Волоконно-оптические датчики температуры на основе решеток показателя преломления

Курсовая работа по курсу «Технология материалов микро-, опто- и наноэлектроники»

Московский Институт Электронной Техники (ТУ)

Москва 2009 г.

Введение

Волоконно-оптический датчик (ВОД) - датчик физических величин, в конструкции которого в качестве чувствительного элемента и передающей оптическое излучение среды используется волоконный световод. Чувствительный элемент ВОД преобразует определенное физическое воздействие в изменение свойств прошедшего, отраженного или рассеянного излучения. По принципу действия ВОД можно разделить на группы в соответствии с тем, какой параметр оптической волны измеряется для получения информации о физическом воздействии: интенсивность, фаза, состояние поляризации, спектральный или мoдовый состав излучения.

По принципу работы и конструктивным особенностям датчики можно разделить на четыре группы [5]:

1. Оптопары с открытым каналом, где размещается или контролируемая среда, или промежуточный элемент.

2. Волоконно-оптические датчики, в которых чувствительным элементом является само волокно, оптические свойства которого изменяются под действием внешних факторов.

3. Интегрально-оптические датчики, использующие в качестве чувствительного элемента планарный световод, изготовленный методами интегральной оптики; принцип действия такого датчики основан на нарушении полного внутреннего отражения для лучей, распространяющихся вдоль световода, и «вытекание» их через границу раздела за счет приближения к ней среды или изменения ее показателя преломления.

4. Датчики с волоконно-оптическими связями, в которых чувствительный элемент располагается в месте разрыва оптического волокна и воздействует на его светопередачу.

Современные ВОД позволяют измерять деформацию, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость линейного перемещения и скорость вращения, ускорение, параметры колебаний и звуковых волн, уровень жидкостей, показатель преломления, электрическое и магнитное поле, дозу радиационного излучения, а также ряд других физических величин.

Использование ВОД основывается на таких явлениях, как электрооптический, магнитооптический, упругооптический, термооптический эффекты, люминесценция, комбинационное рассеяние, рассеяние Рэлея и Мандельштама-Бриллюэна, межмодовое взаимодействие и других.

Преимуществами ВОД являются: защищенность от воздействия электромагнитных полей, высокая чувствительность, надежность, воспроизводимость и широкий динамический диапазон измерений, малые габариты и вес, высокая коррозионная и радиационная стойкость, электроизоляционная прочность, пожаробезопасность, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или в нескольких световодах, значительное расстояние до места проведения измерений, малое время отклика [4].

Одним из новых и перспективных вариантов ВОД температуры и механических деформаций являются датчики с использованием волоконных решеток показателя преломления (брэгговских решеток) в качестве чувствительного элемента – они обладают свойством отражать излучение на определенной длине волны.

Сферы использования ВОД температуры и деформации объектов, построенные на основе решеток, весьма разнообразны. Приведем далеко не полный перечень возможных областей применения таких систем:

все виды строительства и коммуникаций, автомобилестроение, авиация, кораблестроение, эксплуатация и контроль состояния (целостность, безопасность) городских строений и промышленных объектов [6].

В основе использования волоконных брэгговских решеток (ВБР) лежит зависимость резонансной длины волны λБР от температуры световода и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений.

Предложено большое число способов измерения смещения λБР [3]. Наиболее прямым из них является измерение спектра пропускания/отражения решетки с помощью широкополосного источника излучения и спектроанализатора либо с помощью узкополосного перестраиваемого лазера и фотоприемника. Такой способ является нечувствительным к оптическим потерям, которые могут возникать в оптическом тракте при проведении измерений, и обеспечивает высокую точность измерений λБР. Вместе с тем такая схема регистрации использует достаточно дорогостоящее оборудование и имеет ограниченное быстродействие.

Указанные схемы позволяют измерить физическую величину в месте нахождения ВБР, вместе с тем часто возникают задачи измерения пространственного распределения этой величины. Для этого разработаны схемы, позволяющие мультиплексировать чувствительные элементы, в том числе расположенные в одном световоде. К числу таких схем следует отнести:

-спектральное мультиплексирование каналов, при котором чувствительные элементы разнесены на различные длины волн;

-использование оптических переключателей, подключающих тот или иной чувствительный элемент к системе измерения;

-пространственно-временное мультиплексирование, при котором отклик от каждой из решеток регистрируется в различные моменты времени;

-комбинированные схемы, включающие в себя несколько принципов мультиплексирования каналов, перечисленных выше.

Перечисленные схемы измерения λБР, как правило, обеспечивают точность измерения температуры ~0.1ºС и относительного удлинения ~10-6.

Существует также большое число работ, посвященных важным на п