Применение волоконных брэгговских решеток. Датчики физических величин на основе врб.
В настоящее время ВБР рассматриваются как один из наиболее перспективных сенсорных элементов волоконно-оптических датчиков физических величин. К числу их основных преимуществ можно отнести защищенность от воздействия электромагнитных полей, высокую чувствительность, надежность, воспроизводимость, широкий динамический диапазон измерений, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или в нескольких ВС, значительное расстояние до места проведения измерений, малое время отклика на изменение измеряемой величины, высокую коррозионную и радиационную стойкость, малые габариты и вес и ряд других. Как уже отмечалось, резонансная длина волны зависит от температуры ВС и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений. Это обстоятельство лежит в основе использования ВБР в качестве сенсорных элементов датчиков физических величин.
Предложено множество способов измерения смещения λBG. Наиболее прямым из них является измерение спектра пропускания/отражения решетки с помощью широкополосного источника излучения и спектроанализатора или узкополосного перестраиваемого лазера и фотоприемника. Этот способ является нечувствительным к оптическим потерям, которые могут возникать в оптическом тракте при проведении измерений, и обеспечивает высокую точность измерений ΔλBG. Вместе с тем такая схема регистрации требует достаточно дорогостоящего оборудования и имеет ограниченное быстродействие.
Более высокое быстродействие обеспечивают схемы измерений, в которых спектральное смещение решетки преобразуется в изменение интенсивности оптического сигнала, попадающего на фотоприемник. Это может быть реализовано, например, при использовании дополнительного спектрального фильтра с наклонной характеристикой пропускания. Таким фильтром, в частности, может служить ДПВР. Наклоном спектральной зависимости фильтра задаются динамический диапазон и чувствительность волоконного датчика.
Указанные схемы позволяют измерить значение какой-либо физической величины в месте нахождения ВБР. Вместе с тем часто возникает потребность в нахождении пространственного распределения измеряемой величины. Для этого разработаны схемы, позволяющие мультиплексировать сенсорные элементы, в том числе расположенные в одном ВС. К числу таких схем следует отнести:
-спектральное мультиплексирование каналов, при котором сенсорные элементы разнесены на различные длины волн;
-использование оптических переключателей, подключающих тот или иной сенсорный 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.
Сенсоры на основе Брэгговских решеток.
Существует множество различных способов построения сенсорных систем на основе брэгговских решеток. В простейшем случае сенсорная система представляет собой точечный датчик, соединенный через оптический разветвитель с источником светового сигнала и блоком анализатора (рис. 1). Сигнал от источника отражается чувствительным элементом. Длина волны отражения фиксируется блоком анализатора.
Рис. 1. Схема простейшего волоконно-оптического датчика на брэгговских решетках
Как правило, анализатор (Bragg grating interrogator) представляет собой узкополосный спектрометр. Существуют спектрометры различных типов: от стандартных дифракционных, где в качестве дисперсионного элемента используется дифракционная решетка, до анализаторов на основе интерферометра Фабри-Перо.
Одним из основополагающих достоинств волоконно-оптических датчиков является их относительно легкая возможность объединения в массивы (мультиплексирование). Наиболее часто в волоконных датчиках на брэгговских решетках используются два вида мультиплексирования – мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing - WDM) и мультиплексирование по времени (Time Division Multiplexing - TDM).
Мультиплексирование по времени TDM основано на анализе скорости прохождения сигнала по системе. Каждый датчик разделен участком волоконного световода, для прохождения которого сигналу требуется определенное, и известное заранее, время. Источник посылает короткий импульс в систему. Сигнал на выходе представляет собой ряд импульсов, дифференцированных по времени, каждый из которых несет информацию о состоянии каждого сенсора в отдельности. В чистом виде такая система мультиплексирования также редко используется для объединения брэгговских волоконных датчиков, однако как составная часть более сложной системы встречается довольно часто. Подробное описание данного типа мультиплексирования представлено в работе.
Принцип WDM мультиплексирования основывается на том, что каждый сенсорный элемент записывается со своим уникальным периодом решетки, что позволяет различать их по спектру при анализе и, соответственно, фиксировать показания каждого сенсора отдельно. Количество сенсоров в массиве, в основном, ограничивается спектральной шириной источника и динамическим диапазоном анализатора.