Диссертация (1091115), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Величина эффекта определяется упругими иупругооптическимипараметрами,коэффициентамиопределяющимикварцевогогеометриюВСстекла.приОсновнымимеханическомвоздействии, являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона, которые длякварцевого стекла составляют 76 ГПа и 0,164 соответственно.
Изменение ППкварцевогостеклаопределяетсяупругооптическимикоэффициентамиПоккельса (p11 = 0,121и p12 = 0,270). Так, при однонаправленнойдеформации это изменение имеет вид:Δ = −03211 − 2120,03403�12 − (11 + 12 )� = − 2 � 0,22 � ,0,2212 − (11 + 12 )(1.5)30где n0 – значение ПП в недеформированном состоянии, εх – величинаоднонаправленной деформации световода.Частными случаями ВОД, использующих упругооптический эффект,являются датчики магнитного поля с магнитострикционным покрытием,акустические датчики и волоконные брэгговские решетки.В магнитострикционных датчиках ВС покрывают ферромагнитнымматериалом, либо внедряют в состав магнитострикционного элемента. Приприложении магнитного поля магнитострикционный элемент расширяетсявдоль направления поля, растягивая чувствительный участок ВС. Прирастяжении эффективный ПП световода и длина растянутого участкаменяются, что позволяет зарегистрировать величину магнитного поля.По результатам анализа распределенных и квазираспределенныхметодовтехническойдиагностикибылисформулированывыходныетехнические и метрологические параметры, достигаемые данными методами.Технические и метрологические характеристики распределенных иквазираспределенных методов можно свести в таблицу 1.1.Таблица 1.1.
Технические и метрологические характеристики методовТехническиеметрологичесскиехарактеристикииПространственноеразрешениеРаспределенныеметодыКвазираспределенныеметоды10 м0,01 мВремяизмерения1 минодного рабочего канала<1сАбсолютнаяпогрешность измерения ± 2 °Стемпературы± 1 °САбсолютнаяпогрешность измерения ± 0.01%деформации± 0.0005%Характерные длины ВСдо 10 кмдо 10 км311.2.3.
Аппаратура для локальной и квазираспределеннойтехнической диагностики с использованием волоконно-оптическихсредствИзобщегоклассаВОДследуетвыделитьтакназываемыеквазираспределенные датчики, в которых не весь волоконный световодявляется чувствительным элементом, а некоторые заранее выделенныеучастки или специальные волоконные устройства, например, волоконныебрэгговские решетки (ВБР) [30].Такие волоконно-оптические системы датчиков называют такжемультиплексированнымилинейкамиилиантеннами. Преимуществамиквазираспределенных ВОД является то, что при измерениях достаточнополучить информацию о номере датчика, чтобы знать его координату.Чувствительные элементы таких датчиков и измерительных системмогут быть оптимизированы для измерения выбранного физическогопараметра.Крометогоимеютсяширокиевозможностипоихконструированию.Дляполученияинформациисчувствительныхэлементовквазираспределенных ВОД необходима регистрирующая аппаратура.Ниже представлены и проанализированы квазираспределенные ВОД исовременная регистрирующая аппаратура.Квазираспределенные ВОД на основе ВБР [20]ВосновуквазираспределенныхВОДположенасобственнаятемпературная чувствительность резонансной длины волны ВБР.
Корпусдатчика предназначен для защиты волоконного световода с ВБР отмеханических повреждений и для крепления датчика к объекту измерения. Кчислу достоинств такой конструкции датчика можно отнести отсутствиемеханической деформации световода, что увеличивает надежность и срокэксплуатации датчика [32].Сприменениемсовременнойрегистрирующейаппаратуры(регистрирующих модулей) типичная точность измерения температуры в32большинстве случаев лучше, чем ± 1 °С. Температурный диапазон измерениятемпературы определяется конструктивными особенностями датчика ииспользованными материалами. В большинстве случаев этот диапазонсоставляет от -50 до +150°С. Датчики этого типа имеют волоконные выводыс двух сторон и могут быть расположены в линию для реализацииквазираспределенного измерения температуры.Для примера в таблице 1.2 приведены несколько вариантов датчиковтемпературы, изготовленные различными производителями.Таблица 1.2.
Датчики температуры на основе ВБРМодель(Изготовитель)ОписаниеВБРФотографиязакрепленаклеевым соединением вOs4100(Micron-opticsInc.) [23]двух точках вне ВБР настальнойпластине,имеющей специальнуюформуOs4350ВБР размещена внутри(Micron-opticsалюминиевогоInc.) [23]прямоугольникаВБР размещена внутриSmartTemp(SmartFibresInc.) [48]керамическогопрямоугольникаспоперечным размером7,6 ммTC-Probe(FBGS[46]Inc.)ВБР размещена внутристальной трубки33Характерное время отклика датчика на основе ВБР зависит от того,каким образом обеспечен контакт световода с ВБР с исследуемым объектом[44].
При непосредственном контакте кварцевого световода с измеряемымобъектом характерное время отклика ограничивается теплопроводностьюкварцевого стекла и для световода, имеющего диаметр 125 мкм, составляет~ 10 мкс.Датчики деформации (здесь рассматриваются датчики линейнойпродольной деформации растяжения/сжатия), на основе ВБР могут иметьбольшое разнообразие параметров. В частности, основными параметрамиявляются:• Диапазон измеряемых деформаций• Чувствительность к деформации• Материал корпуса датчика• Способ крепления к поверхности диагностируемого объектаВ ряде случаев световод с ВБР внедряется непосредственно в материалкорпуса (клей, пластик, композиционный материал, и т.д.), что позволяетисключить возможные механические воздействия на световод, увеличитьчувствительность, однако может приводить к неоднородной деформации ВБРи возникновению двулучепреломления [24].В таблице 1.3.
приведены некоторые типы волоконно-оптическихдатчиков деформации, изготовленные различными производителями.34Таблица 1.3. Датчики деформации на основе ВБРМодель(Изготовитель)os3110(Micron-opticsInc.) [23]os3155(Micron-opticsInc.) [23]ОписаниеФотография±0.25% отн. деформации;стальная пластина скреплением под точечнуюсварку±0.25% отн. деформации;с температурнойкомпенсацией на основедополнительной ВБР0.5% отн. деформации;os3610для крепления на(Micron-opticsповерхности объекта сInc.) [23]температурнойкомпенсациейOSP-A±0.25% отн. деформации;(OPSens Inc.)поршневая система с[39]механическим креплениемK-OL(HBM Inc.) [42]0.5% отн. деформации;для крепления наповерхности объектаРегистрирующая аппаратура для квазираспределенных ВОД наоснове ВБРВ настоящее время в коммерческом исполнении выпускается нескольковариантов регистрирующих модулей для работы с датчиками на основе ВБР.В таблице 1.4 представлены основные характеристики некоторых из них.35Таблица 1.4.
Технические характеристики регистрирующей аппаратурыMicronFiberFiberSensingSensingBraggBraggMETERSCOPE444101010101520– 1530– 1530– 1530– 15301580156015601570157051551030353035НетНетНетНетFBG-SFBG-SFBG-FBG-Scan 816Scan 804164сканирования, Гц2Спектральныйдиапазон, нмOpticsОсновныехарактеристикиsm 225800ЗначениеЧислооптическихканаловЧастотаСпектральноеразрешение, пм–Динамическийдиапазон измерений, 40дБНормировкаопорного сигналаНетРегистрирующий модуль производства компании Micron Optics sm 225800, представленный на рисунке 1.1, предназначен для работы с 16оптическими каналами [23].Рисунок 1.1. Внешний вид регистрирующего модуля sm2 25-80036Основным элементом регистрирующего модуля sm 225-800 являетсяперестраиваемыйисточникизлучения,работающийвспектральномдиапазоне 1510 – 1590 нм.
Перестройка источника излучения осуществляетсяс использованием перестраиваемого спектрального фильтра Фабри-Перо. Входе одного такта сканирования спектральный фильтр непрерывно имонотонно изменяет центральную длину волны полосы пропускания, врезультате чего длина волны излучения, пришедшего на ВБР, однозначнозависит от времени, прошедшего с начала такта сканирования. Такая схемапозволяет использовать в качестве приемника излучения фотодетектор свременным разрешением ~ 1000 мкс, преобразуя зависимость интенсивностисигнала на приемнике от времени в спектр отражения сенсорной системы наоснове ВБР.Одним из недостатков измерительной схемы является систематическаяошибка определения положения резонансного пика ВБР при большой длинеоптического кабеля между регистрирующим модулем и ВБР в силу задержкисигналавоптическойлинии.Онобладает достаточнонебольшимдинамическим диапазоном измерения (40 дБ) и не высоким спектральнымразрешением (5 пм).
К числу недостатков так же следует отнестиотносительноневысокуючастотуизмеренияспектров(0,5 Гцприсканировании 16 каналов, 2 Гц при сканировании 4 каналов). Данныйрегистрирующий модуль оптимален для мониторинга температуры идеформаций малых технических объектов, где не требуется высокая скоростьизмерений и нет необходимости непрерывного опроса большого числа ВОД.Втаблице1.4приведеныосновныехарактеристикиданногорегистрирующего модуля, представленные фирмой-производителем.В регистрирующих модулях FBG-Scan X08/X16 фирмы FBG-Sдетектирование излучения производится с использованием сканирующегоинтерферометра Фабри-Перо [46].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
