Использование оптических волоконных гратингов Брэгга в приложениях для измерения температуры и напряжения

Оптические волоконно-оптические гратинги (ОФБ) стали краеугольной технологией в современном зондировании, предлагая беспрецедентную точность и надежность для измерения температуры и деформации в сложных средах. В отличие от обычных электронных датчиков, ФБГ невосприимчивы к электромагнитным помехам (ЭМИ), могут быть мультиплексированы вдоль одного волокна и оставаться стабильными в экстремальных условиях. Эти характеристики делают их незаменимыми в аэрокосмическом структурном мониторинге здоровья, оценке гражданской инфраструктуры, наблюдении за нефте- и газопроводами и даже биомедицинской диагностике. Эта статья обеспечивает всестороннее изучение температуры и деформации на основе ФБГ, охватывая их принципы работы, ключевые преимущества, практические применения и продолжающиеся исследования, которые продолжают раздвигать границы их производительности.

Датчики FBG работают по принципу отражения определенной длины волны света, которая сдвигается в ответ на внешние раздражители. Точно измеряя этот сдвиг длины волны, инженеры могут делать выводы об изменениях температуры и механическом напряжении с разрешениями в диапазоне микродеформации и подградуса Цельсия. Способность технологии поддерживать сотни точек восприятия вдоль одного оптического волокна - метод, известный как мультиплексирование с разделением длины волны - резко снижает сложность установки и стоимость по сравнению с традиционными точечными датчиками.

Что такое оптическая волокнистая травка Брэгга?

Оптическая волокнистая гратинговая гратация представляет собой периодическую модуляцию показателя преломления вдоль короткого сегмента оптического волокна — обычно от 1 до 20 миллиметров в длину. Эта модуляция создается путем воздействия интенсивного ультрафиолетового (УФ) света через фазовую маску, которая узорами света в интерференционные полосы. Обнаруженные области ядра подвергаются постоянному увеличению показателя преломления, производя структуру решетки. Когда широкополосный свет проходит через волокно, решетка действует как избирательное зеркало: она отражает узкую полосу длин волн, сосредоточенных вокруг длины волны Брэгга, при передаче всех других. Длина волны Брэгга (λ _{]B B = 2 n eff , где n eff является эффективным показателем преломления ядра и Λ является периодом решетки.}

Любое изменение температуры или деформации изменяет либо n_eff, либо Λ (или оба), вызывая соответствующий сдвиг в отраженной длине волны. Этот сдвиг позволяет FBG функционировать как высокочувствительные линейные датчики. Врожденная способность кодировать информацию о зондировании непосредственно в области длины волны — а не в интенсивности или фазе — обеспечивает надежный иммунитет к колебаниям мощности и потерям разъема, что является основным преимуществом по сравнению с другими волоконно-оптическими методами зондирования, такими как рассеяние Бриллюэна или Рамана.

Принцип действия: состояние Брэгга и сдвиг длины волны

Фундаментальным соотношением, регулирующим датчики FBG, является состояние Брэгга. Для однородной решетки отраженная длина волны определяется исключительно периодом решетки и эффективным показателем преломления. Когда решетка подвергается деформации (ε) или изменению температуры (ΔT), сдвиг длины волны Δλ_B выражается как:

Δλ_B/λ_B = (1 − p_e) ε + (α + ξ) ΔT

Здесь p_e является эффективным фотоэластичным коэффициентом (обычно ~0,22 для волокон кремнезема), α — коэффициентом теплового расширения, а ξ — термооптическим коэффициентом. Это линейное соотношение держится в широком диапазоне деформации (до нескольких тысяч микроштаммов) и температуры (от криогенной до нескольких сотен градусов Цельсия), что делает калибровку простой.

Одним из важных нюансов является перекрестная чувствительность: как температура, так и деформация влияют на длину волны одновременно. На практике системы измерения часто включают эталонную FBG, которая защищена от деформации, но подвергается воздействию температуры, или они используют конфигурации двойного сцепления для разделения двух эффектов. Передовые методы, такие как использование решеток, написанных в различных типах волокон (например, регенерированные FBG для высоких температур) или опрос изменения бирефриренции, могут дополнительно изолировать температуру и вклад деформации.

Методы допроса

Для преобразования сдвигов длины волны в измерения, блок допроса должен освещать FBG и обнаруживать отраженный спектр. Общие подходы допроса включают:

• На основе спектрометра: Использует дифракционную решетку и линейный фотоприемник для захвата полного спектра. Подходит для лабораторных и среднескоростных применений.
• Настраиваемый лазерный источник: Показывает лазер в диапазоне длин волн FBG, обнаруживая пиковое отражение. Предлагает высокое разрешение и быструю скорость сканирования, идеально подходит для динамического мониторинга напряжения.
• Метод фильтрации на расстоянии: Преобразует сдвиги длины волны в изменения интенсивности с использованием фильтра, зависящего от длины волны, что позволяет проводить измерения на очень высокой скорости (МГц) за счет динамического диапазона.
• Интерферометр Фабри-Перо: Предоставляет разрешение субпикометра для сверхточных статических измерений.

Современные коммерческие следователи могут одновременно контролировать сотни датчиков FBG со скоростью выборки, превышающей 10 кГц, что делает их пригодными для анализа вибрации и управления в режиме реального времени.

Температурное зондирование с FBG

Датчики температуры FBG используют два основных эффекта: тепловое расширение волокна (которое изменяет Λ) и температурную зависимость показателя преломления (термооптический эффект). Для стандартного волокна кремнезема температурная чувствительность составляет примерно 10-12 пм/°C при 1550 нм. С помощью опросников высокого разрешения, достигающих лучшего разрешения, чем 1 пм, FBG могут обнаруживать изменения температуры, такие малые, как 0,1 °C или менее.

Критическим преимуществом FBG над термопарами или детекторами температуры сопротивления (RTD) является их способность работать в суровых условиях - высокое напряжение, сильные магнитные поля, коррозионные атмосферы или интенсивное излучение. Например, FBG были развернуты внутри ядерных реакторов для мониторинга температуры в ядре, где обычная электроника выйдет из строя. Аналогично, они используются в аэрокосмической промышленности для измерения температуры компонентов двигателя во время летных испытаний, поскольку оптическое волокно добавляет незначительный вес и невосприимчиво к электромагнитным импульсам, вызванным молнией.

Специализированные датчики температуры FBG

Для решения конкретных проблем было разработано несколько вариантов датчиков температуры FBG:

• Регенерированные FBG (RFBG): Созданные путем термического отжига стандартных решеток, RFBG могут выдерживать температуры до 1200 °C, что делает их пригодными для мониторинга газовых турбин и печей.
• Решетки брагга в сапфировом волокне: Работают при температуре выше 1500 °C для экстремальных условий, таких как испытания ракетного двигателя.
• Полимерные FBG: Повышение чувствительности к температуре (до 200 пм/°С) с помощью полимерной куртки с высоким коэффициентом теплового расширения, полезной для низкотемпературных или высокочувствительных применений.
• Двухволновые FBG: Две наложенные решетки на разных длинах волн обеспечивают самореференс, устраняя необходимость в отдельном эталонном канале.

Сенсорное напряжение с FBG

При нанесении механической нагрузки на оптическое волокно, содержащее ФБГ, период решетки изменяется из-за упругой деформации, приводящей к сдвигу длины волны Брэгга. Чувствительность деформации зависит от фотоэластичного коэффициента и материала волокна. Для стандартного однорежимного кварцевого волокна чувствительность деформации составляет около 1,2 пм/мкэ (микротрения) при 1550 нм. При правильном кондиционировании сигнала датчики деформации ФБГ могут разрешать деформации вплоть до нескольких десятых микротрещин.

Одним из наиболее распространенных применений FBG-деформации является структурный мониторинг здоровья (SHM). FBG встраиваются или устанавливаются на поверхности на мостах, туннелях, плотинах, лопастях ветряных турбин, крыльях самолетов и корпусах кораблей для обнаружения деформаций, трещин и усталости. Их способность образовывать плотные сенсорные массивы вдоль одного волокна - с длинами волн, разнесенными на несколько нанометров друг от друга - позволяет распределять карты деформации на километры структуры. Например, одно оптическое волокно может нести 50 FBG, разнесенных на 2 метра друг от друга, обеспечивая непрерывное профилирование деформации вдоль пролета моста.

Динамический vs Статический штамм

Допрашивающие FBG могут измерять как статические (квазистатические), так и динамические деформации. Для мониторинга вибрации, модального анализа и обнаружения ударов используются динамические измерения, до нескольких килогерц. В аэрокосмической отрасли FBG были установлены на композитных конструкциях самолетов для мониторинга нагрузок в полете и обнаружения повреждений от ударов птиц или ударов молний. В гражданском строительстве они используются для измерения вибраций, вызванных движением, и сейсмических реакций зданий.

Основные соображения по измерению напряжения

• Компенсация температуры: Поскольку FBG реагирует как на температуру, так и на деформацию, для вычитания температурного компонента необходимо включить эталонную FBG, которая изолируется деформацией (например, инкапсулируется в рыхлую трубку).
• Калибровка коэффициента маржи: Чувствительность деформации должна быть откалибрована для конкретного волокна и покрытия, поскольку фотоэластичный коэффициент может незначительно изменяться при условиях рисования.
• Метод нахождения: Наземные FBG обычно связываются с высокопрочными клеями (например, цианоакрилат для кратковременного применения, эпоксидный для длительного применения) или свариваются с использованием металловолоконных композитных пластырей. Встроенные FBG должны быть тщательно интегрированы, чтобы избежать потерь при микроизгибе и обеспечить перенос деформации.
• Усталость и долговечность: Оптические волокна кремнезема хрупкие, но могут выдерживать миллионы циклов при умеренных уровнях деформации (несколько тысяч мкЕ). Для более высоких деформационных применений доступны специальные волокна с более высокой прочностью или металлические покрытия.

Преимущества датчиков FBG перед традиционными технологиями

Датчики FBG предлагают убедительный набор преимуществ, которые привели к их внедрению в различных отраслях промышленности:

• Электромагнитный иммунитет:] Поскольку чувствительный элемент является оптическим, FBG не подвержены воздействию EMI, радиочастотных помех (RFI) и молний. Это делает их идеальными для электростанций, электрических подстанций, железных дорог и медицинских сред МРТ.
• Многоплексная способность: Одно волокно может содержать десятки или даже сотни решеток, каждая с уникальной длиной волны Брэгга. Это позволяет распределять зондирование с минимальным кабелем, снижая вес и стоимость установки.
• Маленький размер и легкий вес: FBG содержится в волокне диаметром 125 мкм, легко встраиваемом в композиты, бетон или металлические детали без ущерба для структурной целостности.
• Высокая чувствительность и точность: Современные следователи достигают разрешения субпикометровой длины волны, переводя на напряжение субмикротрения и разрешение температуры ниже 0,1 °C.
• Долгосрочная стабильность и надежность: ФБГ проявляют незначительный дрейф в течение многих лет эксплуатации, особенно при правильной упаковке. Они не подвержены коррозии или электрическому поломке.
• Высокая пропускная способность и дистанционное зондирование: Оптические волокна могут передавать сигналы на десятки километров с низкими потерями, что позволяет осуществлять удаленный мониторинг трубопроводов, морских платформ и недоступных конструкций.
• Внутренняя безопасность: Поскольку в месте обнаружения отсутствует электрический ток, FBG по своей природе безопасны для использования во взрывоопасных или легковоспламеняющихся средах (например, на нефтеперерабатывающих заводах, угольных шахтах).

Основные применения датчиков температуры и напряжения FBG

Аэрокосмическая и оборонная

Датчики FBG широко используются в аэрокосмической промышленности для мониторинга состояния конструкций планеров, крыльев и компонентов двигателя. Они обеспечивают данные о деформации в реальном времени во время наземных испытаний, летных испытаний и мониторинга в эксплуатации, помогая обнаруживать усталость и повреждения до катастрофического сбоя. Чувство температуры имеет решающее значение для мониторинга лопастей турбинных двигателей и оценки системы тепловой защиты. В космических аппаратах FBG отслеживают криогенные температуры топливного бака и структурные нагрузки во время запуска.

Гражданская инфраструктура

Мосты, туннели, плотины и высотные здания оборудованы сетями FBG для мониторинга деформации, смещения и температуры. Например, Мост Конфедерации в Канаде и мост Цин Ма в Гонконге используют массивы FBG для долгосрочной оценки здоровья. FBG также встраиваются в бетон во время заливки для мониторинга температуры отверждения и деформации раннего возраста, снижая риск теплового растрескивания.

Энергетика и энергетика

В нефтегазовой отрасли ФБГ осуществляют мониторинг деформации трубопроводов, температурных градиентов и утечек. Они развернуты в забойных средах для мониторинга резервуаров под высоким давлением и температурой. Ветровые турбинные лопасти используют датчики деформации ФБГ для мониторинга состояния, что позволяет прогнозировать техническое обслуживание и повышать эффективность. Атомные электростанции используют ФБГ для внутриядерного мониторинга температуры и структурного наблюдения из-за их радиационной стойкости.

Медицинский и биомедицинский

Датчики FBG все чаще используются в медицинских устройствах из-за их небольшого размера, химической инертности и совместимости с МРТ. Приложения включают внутриглазное датчик давления для глаукомы, мониторинг температуры во время лечения гипертермии и датчик деформации в ортопедических имплантатах. Устройства FBG с катетерным наконечником позволяют проводить минимально инвазивные измерения давления и температуры во время операций.

Геотехнический и экологический мониторинг

Оползни, землетрясения и оседание грунта можно контролировать путем встраивания матриц датчиков FBG в склоны или скважины. Датчики измеряют изменения напряжения и колебания температуры, обеспечивая раннее предупреждение о нестабильности склона. В мониторинге ледников FBG фиксируют тепловую и механическую динамику в отдаленных, холодных средах.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои многочисленные преимущества, датчики FBG сталкиваются с рядом проблем:

• Кросс-чувствительность: Разделение температурных и деформационных эффектов требует тщательной конструкции системы, особенно в средах, где оба они изменяются одновременно.
• Хрупкость оптического волокна: Хотя защитные покрытия и упаковка помогают, кварцевое волокно остается хрупким при высоком сдвиге или ударе. Для применения в тяжелых условиях необходимы специализированные прочные кабели.
• Стоимость допроса: Высокопроизводительные допрашивающие могут быть дорогими, хотя затраты снижаются по мере созревания технологии.
• Ограниченный динамический диапазон для больших деформаций: Стандартный диапазон деформаций FBG обычно составляет до 5000 мкЕ. Для крупных деформаций (например, при геотехнических отказах) требуются специальные решетки или щебетаные FBG.
• Температурные пределы: Стандартные решетки ухудшаются выше ~300 °C. Регенерированные и сапфировые FBG расширяют диапазон, но имеют компромиссы в чувствительности или стоимости.
• Стабильность длины волны: Длина волны Брэгга может дрейфовать из-за старения волокна или упаковки, требуя периодической перекалибровки в долгосрочных развертываниях.

Будущие тенденции и направления исследований

Текущие исследования направлены на преодоление существующих ограничений и расширение возможностей датчиков FBG.

• Передовые конструкции решеток: Фазовые FBG, π-сдвинутые FBG и наклонные FBG обеспечивают повышенную чувствительность, узкие спектральные особенности и новые параметры восприятия, такие как индекс преломления или изгиб.
• Распределенное акустическое зондирование (DAS) с массивами FBG: В то время как DAS обычно использует рассеяние Рэлея, массивы FBG предлагают более высокое отношение сигнал-шум для количественных измерений деформации. Достижения в массивах FBG высокой плотности (например, с использованием фемтосекундной лазерной надписи) позволяют истинно распределенное зондирование с субцентриметровым пространственным разрешением.
• Интеграция с композиционными материалами: Встраивание FBG в углеродное волокно или композиты из стекловолокна во время производства позволяет создавать «умные структуры», которые самостоятельно контролируют напряжение и температуру в течение всего срока службы.
• Ай-мощные алгоритмы обработки сигналов: Машинное обучение разрабатывается для автоматической интерпретации сложных сдвигов длин волн от нескольких FBG, что позволяет распознавать шаблоны для обнаружения повреждений и прогнозного обслуживания.
• Допросники с низкой стоимостью: Компактные, маломощные допрашивающие (включая фотонику в масштабе чипа) коммерциализируются, открывая технологию FBG для приложений массового рынка в автомобильной, потребительской электронике и умных зданиях.
• Гибридные системы зондирования: Комбинирование FBG с другими волоконно-оптическими технологиями (например, Бриллуин, Раман, интерферометрические датчики) обеспечивает многопараметрическое зондирование (деформация, температура, вибрация, давление) от одной волоконно-оптической сети.

Заключение

Оптические волокна Bragg Gratings зарекомендовали себя как передовая технология для точного, надежного и распределенного измерения температуры и деформации. Их уникальная способность работать в суровых условиях, невосприимчивы к электромагнитным помехам и быть мультиплексированными на одном оптическом волокне делает их бесценными для критической инфраструктуры, аэрокосмической, энергетической и биомедицинской приложений. В то время как такие проблемы, как перекрестная чувствительность и хрупкость волокон, сохраняются, постоянные достижения в области проектирования решетки, методов допроса и материаловедения неуклонно расширяют оболочку производительности. Поскольку стоимость систем допроса продолжает снижаться, а новые методы изготовления - такие как фемтосекундное лазерное письмо - становятся все более распространенными, датчики FBG готовы стать еще более распространенными, что позволяет более разумно, безопасно и более эффективно контролировать мир вокруг нас.

Для дальнейшего чтения, изучите архив OSA Publishing на датчиках волоконной решетки, базу данных IEEE Xplore для прикладных тематических исследований и Национальный институт стандартов и технологий руководящие принципы для калибровки волоконно-оптических датчиков.