Волоконные датчики

Классификация волоконно-оптических датчиков

Волоконные датчики (ВОД) представляют собой устройства, использующие оптическое волокно как средство для передачи и/или модуляции измеряемой физической величины. В зависимости от принципа действия волоконные датчики подразделяются на:

  • Экстракорпускулярные (экстраволоконные) – когда оптическое волокно служит только для передачи света к и от чувствительного элемента, расположенного вне волокна;
  • Интракорпускулярные (интраволоконные) – когда сама структура волокна изменяется под действием внешнего воздействия и служит чувствительным элементом.

По типу модуляции сигнала волоконные датчики делятся на:

  • Интенсивностные – измеряемая величина влияет на интенсивность проходящего света;
  • Интерферометрические – основаны на интерференции когерентного света;
  • Поляризационные – чувствительны к изменениям поляризации;
  • Спектральные – изменения проявляются в спектральном распределении излучения;
  • Временные (временное доменное распределение) – используют задержки или изменения времени распространения сигнала.

Принцип действия волоконных датчиков

Свет, проходя через оптическое волокно, может быть модифицирован внешними воздействиями. Эти воздействия могут вызывать:

  • изменение коэффициента преломления материала волокна (эффект фотоупругости);
  • деформацию или микроперемещения в структуре волокна;
  • изменение условий распространения мод (например, за счёт изгиба);
  • изменение условий интерференции (например, в волоконных интерферометрах типа Фабри-Перо или Маха-Цендера);
  • изменение длины волны отражения в брэгговской решётке (в спектральных датчиках).

Волоконно-оптические датчики на основе брэгговских решёток (Fiber Bragg Gratings, FBG)

Брэгговская решётка — это периодическая модуляция показателя преломления вдоль сердцевины волокна, созданная методом фотолита или лазерной интерференции. Свет определённой длины волны, удовлетворяющий условию Брэгга,

λB = 2nэффΛ,

где λB — длина волны отражения, nэфф — эффективный показатель преломления, Λ — период решётки, отражается обратно по волокну.

Под действием внешних факторов (температуры, механического напряжения, давления и т. д.) изменяются nэфф и Λ, что приводит к смещению длины волны отражённого света. Это и используется для измерения соответствующего параметра.

Преимущества FBG-датчиков:

  • высокая чувствительность и точность;
  • электромагнитная совместимость (нечувствительность к ЭМ-помехам);
  • возможность многоточечного измерения (датчики с мультиплексированием по длине волны);
  • компактность и надёжность.

Интерферометрические волоконные датчики

В таких системах свет излучается в два оптических пути, один из которых подвергается внешнему воздействию. При обратном совмещении происходит интерференция, чувствительная к изменениям фазы.

Основные типы интерферометров:

  • Интерферометр Маха-Цендера – луч делится и проходит через два отдельных пути, один из которых чувствителен к измеряемой величине;
  • Интерферометр Саньяка – используется для измерения вращения (основа волоконного гироскопа);
  • Интерферометр Фабри-Перо – представляет собой резонатор из двух отражающих поверхностей, встраиваемый внутрь волокна.

Достоинства интерферометрических датчиков:

  • чрезвычайно высокая чувствительность;
  • возможность измерения малейших механических колебаний, давления, температуры;
  • применимость в условиях сильных помех.

Интенсивностные волоконные датчики

Простейший класс ВОД. Принцип действия основан на изменении интенсивности передаваемого света в зависимости от:

  • изгиба волокна (угловые и линейные датчики);
  • степени микродеформации или микротрещин (датчики давления, вибрации);
  • поглощения в чувствительной среде (химические и биосенсоры);
  • затухания в условиях механических воздействий.

Пример – изгибной датчик: при изгибе волокна часть света теряется, интенсивность на выходе уменьшается. Эти датчики просты, дешевы, но менее точны по сравнению с интерферометрическими.

Датчики на основе эффектов рассеяния: Раманово и Бриллюэново рассеяние

Рассеяние света в волокне под действием температурных и механических градиентов даёт возможность использовать распределённые волоконные датчики.

  • Раманово рассеяние – чувствительно к температуре. Применяется в распределённых температурных датчиках.
  • Бриллюэново рассеяние – зависит от напряжения и температуры. Позволяет реализовать датчики распределённого давления и деформации.

Такие системы используют временное доменное отражение (OTDR) и позволяют измерять параметры вдоль всей длины волокна.

Поляризационные волоконные датчики

Волоконные сенсоры, основанные на изменении поляризации света, эффективны при использовании специальных двухосных (поляризационно-сохраняющих) волокон. Внешние воздействия (температура, напряжение) изменяют фазу между ортогональными поляризациями, что приводит к вращению или изменению степени поляризации.

Применяются:

  • в волоконных гироскопах;
  • в системах вибрационного мониторинга;
  • в акустических и сейсмических измерениях.

Химические и биологические волоконные датчики

Специально модифицированное волокно может взаимодействовать с химическими или биологическими веществами. Возможные реализации:

  • снятие оболочки волокна и нанесение чувствительного слоя;
  • использование эффекта поверхностного плазмонного резонанса (SPR);
  • использование брэгговских решёток с химически чувствительной модификацией.

Области применения:

  • мониторинг pH, состава газов, влажности;
  • детекция токсинов, вирусов, бактерий;
  • медицинская диагностика (в том числе in vivo).

Особенности и преимущества волоконных датчиков

  • Электромагнитная инертность – могут применяться в высоковольтных и радиоактивных зонах;
  • Миниатюрность – диаметр волокна порядка 125 мкм;
  • Возможность удалённого зондирования – длина линии может достигать десятков километров;
  • Мультисенсорность – возможность установки десятков датчиков на одном волокне;
  • Совместимость с телеметрическими системами – легко интегрируются с цифровыми измерительными каналами;
  • Устойчивость к агрессивным средам – можно использовать в химически активных или взрывоопасных зонах.

Области применения волоконных датчиков

  • Строительство и геотехнический мониторинг – контроль деформаций зданий, мостов, туннелей;
  • Энергетика – мониторинг трансформаторов, линий электропередачи, угольных шахт;
  • Авиастроение и космонавтика – измерение вибраций, давления, перегрузок;
  • Медицина – биосенсоры, измерение давления в сосудах, температуры;
  • Безопасность и охрана периметра – детекция вибраций, движение и вторжение;
  • Нефтегазовая промышленность – мониторинг скважин, трубопроводов, резервуаров.

Современные тенденции развития

  • развитие интегрированных фотонных схем для датчиков на чипе;
  • разработка волокон с новыми структурами (фотонно-кристаллические волокна);
  • усиление использования распределённых сенсоров на основе Brillouin и Rayleigh OTDR;
  • внедрение волоконных датчиков в системы интернета вещей и автоматического управления;
  • комбинирование волоконных датчиков с ИИ для интерпретации сигналов и принятия решений.

Волоконно-оптические датчики на сегодняшний день занимают важнейшее место в системах измерения, мониторинга и управления благодаря своим уникальным характеристикам. Технология продолжает стремительно развиваться, расширяя область применения за счёт новых принципов и конструктивных решений.

Оглавление