 1 были проведены в работах 126~ и ~271. В этих работах исследовались брэгговские решетки записанные в ОВ с концентрацией' диоксида германия (беО~) 9 мол. %, Для исследования решетки подвергались температурному воздействию в течении 20 часов при температурах 110 С и 280'С. Были получены следующие результаты: при температуре 110'С изменения наведенного показателя преломления Лп/Ало замечены не были ( в данном эксперименте можно было обнаружить изменения Ьп/Апо составляющие более 3%); при температуре 280'С изменения Ьп/Ьп~ Ф составили более 20% (наведенный показатель преломления уменьшился на 20%), что эквивалентно уменьшению отражательной способности на 9% (по результатам проведенного в диссертационной работе моделирования для решетки со следующими параметрами: 1=10 мм, Х~=1550 нм, п„рд=1,4682- эффективный показатель преломления сердцевины ОВ, п,~=1,4638 показатель преломления оболочки, 1=10 мкм — диаметр сердцевины оптического волокна).
Исследования стабильности наведенного показателя преломления решеток типа Па были проведены в работ1 128~ В этих работах исследовались брэгговские решетки, записанные в ОВ с концентрацией 47 диоксида германия (ОеО~) 31 мол. %. Были исследованы решетки с наведенным показателем преломления Лпо= 10 и -4 отрицательным наведенным показателем преломления Лпо=5 10 ~.
Решетки подвергались термическом воздействию в течение 10000 минут при температурах 100'С, 200'С, 300'С, 400'С. В решетках с положительным наведенным показателем преломления изменения Ьп!Ьпо составляют 20% (в сторону уменьшения) при 200'С, а в решетках с отрицательным наведенным показателем преломления аналогичные изменения при температуре 400'С.
Не обнаруживается изменения оптических свойств при температурах 100'С и 300'С соответственно. Механическая стойкость типовыхтелекоммуникационных ОВ хорошо изучена в зависимости от разных факторов: влажности, температуры, кислотности среды, материала оболочки. Однако при воздействии мощного УФ прочность оптического волокна уменьшается. В связи с этим, возникает вопрос анализа прочности решеток, Разрушение оптического волокна (волоконной решетки) есть результат поверхностных и внутренних дефектов (на уровне молекулярных связей), которые выступают источником напряжения разрыва, нарушающие связи материала и вызывающие необратимые деформации. Вероятность разрушения материала может быть получена из эмпирического уравнения Вейбула 129~: 1оф1п ) = и 1од( — ) 1 о (1.62) 1- Г1'а) о., где о.- напряжение, приложенное к ОВ, постоянные оо и гп- характеристики материала, Р(а)- суммарная вероятность разрушения (1- Р(о)- вероятность неразрушения).
Параметр гп- или, как его часто называют, параметром формы кривой Вейбула для обычного телекоммуникационного волокна составляет 100-160 1303. В работе 13 Ц были проведены исследования деградации этого параметра, а также напряжения разрыва для брэгговских решеток типа 1, и для решеток типа Па (с отрицательным наведенным показателем преломления). 48 Изучению были подвергнуты решетки, изготовленные как при помощи импульсного излучении (1=248 нм), так и при помощи непрерывного излучения (1=240 нм).
При этом суммарная экспозиция была одинаковой и составляла 1кДж/см' Были получены следующие данные, приведенные в таблице 1 1321. Таблица 1. Механические свойства волоконно- оптических брэгговских решеток В работе 1331 была изучена зависимость уменьшения напряжения разрыва от плотности энергии в одном импульсе для решеток типа 1. Так было получены следующие цифры (суммарная экспозиция была одинаковой и составляла 1кДж/см ): напряжение разрыва при плотности энергии импульса 50МДж/см г составляет 3,86 ГПа, а при плотности энергии импульса 200 МДж/см' 2,43 ГПа.
В работе 1341 был исследован вопрос долговременной надежности брэгговских решеток и были получены следующие цифры: при вероятности разрушения 0,1% решетка типа 1 выдерживает напряжение в 0,87 ГПа (0,83 ГПа для решетки типа Па, что соответствует относительному удлинению 1%) в течение 25 лет, Итак, на основании результатов проведенного анализа можно сделать выводы о том, что прочность решетки тем больше, чем меньше плотность дозы облучения. При одинаковой плотности дозы облучения(необходимой для создания нужного наведенного ПП) прочность решетки при записи непрерывным излучением в 1,5 раза больше чем при записи импульсным.
При записи импульсным излучением прочность решетки тем больше, чем меньше о бр к с решетки эиергиа одного вмпульсе. А т мшуг нсполиавапюя в диапазоне относительных удлинений -1...195 в течение 25 лет рз осг разру ия 0,15К Отличие щючно ги решетах тине ! и типа!!а несущественно. 1.2.5.
Кшгзн-расиределеяиые шншюшво«нпишчкне о!пико-злемгроняме шмерительнме шмтемы деформации вв бше волоконно овтнчшки» брэ х решшик Из проведенного анализа н параграфе !.2.3 следует, что вслоюзнно- оптвчсская брэп овская решетка лннеймз изменаег центральную ллину волны отрвиеиного излучении при встдейстаии температуры н деформации ° с кшффшшеншм преобразования 13,7лм«С и !2 пнЬ' (ллв решетка с данной вопим ля*1550 нм) соответственно. Кроме тогш как показал анализ проясненный в пашнрафе 1.25, брэпоескаа решетка обладает узкой резонансной линией поглощения, Из зшго следует, что на юнасе аоышонна-опшческих брэповскпх решеток, возмокно шютроснне «вши-ралределениых волоконно.оптических ошико-электронных измерительных сивым до)юрммшя и температуры, например, по саелуюшей схеме Рис.
!.12. Структурно.функциональная схеме шюцюсвиа юмзи- распредсшвиьш волоконно япншскнх оптико-элекцюнных измерительных систем деформации н шмлературы 50 То есть на вход оптического волокна подается излучение от источника (или набора источников) с широким спектром, которое последовательно проходит набор брэгговских решеток с различной центральной резонансной длиной волны. Излучение, отраженное от набора волоконно-оптических решеток, регистрируется спектроанализатором и на основании сдвига центральных резонансных длин волн делается вывод о температуре и деформации брэгговских решеток.
Минимальное расстояние между решетками по шкале длин волн определяется, исходя из условия отсутствия переналожения пиков отражения, то есть из предполагаемых эксплуатационных характеристик (диапазон температуры и деформаций). При типовых условиях эксплуатации оно составляет б нм. При этом в стандартное телекоммуникационное волокно можно включить до 10 решеток (в спектральном диапазоне 1528...1562 нм) с целью измерения распределения полей деформации и температуры на протяженном объекте.
Кроме того, из-за разной чувствительности решеток с разной Хб к деформации и температуре следует, что если 2 решетки с разным периодом подвергнуть одинаковому воздействию, как по температуре, так и по деформации, получится линейная система уравнений, из которой можно будет определить и температуру и деформацию- то есть разделить влияние на сдвиг спектра температуры и деформации. Из анализа, проведенного в параграфе 1.2.3, следует, что волоконные брэгговские решетки могут использоваться в диапазоне относительных удлинений -1..1% в течение 25 лет с вероятностью разрушения 0,1%. Температурный диапазон работы брэгговских решеток (решеток типа 11а) -40...+200'С, 51 1.3. Сравнительный анализ распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем на эффекте рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и резонансного отражения от волоконнооптических брэгговских решеток Как следует из разделов 1.1 и 1.2 ВлкнОптчОЭИзмС на эффекте РМБ резонансного и отражения от брэгговских решеток информационный сигнал закодирован в сдвиге частоты, причем в обеих системах чувствительным элементом является оптическое волокно.
В ВлкнОптчОЭИзмС на эффекте РМБ волокно является чувствительным (к температуре н деформации) по всей его длине, однако с ограниченным пространственным разрешением, то есть состоит из конечного числа чувствительных элементов, определяемого отношением длины ОВ к пространственному разрешению и может составлять 10 000- 15 000. В ВлкнОптчОЭИзмС на основе брэгговских решеток, волокно имеет чувствительность (к температуре и деформации) только в тех местах, где нанесены брэгговские решетки (то есть участки длиной 2-10 мм). Число брэгговских датчиков ограничено условием отсутствия переналожения спектра и для датчиков с типовыми эксплуатационными характеристиками (диапазон температур -40...+60'С, диапазон деформаций -0,1...+0,1%) составляет 10 штук на один канал (в спектральном диапазоне 1528...1562 нм).
Самым большим недостатком систем на основе РМБ является то, что ® для обеспечения достаточного отношения сигнал/шум, необходимого для обеспечения заданных метрологических характеристик, нужно достаточно большое время измерений (около 3-х минут). В противовес этому, ВлкнОптчОЭИзмС на брэгговских решетках, обладают превосходным быстродействием (время измерения до 0,1мс) И, наконец, главным преимуществом ВлкнОптчОЭИзмС на основе брэгговских решеток является то, что они могут различить влияние температуры и деформации, чего системы на базе РМБ способны сделать только при двух канальной регистрации и только в том случае, если 52 физически возможно разделить влияние температуры и деформации (первый канал регистрирует температуру волокна 1, а второй деформацию волокна 2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
