К.т.н. Яремчук В.Ф., Смишный С.Н., Швабская Е.А.

Винницкий государственный педагогический университет имени М.М. Коцюбинского, Украина

Когерентный волоконно оптический датчик температуры

Основной деталью любого волоконно-оптического датчика (ВОД) является волокно, изготовленное из стекла – световод, распростроняется световой лучь (пучок света). Световод является неотъемлемой частью волоконно-оптических линий связи. Световод состоит из сердцевины показатель преломления которой n_с , и оболочки вокруг сердцевины показатель преломления которой n_о , причем n_с > n_о. Световод из стекла еще называют волоконным световодом (ВС).

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять практически все. Например давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, напряженность электрического поля, электрический ток, напряженность и индукцию магнитного поля, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т. д.

Информативным параметром для измеряемой величины может быть амплитуда, фаза, частота и поляризация оптического излучения.

Измерительная величина определяет строение и принцип работы ВОД. Так, например для измерения температуры оптическими методами можно использовать целый ряд эффектов.

Если модулирующим параметром оптического излучения является интенсивность, то принцип действия ВОД основывается на абсорбционных эффектах, тепловом расширении тела, изменении показателя преломления материала.

Принцип действия данного когерентного ВОД температуры основывается на изменении показателя преломления оболочки во время ее нагревания. Изменение показателя преломления оболочки приводит к увеличению или уменьшению интенсивности излучения на выходе, то есть к изменению исходного сигнала. В данном случае оболочкой выступает глицерин, который имеет большой тепловой коэффициент объемного расширения, а следовательно при расширении (то есть при нагревании) показатель преломления глицерина уменьшается. Как следствие разница показателей преломления n сердцевины и n оболочки увеличивается, что приводит к увеличению мощности исходного сигнала и наоборот.

Именно тепловое расширение тела, которое в свою очередь приводит к изменению показателя преломления материала, и было предметом проведенных экспериментальных исследований. Определяя зависимость влияния температуры нагревания световода на исходную интенсивность излучения (мощность) возможно создать ВОД температуры.

На рис.1. показано строение световода и блок схему исследуемой установки: 1 – источник излучения ( газовый лазер ЛГ-209); 2 – глицерин (оболочка); 3 –SiO₂ (сердцевина); 4 – нагреватель (никелевая проволока); 5 – фотоприемник (ФД-10ГА); 6 – вольтметр универсальный В7-21А; 7– термопара типа медь-константант; 8 – блок питания; 9 – вольтметр универсальный В7-21А; 10 – поляризатор; 11 – внешняя кювета (корпус).

Рис.1. Блок-схема установки исследования световых потерь в ВС при изменении температуры.

Экспериментальное исследование относительно рис.1 представлено на рис.2.

Рис.2. График зависимость напряжения фотоэлемента, которое образуется световым потоком, который в свою очередь распространяется в волоконном световоде кварц-глицерин во время нагревания

Как видно из графика, с ростом температуры интенсивность исходного сигнала растет.

Поскольку, глицерин (СН₂(ОН)-СН(ОН)-СН₂ОН) (таблица №1.) термически нестабилен, при длительном нагревании (даже до 90-130 °С) распадается с образованием акролеина и ацетона; температура плавления - 17,9°С; температура кипения - 80°С; поэтому диапазон измерения температуры данного ВОД - t_BC (18;80)°С. Начальная температура опыта составляла t_нач = 19,7°С, конечная – t_кон = 79,4°С.

Таблица №1.

Физико-химические показатели глицерина марки ПК-94 (ГОСТ 6824-96).

1. Относительная плотность d при 20°С относительно воды 1,244

2. Плотность ρ при 20°С, гр/см³ 1,2481

3. Показатель преломления п при 25°С 1,47352

Данные зависимости, тоесть функцию апроксимируем полиномом n-ой степени: . Получим:

Где измеряется в мВ.

Зная можно найти t.

Следовательно, экспериментально было показано, что на основе световода кварц-глицерин, возможно создать когерентный ВОД параметров окружающей среды, в частности температуры t. Точность такого датчика составляет .

Литература:

1. Андрушко Л.М., Вознесенский В.А., Каток В.Б. и др. Волоконные оптические линии связи. К., 1988.

2. Ахманов С.А., Ахмедиев Н.Н., Билинский А.В. и др. Новые физические принципы оптической обработки информации: Сборник статей. – М., 1990.

3. Вейнберг В.Б., Сартаров Д.К. Распространение света по прямому волокну // Опт.-мех. пром-сть. – 1961. - №12 – С. 42-44.

4. Капани Н.С. Волоконная оптика. Принципы и применения. – М., 1969.

5. Mahaveer K., Qingyun C., Grimes A.A. Wireless micro-sensor for simultaneous measurement of pH, temperature, and pressure // Smart Mater. Struct. – 2001. - №10. – р. 347-353.