Физические основы создания датчиков давления на основе изменения коэффициента преломления света при микроизгибе оптического волокна | Изв. вузов. Физика. 2020. № 2. DOI: 10.17223/00213411/63/2/129

Физические основы создания датчиков давления на основе изменения коэффициента преломления света при микроизгибе оптического волокна

Работа посвящена вопросу разработки физических основ создания датчиков давления на основе изменения коэффициента преломления при микроизгибах волокна типа G.652. Рассмотрена актуальность разработки упрощенного по конструкции волоконно-оптического датчика давления для горной промышленности, имеющего более стабильную температурную коррекцию, что позволит избежать известных недостатков различных оптических интерферометров. Важным моментом является использование одномодового оптического волокна стандарта G.652, который одновременно используется в качестве сенсора и направляющей системы для передачи электрических сигналов. Предложенная информационно-измерительная система на основе волоконно-оптических датчиков давления способна производить дистанционные измерения параметров давления горного массива на ограждающую крепь. Приведены основные выражения, позволяющие описать физический процесс измерения давления на основе эффекта фотоупругости, возникающего при микроизгибе, а также результаты натурных экспериментов, доказывающих изменение дифракционного пятна на выходе из оптического волокна в зависимости от величины микроизгиба. Моделирование выполнено в универсальной программе систем конечных-элементов ANSYS STATIC STRUCTURAL. Данный датчик способен фиксировать не только измерение давления, но и температуры и микроперемещения горных пород. Предложенная конструкция волоконно-оптических датчиков может быть использована для контроля геотехнического состояния горных выработок, опасных по взрыву газа и угольной пыли.

Physical bases for creating pressure sensors on the basis of change of light properties at micro-bending of optical fibe.pdf Введение Стремительное развитие волоконно-оптической техники за последние 50 лет позволило сделать огромный скачок в области производства одномодового и многомодового оптического волокна (ОВ), повысить его потребительские свойства и существенно снизить его стоимость. ОВ широко используется в современных системах передачи информации и телекоммуникации [1]. Также ОВ активно используются для измерения физических величин в различных информационно-измерительных системах [2-5]. Одним из достижений волоконно-оптических технологий является не только повышение качества волокон и сокращение потерь при передаче импульса света, но и существенное снижение его рыночной стоимости. Значительно снизилась стоимость полупроводниковых лазеров, которые используются в качестве источника излучения, а также улучшены их показатели, например по шуму, что позволяет снизить различного рода помехи [6]. Волоконно-оптические системы измерения идеально подходят для горных предприятий с опасностью внезапного взрыва газа и пыли, где требуется соблюдение самых высоких стандартов безопасности [7- 10]. На данный момент созданы волоконно-оптические датчики электрических и неэлектрических величин, превосходящие по своим параметрам классические системы, основанные на электрических сигналах [11]. Одним из преимуществ использования оптических волокон в качестве измерительного органа является энергетическая пассивность и искробезопасность, так как световая энергия, передаваемая по волокну, находится на уровне или ниже определенного уровня мощности, способной воспламенить взрывоопасные среды. Также ОВ не подвержены влиянию шума и электромагнитных помех, распространенных в разных областях промышленности. 1. Постановка задач и методы исследования Целью работы является разработка физической основы создания датчиков давления на основе изменения коэффициента преломления при микроизгибе оптического волокна типа G.652, которые в дальнейшем могут быть использованы в горной промышленности. Основной задачей является проведение научных исследований для разработки требований к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), способным эффективно работать в условиях взрывоопасной среды и имеющим более стабильную температурную коррекцию, что позволит избежать известных недостатков различных оптических интерферометров, на основе которых создано множество разновидностей ВОДД. Новизной является то, что упор делается на работу с интерферентными пятнами, а не только с дополнительными потерями, что уже принято в известных конструкциях ВОДД. Построение распределенной информационно-измерительной системы позволит одновременно измерять давление и температуру горного массива, а в перспективе можно проводить измерения различного рода смещений горных пород. Энергетическая пассивность ВООД позволяет исключить источники питания, непосредственно находящиеся в зоне проведения горных работ и добычи угля. Необходимо использование устройства для распознавания изменений формы светового пятна на основе «Искусственного интеллекта», для повышения точности измерения и снижения вероятности ложного срабатывания ВОДД при колебаниях внешней температуры. Температурная корректировка является важным моментом в работе всей системы, поэтому при разработке авторами физических основ создания ВОДД на основе изменения коэффициента преломления при микроизгибе оптического волокна типа G.652 будет учитываться это обстоятельство. Высокоскоростная распределенная взрывобезопасная система измерения горного давления ВОДД позволит обезопасить проведение горных работ и своевременно предупредить об образовании в аварийно-опасных зонах концентрации механических напряжений, способных обрушить горную выработку. Так как имеющиеся методы и средства не всегда могут обеспечить точность контроля горного давления, ВОДД будут установлены непосредственно на защитную крепь выработки. Адаптация одномодового ОВ типа G.652 для построения ВОДД, способных работать в опасных условиях горных выработок на значительном удалении от места установки устройства обработки данных измерения, является весьма актуальной задачей, при этом ОВ используется как сенсор и как направляющая система передачи данных во взрывоопасной среде шахты. ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками планируется внедрять на горных предприятиях Казахстана [12, 13]. Использование оптического волокна стандарта G.652 для контроля горного массива угольных шахт является весьма перспективным, так как разработанные на его основе волоконно-оптические датчики обладают достаточно высокой точностью, скоростью измерения и имеют хорошую линейность характеристик. Ранее проведенные исследования показали, что использование волокна серии ITU-T G.652.D Ultra нежелательно, так как оно имеет более низкую чувствительность к изгибу и не позволяет использовать его для создания ВОДД [4]. 2. Общие теоретические сведения об изменениях коэффициента преломления при внешнем воздействии на ОВ Для пояснения рассмотрим случай, при котором на ОВ воздействует внешнее давление и создается микроизгиб, при этом наблюдается эффект падения рассеиваемого сигнала непосредственно сразу за точкой приложения давления, что связано с высвечиванием из волоконного кабеля. Создаваемый микроизгиб влечёт за собой изменения в апертуре части сигнала, при которых эта часть не может распространяться далее по данному оптическому волокну. В связи с этим эффект обратного рассеяния, мощность которого напрямую зависит от мощности передаваемого по кабелю излучения, также уменьшается. При значительном увеличении нагрузки падение сигнала выходит на постоянный уровень, что связано с конечной чувствительностью прибора. На рис. 1 представлен процесс изменения коэффициента преломления, а именно его фазы, проходящего по оптическому волокну при внешнем механическом воздействии на него. Рис. 1. Изменение свойств света, проходящего по оптическому волокну при внешнем механическом воздействии на него: а) до механического воздействия; б) после механического воздействия При механическом воздействии на ОВ в нем возникает микроизгиб (рис. 1), что приводит к изменению фазы световой волны, проходящей по нему, соответственно меняются показатели преломления Δn. Данное физическое явление лежит в основе уже созданных ВОДД. Изменение распространяющейся фазы световой волны в ОВ можно представить как плюс изменение вектора электромагнитного поля волны Е, который оказывает влияние на поляризацию. В случае механического воздействия на ОВ возникает фотоупругий эффект, выражающийся в изменении коэффициента преломления, соответственно изменяется его интенсивность . Интенсивность световой волны и ее изменения фиксирует фотоприемник, который далее преобразует световой импульс в электрический сигнал, при этом источник света должен генерировать когерентную световую волну, которая проходит по ОВ. На основе известной теории оптического интерферометра вектора когерентных волн представим математическую модель волоконно-оптического интерферометра, реагирующего на механическое воздействие: (1) При сложении волн получаем суммарный вектор с амплитудой и фазой При этом разность фаз составит , где - начальная и имеющая случайный характер разность фаз интерферирующих световых волн; - разность фаз, связанная с изменением условий распространения световой волны в оптическом волокне под внешним механическим воздействием, при этом она является незначительной величиной сдвига фазы по отношению к . Полная разность фаз квазистационарна. Максимум интерференции достигается при , где , когда и соответственно Использовались методы исследования и обработки экспериментальных данных, описанные в [14-16]. В процессе исследований установлено, что использование в чистом виде классического интерферометра Маха - Цандера неприемлемо для создания ВОДД на основе оптических волокон стандарта G.652, так как имеется ряд существенных недостатков. Например, разность фаз интерферирующих световых волн имеет случайный характер и требует постоянной корректировки, а изменение ее параметров является значительной проблемой в эффективности работы всей системы в реальных условиях. Это обстоятельство изменения начальных условий разности фаз из-за изменения температуры в пределах 1 °С и более может привести к замиранию системы и ложному срабатыванию, при этом никакого механического воздействия на сенсор не было. Поэтому необходимо вести поиск и разработку более эффективных систем контроля дефектов фундаментов на основе эффекта фотоупругости оптических волокон, менее восприимчивой к колебанию температуры внешней среды. 3. Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование Первоначально было проведено компьютерное моделирование процесса механического воздействия на ОВ, приводящего к формированию микроизгиба. Моделирование выполнено в универсальной программе систем ANSYS STATIC STRUCTURAL (рис. 2). Объектом исследования является оптическое волокно диаметром 125 мкм, расположенное на демпфере, представляющем собой две резиновые подкладки. Давление передается на ОВ через стальной стержень диаметром 1 мм. Граничное условие: давление на стальные стержни от 1 до 10 МПа, интервал шага 1 с, давление изменяется на 1 МПа, начальные условия давления = 0 МПа, всего 10 шагов. Перемещение по осям после приложения давления ОХ = 0 м, OY = 0 м, OZ = 0 м. В результате компьютерного моделирования установлена достаточно хорошая линейность характеристик ОВ при пошаговом увеличении давления. Определены значения механических напряжений в области контакта ОВ со стальным стержнем. Кроме того, получена картина механических напряжений и деформаций с точным отображением распределения напряжения в каждой точке компьютерной модели. График изменения значений механических напряжений  оптического волокна при пошаговом увеличении давления на металлический стержень представлен на рис. 3. Рис. 2. Конструкция тестирования волокна на механические воздействия: 1 - волокно; 2 - стальной стержень диаметром 1 мм; 3 - упругая резиновая подкладка Рис. 3. Значение механических напряжений  оптического волокна при пошаговом увеличении давления на металлические стержни В более ранних работах опубликованы результаты экспериментов, проведенных с ОВ стандарта G.652, которые показали достаточно хорошую линейность графиков зависимости изменения дополнительных потерь на длинах оптической волны телекоммуникационного диапазона 1310 и 1550 нм при различных значениях нагрузки в месте формирования микроизгиба. Для проведения натурных экспериментов разработан лабораторный стенд, который позволяет исследовать изменение физических свойств света (коэффициента преломления), проходящего по ОВ, при формировании микроизгиба. При воздействии на ОВ фиксировались не только численные значения дополнительных потерь, но и изменение выходной форма светового пятна на выходе из него. Числовая апертура (NA) - это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии. На рис. 4 приведена схема измерения деформации по форме светового пятна. Изменение формы светового пятна на выходе из ОВ до и после приложения давления на оптическое волокно можно увидеть на рис. 5. Дополнительные потери световой волны, проходящей по сердцевине оптического волокна, пропорционально увеличиваются при увеличении давления на ОВ. Камера фиксирует изменение формы пятна и передает сведения на компьютер, где разработанное программное обеспечение позволяет оценивать изменение площади дифракционного пятна и сравнивает с образцами пятен до механического воздействия. Все изменения фиксируются в памяти компьютера и на основе анализа выдается результат изменения давления на ОВ. Данная физическая зависимость может быть использована как основа создания ВОДД, имеющих более простую конструкцию, чем датчики на основе интерферометра, способные эффективно работать во взрывоопасных средах горных предприятий. Рис. 4. Схема измерения деформации по форме светового пятна Физические основы создания датчиков давления на основе изменения коэффициента преломления при микроизгибе оптического волокна типа G.652 можно выразить через изменение дифракционного пятна, падающего на поверхность фотоприемника. По апертуре заметно, что при деформации ОВ световое пятно меняет свою форму (рис. 5). Рис. 5. Апертура до и после приложения давления на оптическое волокно: а) до приложения давления на ОВ без образования микроизгиба; б, в) после приложения давления на ОВ с образованием микроизгиба 4. Разработка физических основ создания ВОДД Значения дополнительных потерь и показателей оптического преломления в ОВ зависят от механического воздействия и температуры: . (2) Здесь q - дополнительные потери оптического волокна; q - изменение дополнительных потерь; - частная производная температурной зависимости потерь в оптическом волокне; q - изменение показателя дополнительных потерь за счет фотоупругости; первая часть уравнения учитывает изменения дополнительных потерь, возникающих в оптическом волокне при механическом воздействии, а часть - эффект фотоупругости, обусловленный деформацией волокна. Зависимость показателя преломления сердцевины OB от температуры и деформаций можно выразить формулой , (3) где n - показатель преломления сердцевины оптического волокна; n - изменение показателя преломления; - частная производная по температуре, характеризующая изменение плотности кварцевого стекла, n - изменение показателя преломления за счет фотоупругости. Если первая часть формулы (3) учитывает изменение плотности стекла, то вторая часть фиксирует изменение эффекта фотоупругости, который возникает при деформации ОВ. Представим выражение для ОВ стандарта G.652 c сердцевиной из кварцевого стекла: . (4) В процессе создания эффекта фотоупругости коэффициент преломления n изменяется и его можно выразить выражением, где используется коэффициент Поккельса рij: . (5) Здесь ε1 и ε2 - относительная деформация в поперечном сечении, εz - вдоль оси волокна, причем , (6) где - изменение длины отрезка волокна длиной l, . (7) Символ обозначает здесь отношение Пуассона. Воспользовавшись формулами (6) и (7), можно записать . (8) Для кварцевого стекла n = 1.46, p11 = 0.121, p12 = 0.27,  = 0.164. Подставляя значения параметров в формулу (8), будем иметь . (9) При деформации конструкции более 0.3 % установлено, что изменение показателя преломления сердцевины оптического волокна, обусловленное деформацией, будет равно = 9.610-4. Скорость распространения оптических сигналов определяется выражением , (10) где v - скорость распространения оптического сигнала в сердцевине оптического волокна; c - скорость света в вакууме; n - показатель преломления сердцевины оптического волокна. Если длина секции измерительного преобразователя равна l = 1 км, то за счет деформации 0.3 % изменение задержки оптического сигнала в данной секции составит , (11) тогда изменение задержки при длине измерительного преобразователя 5 км, при максимальном периоде следования импульсов в режиме автоколебаний будет составлять около 50 мкс. Это обеспечивает для данной секции за время накопления, равное 30 с, разницу в 38 накопленных импульсов (сектл-картинок) (относительно значения, полученного при калибровке). Первая часть формулы (3) учитывает изменение плотности кварцевого стекла в зависимости от температуры, что весьма важно для точности измерения. Используя выражение (4), примем условие, что механическая деформация ОВ отсутствует, тогда изменим выражение (3) и представим его в следующей форме: , (12) где - изменение показателя преломления сердцевины оптического волокна за счет изменения температуры; - показатель преломления сердцевины оптического волокна; - изменение температуры. Температура выбранного измерительного преобразователя (ОВ) изменится относительно калибровочной температуры на 5 °С, что вызовет изменение показателя преломления, равное . При длине ОВ в пределах 1 км, максимальной длине измерительного преобразователя 5 км, времени накопления 30 с изменение показателя преломления для выбранных ранее параметров измерительного преобразователя и режима измерений вызовет изменение времени задержки в ОВ около 0.16 нс и позволит получить разницу в числе накопленных импульсов, равную 2 (относительно значения, полученного при калибровке). Для повышения чувствительности ВОДД необходимо: - увеличить длину отрезка ОВ в выбранной секции; - увеличить время накопления; - уменьшить общую длину измерительного преобразователя (сенсора). На основании чувствительности фотоприемника могут быть определены динамический диапазон измерений, мощность источника оптического излучения, количество секций измерительного преобразователя, потери, вносимые каждым соединителем между секциями, оптической длины секций, уровень отраженной мощности (необходимо отметить, что радиусы изгиба волоконно-оптического кабеля в секциях не должны быть меньше допустимых для данной конструкции кабеля). Рассчитаем динамический диапазон измерений, принимая, что минимальным сигналом обратного рассеяния является оптический импульс, отраженный от последнего оптического соединителя, но это утверждение справедливо при условии , (13) где  - потери на отражение одного оптического соединителя; - потери на отражение на выходном торце последней секции измерительного преобразователя; - погонное затухание волоконно-оптического кабеля; l - длина последней секции волоконно-оптического кабеля. Динамический диапазон можно рассчитать по формуле: , (14) , где - энергетический запас датчика; - импульсная мощность источника оптического излучения; - порог чувствительности цифрового фотоприемника; W - динамический диапазон; n - количество соединителей в измерительном преобразователе; - оптические потери, вносимые одним соединителем; L - длина оптического кабеля до места установки последнего оптического соединителя; - погонное затухание волоконно-оптического кабеля на рабочей длине волны оптического излучения;  - потери на отражение одного оптического соединителя. Если неравенство (13) несправедливо, формула для расчета динамического диапазона будет выглядеть следующим образом: . (15) Здесь - общая длина волоконно-оптического кабеля измерительного преобразователя; - потери на отражение на выходном торце последней секции измерительного преобразователя. Нужно учитывать, что результаты измерений зависят одновременно и от изменений температуры, и от изменений деформации, секции измерительного преобразователя распределенной системы могут разделяться по назначению - для измерения температуры и для измерения деформации. Выводы 1. Установлено, что для оптического волокна, используемого для измерения деформации, необходимо учитывать то обстоятельство, что измеряется в основном их продольная составляющая и их необходимо располагать таким образом, чтобы ось ОВ по возможности совпадала с направлением действия деформации. При этом радиус изгиба ОВ не должен превышать допустимого значения, так как это приведет к его повреждению. 2. Механическое воздействие на ОВ приводит к микроизгибам и увеличению дополнительных потерь вследствие изменения коэффициента преломления, по значению которых можно установить значение давления на оптическое волокно, а также определить величину смещения горных пород вокруг стенок горной выработки. 3. Коэффициент преломления изменяется за счет создаваемого эффекта фотоупругости и его можно представить выражением, где используется коэффициент Поккельса рij: . 3. Сформулированы основные теоретические положения и физические основы для формирования основных требований к создаваемым ВОДД для дистанционной работы в условиях взрывоопасной среды, имеющих отличия от различных оптических интерферометров с более стабильной температурной коррекцией.

Ключевые слова

оптическое волокно, волоконно-оптические датчики, давление, деформация, механические напряжения, интерференция волн, световая волна, optical fiber, fiber-optic sensors, pressure, deformation, mechanical stresses, wave interference, light wave

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Мехтиев Али ДжаваншировичНациональный исследовательский Томский политехнический университетк.т.н., доцент, ст. науч. сотр. НИ ТПУbarton.kz@mail.ru
Юрченко Алексей ВасильевичНациональный исследовательский Томский политехнический университетд.т.н., профессор НИ ТПУniipp@inbox.ru
Нешина Елена ГеннадьевнаНациональный исследовательский Томский политехнический университетаспирантка НИ ТПУ
Алькина Алия ДаулетхановнаКарагандинский государственный технический университетст. преподаватель КарГТУalika_1308@mail.ru
Мади Перизат ШаймуратовнаНациональный исследовательский Томский политехнический университетаспирантка НИ ТПУ
Всего: 5

Ссылки

Liu X., Wang C., Liu T., et al. // ACTA Photonica Sinica. - 2009. - V. 38. - P. 112-114.
Kumar Atul, Kumar Dheeraj, Singh U.K., et al. // Int. J. Control and Automation. - 2011. - V. 3. - Р. 63-70.
Naruse H., Uehara H., Deguchi T., et al. // Measurement Sci. Technol. - 2007. - V. 18. - No. 10. - P. 3202-3210.
Юрченко А.В., Мехтиев А.Д., Булатбаев Ф.Н. и др. // Дефектоскопия. - 2018. - № 7. - С. 48-56.
Горлов Н.И., Эйрих В.И. // Труды Междунар. науч. конф. «Сагиновские чтения № 4». - 2012. - № 2. - С. 68-70.
Yurchenko A.V., Gorlov N.I., Mekhtiyev A.D., and Kovtun А.А. // IOP Science. J. Phys. - 2016. - V. 671. - Р. 1-6.
Чотчаев Х.О. // Геология и геофизика юга России. - 2016. - № 3. - С. 129-140.
Буймистрюк Г.Я. // Фотон-Экспресс. - 2011. - № 6 (43). - С. 38-39.
Буймистрюк Г. // Control Engineering Россия. - 2013. - № 3 (45). - С. 34-40.
Kim S.T., Park Y.-H., Park S.Y., et al. // Sensors (Switzerland). - 2015. - V. 15. - No. 1. - Р. 1060- 1070.
Liu T., Wei Y., Song G., et al. // Proc. Int. Conf. on Microwave and Photonics. - 2013. - P. 102-111.
Yiming Zhao, Nong Zhang1, and Guang-yao Si. // Sensors (Switzerland). - 2016. - V. 16. - No. 10. - Р. 112-117.
Yurchenko A.V., Mekhtiyev A.D., Bulatbaev F.N., et al. // Conf. Series: Mater. Sci. Eng. - 2019. - V. 516. - No. 1.
Kalytka V.A., Neshina Y.G., Madi P.Sh., and Naboko Y.P. // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. - 2019. - Ser. 698. - Р. 1-6.
Савотченко С.Е. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - T. 62. - № 1. - C. 3-12.
Дмитриев Ю. Г., Кошкин Г.М. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - T. 62. - № 4. - C. 82-88.
 Физические основы создания датчиков давления на основе изменения коэффициента преломления света при микроизгибе оптического волокна | Изв. вузов. Физика. 2020. № 2. DOI: 10.17223/00213411/63/2/129

Физические основы создания датчиков давления на основе изменения коэффициента преломления света при микроизгибе оптического волокна | Изв. вузов. Физика. 2020. № 2. DOI: 10.17223/00213411/63/2/129