Разработка чувствительного элемента волоконно-оптического тензометрического датчика на основе решеток Брэгга

В настоящей работе разработан чувствительный элемент волоконно-оптического тензометрического датчика с использованием двух близкорасположенных брэгговских решеток с определенно подобранными покрытиями, с помощью которого можно разделить влияние деформационного и температурного воздействий. Для проведения данного эксперимента был собран лабораторный стенд для температурного и механического воздействия на волоконные брэгговские решетки и контроля их спектральных характеристик. Получена зависимость изменения длины волны брэгговского резонанса решетки от приложенной растягивающей силы и температурного воздействия.

Целью данной работы является разработка чувствительного элемента волоконно-оптического тензометрического датчика на основе решеток Брэгга, с помощью которого можно разделить влияние деформационного и температурного воздействий. Для достижения поставленной цели, необходимо выполнить следующие задачи:
• Провести обзор существующих изделий подобного класса;
• Определить параметры и концепцию разрабатываемого чувствительного элемента;
• Произвести запись волоконных решеток Брэгга в изотропное оптическое волокно;
• Провести эксперименты по температурному и механическому воздействию на чувствительный элемент;
• Осуществить анализ полученных результатов.

В настоящее время волоконные брэгговские решетки рассматриваются как один из наиболее перспективных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков физических величин. Недостаток тензометрических датчиков – чувствительность решеток Брэгга к температурным изменениям окружающей среды, и, как следствие, возникновение температурных изменений в результирующем сигнале, не связанных с деформацией решетки. Таким образом, особенно при относительно малой деформации и существенном изменении температуры, необходима компенсация влияния температуры на результаты измерения оптических тензодатчиков.

По теме проекта проведен обзор существующих вариантов изделий подобного класса. На основе изученных материалов определены параметры для пробного чувствительного элемента, который состоит из двух решеток Брэгга, записанных на двух разных длинах волн брэгговского резонанса λ1 и λ2 в оптическом волокне для одновременного измерения механического напряжения и температуры. Запись волоконных решеток показателя преломления осуществлялась эксимерной лазерной системой Optosystems CL-7550 с рабочей газовой смесью KrF в интерферометре Тальбота. Для записи решеток Брэгга использовалось изотропное оптическое волокно с повышенной фоторефрактивностью. Для проведения данного эксперимента был собран лабораторный стенд для температурного и механического воздействия на решетки Брэгга и контроля их спектральных характеристик. В схеме использовался оптический спектроанализатор Yokogawa AQ6370C с диапазоном измерений 600–1700 нм и разрешающей способностью в 0,02 нм. Оптическое излучение с широкополосного источника вводилось через Y-ответвитель в образец с записанными в него двумя брэгговскими решетками, на который производилось воздействие. В ходе настоящей работы получены зависимости изменения длины волны брэгговского резонанса решетки от приложенной растягивающей силы и температурного воздействия. Данные исследования являются необходимыми в области улучшения стабильности работы волоконно-оптических датчиков на основе брэгговских решеток.

На сегодняшний день волоконно-оптические датчики широко используются в качестве составных компонентов проверки конструкций из композитных материалов, из-за их удобства встраивания без возникновения механических дефектов в структурах. Одновременное измерение деформации и температуры необходимо для мониторинга структурного состояния композитных конструкций при различных температурных условиях. Однако, в средах с различными температурными значениями, возникают температурные изменения в результирующем сигнале, не связанные с деформацией решетки. Таким образом, особенно при относительно малой деформации и существенном изменении температуры, необходима компенсация влияния температуры на результаты измерения оптических тензодатчиков. В настоящей работе разработан чувствительный элемент волоконно-оптического тензометрического датчика с использованием двух близкорасположенных ВБР с определенно подобранными покрытиями, с помощью которого можно разделить влияние деформационного и температурного воздействий. В ходе исследований было определено, что недостатком такого чувствительного элемента является невысокая стабильность работы при больших нагрузках. Однако, в случае небольших нагрузок, в диапазоне до 1 Н, работа датчика стабильна. Такие типы датчиков могут применяться для изготовления весов и весоизмерительных систем, а также для измерения небольшой массы груза в фасовочных и дозирующих системах.

1. Song M., Lee S.B., Choi S.S., Lee B. Opt. Fiber Technol., Vol. 3, P. 194–196, (1997).
2. Kang H.K. Smart Mater. Struct. 12 29–35, (2003).
3. Yoon H.J. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 17 1059–67, (2006).
4. James S.W., Dockney M.L., Tatam R.P. Electron. Lett. 32 1133–4, (1996).
5. Udd E. Proc. SPIE 6770, Fiber Optic Sensors and Applications, Vol. 677002, (2007).
6. Stam A.M., Idrisov R.F., Gribaev A.I., Varzhel’ S.V., Munko A.S., Arkhipov S.V., Konnov K.A. Materials of the XII international research and practice conference, p. 100-104, (2015).
7. Васильев С. А., Медведков О. И., Королев И. Г., Божков А. С., Курков А. С., Дианов Е. М. Квантовая электроника, Т. 35, № 12, С. 1085-1103, (2005).

In this paper a sensing element of fiber optic strain sensor based on two closely spaced Bragg gratings with specifically matched coatings that can be used to separate the influence of strain and temperature effects was developed. Laboratory bench for temperature and mechanical impact on fiber Bragg gratings and control of their spectral characteristics was assembled. The dependences of the Bragg grating resonance wavelength changes to the applied tensile force and temperature were obtained.