Волоконно-оптические датчики

Принципы действия волоконно-оптических датчиков

Волоконно-оптические датчики (ВОД) используют свет, распространяющийся по оптическому волокну, для регистрации различных физических, химических или биологических параметров. В основе работы таких датчиков лежит изменение характеристик световой волны (интенсивности, фазы, поляризации, длины волны или временной задержки) под действием внешнего воздействия. Свет в таких системах может быть модулирован как во входном, так и в выходном канале, а само волокно может играть роль чувствительного элемента, среды передачи или и того и другого одновременно.

Классификация волоконно-оптических датчиков

По принципу действия ВОД делятся на две основные категории:

  • Интенсивностно-модулированные датчики, основанные на изменении амплитуды сигнала;
  • Интерферометрические (фазовые) датчики, регистрирующие фазовый сдвиг;
  • Поляризационные датчики, чувствительные к изменениям состояния поляризации;
  • Спектральные датчики, реагирующие на изменение длины волны (в том числе решеточные структуры Брэгга);
  • Временные датчики, регистрирующие задержку во времени распространения импульса.

Также датчики делятся на внутриволоконные (интегральные) и экстракорпоральные (с подключаемыми чувствительными элементами вне волокна).

Конструкция и архитектура ВОД

Основной компонент любого ВОД — оптическое волокно, которое может быть одномодовым или многомодовым. Чувствительная зона может быть реализована путем:

  • создания окна в оболочке и контакта сердцевины волокна с внешней средой;
  • внедрения в структуру волокна оптической решетки (Bragg grating);
  • изгиба или деформации волокна;
  • нанесения на волокно чувствительных пленок или наноструктурированных покрытий.

Детектор излучения обычно располагается на выходе волокна и может регистрировать изменения различных параметров световой волны, прошедшей через чувствительную зону. Источники излучения включают лазеры (в том числе лазеры с внешней накачкой, диодные и ВКЛ-лазеры), светодиоды и сверхлюминесцентные диоды.

Интерферометрические волоконно-оптические датчики

Наиболее чувствительные ВОД основаны на интерферометрии. Классическими конфигурациями являются:

  • Интерферометр Майкельсона, в котором сигнал разделяется на два плеча, одно из которых чувствительное;
  • Интерферометр Маха-Цендер, подходящий для распределенного измерения;
  • Интерферометр Фабри-Перо, где изменяется оптическая длина резонатора;
  • Интерферометр Sagnac, реализующий принцип вращательного гироскопа.

Фазовые изменения света регистрируются с высочайшей чувствительностью — до нано- и пикорадиан в условиях низкого шума и вибраций.

Решетки Брэгга в оптическом волокне (FBG)

Решетка Брэгга — это периодическое модулирование показателя преломления сердцевины волокна, создающее отражающие полосы на определённых длинах волн. При деформации или температурном воздействии период решётки изменяется, и происходит смещение длины волны отражённого сигнала. Это используется для измерения:

  • температуры,
  • механических напряжений,
  • вибраций,
  • акустических волн.

Решетки Брэгга легко мультиплексируются — на одной линии можно разместить десятки и сотни FBG, каждая из которых настроена на свою длину волны. Это делает такие датчики ключевыми элементами для распределённых сенсорных систем.

Датчики на основе изгиба и микродеформаций волокна

Изгиб волокна вызывает потери света, особенно в многомодовых структурах. Эти потери можно использовать для оценки степени деформации, давления, ускорения, звука. Изгибные датчики просты в реализации и широко используются в технических применениях, таких как мониторинг конструкций, механических узлов и транспортных систем.

Поляризационные волоконные датчики

Поляризационно-модулированные ВОД чувствительны к механическим напряжениям и температуре, изменяющим фазовую разность между ортогональными модами. Их реализация требует использования поляризационно-сохраняющих волокон, а анализ проводится при помощи поляриметров или волновых пластин.

Рассеяние в волокне и распределённые датчики

Для создания распределённых датчиков применяются эффекты:

  • Релеевского рассеяния, чувствительного к изменению температуры и деформаций (используется в системах OTDR);
  • Рамановского рассеяния, чувствительного к температуре;
  • Бриллюэновского рассеяния, чувствительного к как температуре, так и к механическим напряжениям.

Принцип основан на регистрации временного отклика рассеянного сигнала от разных участков волокна. Таким образом, волокно становится непрерывным сенсорным элементом длиной в десятки километров.

Преимущества волоконно-оптических датчиков

  • Электромагнитная невосприимчивость — устойчивы к радиопомехам;
  • Малые размеры и масса;
  • Возможность работы в агрессивных средах (высокие температуры, радиация, химически активные вещества);
  • Совместимость с телекоммуникационными технологиями;
  • Высокая чувствительность и возможность распределённых измерений;
  • Безопасность в потенциально взрывоопасных средах.

Применение волоконно-оптических датчиков

  • Аэрокосмическая промышленность — контроль деформаций, вибраций, температуры в конструкциях и двигателях;
  • Медицина — внутрикорпоральные датчики температуры и давления, мониторинг дыхания, тонометрия, ФБГ в биосовместимых оболочках;
  • Энергетика — мониторинг состояния ЛЭП, кабелей, трансформаторов, трубопроводов;
  • Геофизика и сейсмология — распределённые сенсоры на основе рассеяния для мониторинга подвижек грунта, сейсмических колебаний;
  • Гражданское строительство — долговременный мониторинг мостов, туннелей, зданий;
  • Безопасность и оборона — периметровые системы обнаружения, сенсорные маты, оптико-акустические системы.

Технологические аспекты и интеграция

Для создания надежных волоконно-оптических сенсорных систем особое внимание уделяется:

  • стабильности источников света;
  • спектральной чистоте и когерентности лазеров;
  • точности регистрации сдвигов длины волны (в нанометровом и пиконометровом диапазоне);
  • алгоритмам обработки сигналов, в том числе на основе машинного обучения;
  • технологии упаковки, обеспечения герметичности и прочности сенсорных модулей.

Современные разработки включают интеграцию ВОД с микроэлектромеханическими системами (MEMS), фотонными чипами и сетями IoT для удаленного управления и мониторинга.

Фундаментальные ограничения и перспективы

Ограничивающими факторами чувствительности ВОД являются шумы источника, детекторов, нестабильность волокна, флуктуации окружающей среды. Решения включают стабилизацию температуры, компенсацию фазовых шумов и использование ультраузкополосных лазеров. Развитие новых типов волокон — фотонно-кристаллических, полых, с особой дисперсией — открывает новые горизонты в прецизионной сенсорике.

В будущем ожидается массовое внедрение ВОД в инфраструктуру «умных городов», энергетических систем и медицины, а также синергия с квантовой сенсорикой, что позволит достичь уровня измерений, недоступного традиционным методам.

Оглавление