Волоконно-оптические датчики

С точки зрения промышленного применения использование волоконно-оптических датчиков привлекательно, поскольку они имеют превосходную чувствительность и широкий динамический диапазон, компактны и допускают плотную компоновку, а в перспективе имеют низкую себестоимость и высокую надежность[3,6,7]. Первоначально такие датчики использовались в агрессивной внешней среде, где под воздействием высоких температур, коррозийных веществ, высокого уровня электромагнитных помех или при угрозе взрыва традиционные датчики и чувствительные элементы не могут работать соответствующим образом. Приложения для высокотемпературных измерений -- это хороший пример, когда датчики, основанные на тугоплавком стеклянном волокне, имеют преимущества по сравнению с электронными тензодатчиками или емкостными датчиками, в которых проволочные соединения могут не выдержать высоких температур. Второй пример -- это возможность прокладывать длинные кабели между датчиками и блоками электронной обработки. Волоконно-оптические кабели стали сопоставимы по цене с коаксиальными и даже с двужильными кабелями при прокладке линий длиной в многие тысячи футов. Поскольку оптическое волокно является диэлектрической средой, оно не излучает и не подвержено (по крайней мере, в первом приближении) воздействию электромагнитных помех (ЭМП). Чем острее стоит проблема шума, тем привлекательнее становятся волокна. Волокна не требуют ни экранирования, ни специального заземления и могут проходить в непосредственной близости к высоковольтным линиям. Электронные модули, необходимые для модуляции/демодуляции оптических сигналов, не требуют специальных фильтров в среде с высоким уровнем электромагнитных помех.

7.1 Измерение температуры

Для измерения температуры в промышленных условиях разработано множество методов на основе оптических волокон, и некоторые датчики выпускаются серийно. Представители компании «Вестингауз» (Westinghouse) продемонстрировали распределенные измерения температуры в ядерных реакторах и измерили температуру выхлопного газа двигателя, анализируя спектр лучеиспускания абсолютно черного тела, излучаемого оптическим волокном, расположенном в горячей точке. Отметим, что при возрастании температуры излучение при данной длине волны также возрастает. Этот метод реализован в компании Accufiber Inc. на основе работ Дилса (Dils), и серийно выпускаются датчики для измерения температуры выхлопного газа реактивных двигателей вплоть до 1900 °С. Высокоточные измерения температуры до 300 °С также могут быть выполнены в работающих ректорах.

Рисунок -10 Схема датчика компании Accufiber на основе сапфирового черного тела и оптический анализатор

Датчик компании Accufiber включает в себя тонкий сапфировый стержень (см. рисунок 10). Измерительный конец стержня покрыт тугоплавким металлом.

Другой конец стержня подсоединен к низкотемпературному оптическому волокну за пределами высокотемпературной зоны измерений. Лучистая энергия от раскаленного металлического покрытия проводится по сапфировому стержню и низкотемпературному оптическому волокну к блоку анализа и отображения. Покрытый металлом кончик волокна представляет собой черное тело, спектр излучения которого зависит от температуры в соответствии с законом излучения Планка.

Анализ узкой полосы спектра излучения, выходящего из низкотемпературного волокна, выполняется при помощи оптического интерференционного фильтра и фотодетектора, преобразующего энергию излучения в электрическую энергию.

Дистанционные измерения температуры при температурах ниже 400 °С могут быть выполнены при помощи спектрально-селективных методов, используемых несколькими компаниями в серийно выпускаемых устройствах. Такие методы не чувствительны к изменениям излучения черного тела, но скорее регистрируют на вызванные температурой изменения флуоресценции или спектров поглощения определенных специальных веществ.

В выпускаемой в настоящее время системе Luxtron светящийся люминофор размещен на кончике оптического волокна в зоне измерения (см. рисунок 11). Импульсы оптического возбуждения вызывают свечение люминофора, и время, за которое угасает свечение, зависит от температуры. Измеряется время т, за которое люминесцентный сигнал S\ спадает в е раз по сравнению с его первоначальной величиной. Температура получается из калибровочной кривой зависимости времени угасания т от температуры . В другой системе измерения температуры компании MetriCor для двух длин волн отслеживается сдвиг края полосы поглощения в полупроводниковом материале в зависимости от температуры.

Рисунок - 11 Схема кончика волокна с люминофорным покрытием, используемого Luxtron в качестве волоконно-оптического датчика температуры

7.2 Измерение давления

Разработано несколько волоконно-оптических датчиков на основе интенсивности, предназначенных для измерения давления в промышленных условиях. Такие датчики могут применяться для наблюдения за давлением в котлах, химических реакторах, двигателях и в теле человека. Компанией Heise выпускается высокоточный чувствительный элемент для измерения давления, в котором мембрана подсоединена к пропускающей дифракционной решетке, расположенной между передающим и принимающим волокнами. В преобразователях компаний Litton и Metricor обеспечивается двуволновая и многоволновая коррекция потерь в соединителях волоконных световодов и самих волокнах.

Волоконно-оптические датчики для измерения давления интенсивно совершенствуются. В особенности датчики, предназначенные для акустических приложений, разрабатываются рамках программы Военно-морских сил США «Системы с использованием волоконно-оптических датчиков». Для измерения переменных флуктуации давления применяются как датчики с внешним чувствительным элементом, так и «чистоволо-конные» датчики, как датчики интенсивности, так и датчики интерферо-метрического типа.

Для измерения статического давления может быть измерена величина интенсивности излучения, отражаемого от тонкой мембраны, которая прогибается под воздействием прилагаемого давления. Калибровочная кривая такого датчика давления приведена на рисунке 12. Такой датчик, разработанный ОРТЕСН, включает в себя волоконно-оптический отражательный чувствительный элемент.

Если раздвоенный жгут применяется так, как показано на врезке на рисунке 12, то половину волокон можно использовать для передачи излучения к волокну, а вторую половину волокон использовать для передачи излучения к фотодетектору. Свет выходящих из входных волокон образует массив пятен, диаметр которых увеличивается при увеличении расстояния от конца жгута пропорционально числовой апертуре волокна. Количество излучения, которое попадает в выходные волокна после отражения от мембраны, зависит от приложенного давления, поскольку в зависимости от давления изменяется расстояние от мембраны до конца жгута.

Разработаны волоконно-оптические датчики для измерения статического давления при высоких температурах. Они могут использоваться для измерения давления в газовых трактах в авиационных двигателях с высокими эксплуатационными характеристиками и для наблюдения за давлением в технологическом процессе на предприятиях, осуществляющих сжижение угля.

0 20 40 60 80 100

Рисунок -12 Калибровочная кривая соотношения между измеренным и приложенным давлением для датчика давления, показанного на врезке, включающего в себя волоконно- оптический отражатель чувствительный элемент

Металлические мембраны, используемые в обычных датчиках давления, при высоких температурах начинают деформироваться, и измерители деформации или емкостные тензодатчики перестают функционировать. Кроме того, гидросмесь, используемая при технологическом процессе сжижения угля, обладает чрезвычайной едкостью. Чтобы избежать проблем, связанных с деформацией и разъеданием, в качестве материала мембраны используется высокопрочный сплав инконель; а для измерения прогиба мембраны под воздействием приложенного давления используется волоконно-оптический датчик на основе микроизгибов. Было продемонстрировано, что этот датчик способен измерять давление при температуре до 425 °С, при этом он показывает повторяемость, не превышающую 1% точности измерений.

7.3 Измерение уровня жидкости

Было продемонстрировано множество подходов к измерению уровня жидкости при помощи волоконно-оптических датчиков. При одном из подходов волокна используются для передачи света в призму. При, соответствующим образом подобранном угле призмы, происходит полное внутреннее отражение света, когда призма находится в воздухе. Если призма погружается в жидкость, в жидкости происходит преломление света. Таким образом, это устройство действует как выключатель света, зависящий от уровня жидкости. Подобные датчики серийно выпускаются компаниями ЕоТес и Tedeco. При специально разработанных призмах такой подход обеспечивает высокий уровень отношения сигнал/шум при работе по принципу включено - выключено и нечувствительность к наросту отложений на внешних сторонах призмы. Уровень жидкости измеряется также и непрерывными методами через измерения смещений или перемещений. Датчики, непрерывно измеряющие уровень жидкости, применяются в топливных баках и для обнаружения протечек в нефтехимических резервуарах-хранилищах. При этом используются подходы, при которых кодовая маска между двумя фиксированными массивами волокон смещается при изменении уровня или одно из волокон перемещается при изменении уровня относительно другого или нескольких фиксированных волокон.

Заключение

Основные результаты данной курсовой работы:

1. Произведен сбор литературы, посвященной технологиям волоконно-оптических датчиков.

2. Описаны конструкции и принципы работы волоконно-оптических датчиков и их структурных элементов.

3. Выполнена классификация волоконно-оптических датчиков.

Список использованных источников

1. Волоконно-оптические датчики / под ред. Э. Удда. - Техносфера, 2008. - 520с.

2. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси пер. с япон. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. - 256с.

3. Бусурин В. И. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения / В. И. Бусурин Ю. Р. Носов. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. - 256с.

4. Коломиец Л. Н. Волоконно-оптические датчики в информационно-измерительных системах / Л. Н. Коломиец // Датчики и системы. -2006. - № 1. - С.8-14.

5. Волоконно-оптические датчики и информационно-измерительные системы / В. Б. Гармаш, Ф. А. Егоров, Л. Н. Коломиец, А. П. Неугодников, В. И. Поспелов // Сб. докладов МНТК Датчики и системы 2005. - Пенза. - 6-10 июня. - 2005. - С.19-39.

6. Волчихин В. И. Проблемы создания волоконно-оптических датчиков / В. И. Волчихин, Т. И. Мурашкина // Датчики и системы. Измерения, контроль, автоматизация. - 2001. - № 7. - С. 54-58.

7. Sensor technology handbook / Editor-in-chief Jon S. Wilson. - Elsevier. - 2005. - 703p.

осадный дело древний грек