Оптоволоконные датчики

Использование оптоволоконных датчиков является одним из наиболее перспективных направлений развития интеллектуальных структур. Волоконные датчики обеспечивают новый уровень интеграции сенсорной системы и контролируемой структуры. Они позволяют объединить датчик со структурой; при этом волокно часто вводится внутрь структуры, а не на ее поверхность. К тому же оптоволоконные системы позволяют создать простую схему волоконной сети, охватывающей все изделие, что невозможно другими методами. Одно волокно может обеспечить контроль в десятках и даже сотнях точек вдоль своей длины, таким образом устранив необходимость использования сложной электронной системы связи (рис. 1).

Рис. 1. Способы работы оптоволоконных датчиков: (а) — множественные измерения при помощи одного оптического волокна; (b) - оптоволоконный датчик, дающий информацию о конкретной точке; (с) - измерение среднего значения, что особенно ценно при контроле гетерогенных материалов; (d) - оптическое волокно, введенное в структуру углепластика; волокно химически и физически совместимо с композитом.

Из многих возможностей использования оптических волокон для измерений наибольшее развитие получили волоконные дифракционные решетки (ВДР). Основная идея этой методики состоит в создании периодической решетки вдоль оси волокна. Длина решетки может достигать 10000 длин световой волны. Она приводит к интерференционным явлениям, обусловленными отражением света от ее штрихов. Ширина полосы отраженного назад сигнала обычно равна приблизительно 0,01% исходной ширины сигнала (рис. 2). При длине световой волны 1,5 мкм расстояние между соответствующими интерференционными максимумами равно приблизительно 0,15 нм. Период решетки зависит от температуры и деформации, что приводит к сдвигу положения интерференционных максимумов. Измерение соответствующего сдвига длины волны дает простой технический метод определения периода решетки. После этого необходимо определить, обусловлено ли изменение периода решетки температурным расширением или механическими нагрузками. Для измерения деформации результаты обычно сравнивают с данными второй (контрольной) волоконной решетки, в которой в точке измерения отсутствуют напряжения. Динамические деформации измеряют исходя из изменения длины отраженной волны. При этом за период колебаний структуры не должна изменяться температура.

Расстояние между штрихами дифракционной решетки можно изменять. Если по длине волокна нанесено несколько решеток с различным расстоянием между штрихами, то одно волокно может дать информацию о деформации структуры сразу в нескольких точках. Для этого в волокно нужно ввести широкий спектр света и регистрировать отраженный спектр, в котором определенная длина волн соответствует некоторой точке по длине волокна. Для обращения к различным волокнам обычно используют переключатель.
Преимущества использования ВДР очевидны. Период решетки может быть вычислен исходя из длины отраженной волны, которая однозначно определяется и не зависит от интенсивности излучения или чувствительности детектора. Волокно легко прикрепить к поверхности или

Длинное волокно с множеством узкополосных дифракционных сенсоров

Рис. 2. Волоконная оптическая дифракционная решетка, измеряющая длину отраженной волны; (а) - геометрия решетки; (Ь) - режим работы; решетка отражает свет определенной длины волны; (с) - мультисенсорное волокно; каждая решетка работает в различном диапазоне длин волн.

ввести в структуру конструкции, и это все, что нужно для установки датчика. Дифракционные решетки имеют и недостатки. Например, для них требуется высокая точность измерения и калибровки длины световой волны. Эта задача усложняется присутствием помех. Кроме того, необходимо стабилизировать температуру, калибровать решетки в отсутствие деформации, калибровать независимый источник света типа гелий-неонового лазера, работающего вблизи края ИК-области. Стабильность длины измеряемой волны должна быть не ниже ±0,1 нм во всем рабочем диапазоне. Длину волны можно определять различными методами, и наиболее широко для этого используют интерферометр Фабри— Перо. Используют и настраиваемые акустооптические системы детекции и дисперсионные интерферометры. По сути, дешифратор представляет собой упрощенный спектрометр. Наиболее существенным недостатком дешифраторов для волоконных решеток является их большая стоимость. Есть также и чисто технические сложности, связанные с необходимостью стабилизации температуры. Сложность решения этой задачи зависит от требуемой точности измерений. В самом деле, изменение температуры на ГС приводит к деформации материала, равной примерно 10"5. Поэтому в большинстве случаев, когда необходимо измерять статические деформации, в дополнение к карте распределения деформаций составляется карта температур. Благодаря этому всегда можно определить, связано ли изменение деформации с температурой или с нагрузкой. Монтаж волоконных сенсоров должен проводиться таким образом, чтобы избежать попадание на решетку влаги и обеспечить ее контакт со структурой. На протяжении многих лет пока волокна вводили в структуру вручную это было проблемой. Лишь недавно был изобретен технологический процесс, облегчивший решение этой задачи.
Как уже было сказано, есть несколько практических применений ВДР. Например, их вводят в основание мачт дорогих гоночных яхт. Такие мачты изготавливают из волокнистых композитов, а сенсоры позволяют определить нагрузки и степень поврежденности мачты. ВДР применяют также для контроля поведения мостов и дамб, старых зданий и корпусов скоростных морских кораблей.
Оптическое волокно позволяет провести измерения в одной точке, в нескольких точках или получить среднее значение измеряемого параметра по всей длине волокна. Распределенные измерения облегчают мониторинг измеряемой величины. В этом случае искомая величина рассматривается как функция от длины, а пространственное разрешение обычно имеет порядок нескольких метров. Диапазон таких измерений составляет несколько десятков километров, и это действительно уникальная особенность оптоволоконной технологии; никакой другой метод измерений такой возможности не имеет. Усредненные измерения фактически дают среднее значение величины по всей длине оптического полотна. Этот метод определяется способностью волокна давать усредненную информацию. Такую способность имеют и другие методы измерения, но с учетом общей длины и диапазона измерений данный метод уникален и в этом отношении.
Область применения оптоволоконных методов измерения довольно широка. Они особенно полезны, когда требуется выборка по широкому диапазону данных, а измерения проводятся на большой длине. Чтобы пояснять это, рассмотрим три примера.
В гражданском строительстве часто необходима информация о суммарном удлинении конструкции на базе нескольких метров. Тензометр или брэгговская решетка измеряют лишь локальные удлинения. Они не дают возможности оценить всю ситуацию, так как трещины и другие концентраторы напряжения влияют на местную величину напряжения. При этом волоконные методы имеют точность порядка нескольких микрон при базе измерения в десятки метров. В Европе такие системы были установлены в нескольких тысячах зданий, и они дают информацию об изменении дефор-

Рис. 3. Датчик для контроля конструкций в гражданском строительстве: (а) - общая схема; (Ь) - фотография работающий в Швейцарии датчика; (с) — схема чувствительного элемента.

мации (рис. 3). Их используют, например, для контроля дополнительной нагрузки на полотно автодороги, обусловленной строительством моста, для исследования роста трещин в древних церквях, для оценки степени сохранности дамб и т.д. Эта система работает на очень простом оптическом методе, а именно интерферометрии белого цвета. Для этого при помощи волоконного интерферометра измеряется разность оптического пути между измерительным волокном и термостабилизированным контрольным волокном. Точность измерения при этом ограничена длиной световой волны. Изменение положения нескольких соседних интерференционных максимумов возникает из-за механической деформации волокна. Измерения в течение нескольких лет подтвердили общую устойчивость систем, деформация которых не превышала нескольких микрон.
Бриллюэновская дифракция света на акустической волне является нелинейным эффектом. Главной особенностью бриллюэновского рассеяния является четкая связь между сдвигом частоты отраженной назад световой волны и длиной акустической волны. Акустическая волна представляет собой фазовую дифракционную решетку. В фазовой решетке период дифрагированной световой волны равен половине длины акустической волны (рис. 4). Для большинства оптических волокон, работающих вблизи инфракрасного края излучения, сдвиг по частоте равен 12—15 ГГц. Из величины сдвига и длины оптической волны можно очень точно определить скорость акустической волны. Сдвиг частоты изменяется по длине волокна, и поэтому в конечном счете можно вычислить зависимость скорости звука от длины. Известно, что скорость продольной акустической волны определяется модулем Юнга, плотностью и локальной деформацией, причем первые две характеристики зависят от температуры. В результате мы получаем карту, описывающую температуру и деформацию волокна. Достоинством этой методики является то, что длина контролируемой области может достигать многих

Рис. 4. Рассеяние света на интерференционной решетке.

Рис. 5Оптическая кордная нить контролирует степень изношенности морских канатов: (а) - нить введена в 1000-тонный канат; (Ь) - работа мультиволоконного датчика в экспериментальной кордной нити.

километров. Она позволяет, например, контролировать устойчивость грунта в сейсмоопасных областях или определять степень надежности высокопрочных морских канатов, применяемых для крепежа якорей и буксировки судов (рис. 5). Бриллюэновский зонд определяет степень поврежденности каната, что позволяет избежать его разрушения. Он также позволяет использовать якорь максимально долго, избегая дорогостоящей замены каната без особой необходимости во время планового технического обслуживания.
Информация, получаемая распределенными датчиками, основанными на интерференции света, находит и другие применения. Например, измерение температуры методом рамановского рассеяния позволяет определить распределение температуры по длине волокна. Этот метод используют в промышленных процессах и в системах пожарной сигнализации в тоннелях.
Возможно использование распределенных датчиков в химический промышленности. Интересным примером является контроль утечки нефти из трубопроводов и баков. В этом случае датчиком является тонкая пленка специального химического состава, которая набухает при контакте с контролируемой жидкостью. Набухание вызывает микроизгиб волокна, который регистрируется методом оптического преломления (рис. 6). Правильный выбор рабочего материала (обычно полимерного), его подготовка и приклеивание к поверхности субстрата позволяют создать систему химического контроля, которая остается стабильной после нескольких лет работы и нескольких сотен циклов смачивания.
Оптические волокна, возможно, являются наиболее удобными датчиками для новых интеллектуальных систем. Это обусловлено легкостью получения множества сигналов при помощи распределенных дифракционных решеток, а также огромными возможностями передачи сигнала через поверхности раздела между контролируемой структурой и волокном. Оптические волокна имеют и дополнительные преимущества, связанные с возможностью контроля различных физических и химических параметров, хотя при этом требуется компенсация температурных эффектов.
Волоконные сенсоры особенно удобны, когда требуется большое количество точек измерения, распределенных по различным участкам конструкции. В конечном счете главным критерием для использования волокон является соотношение цена/свойства, учитывающее специфические особенности контролируемой конструкции. Технические параметры волоконных датчиков чрезвычайно высоки, но немалой является и стоимость такого контроля, и поэтому оценка эффективности их применения достаточно сложна. Тем не менее во многих случаях его применение оправдано, несмотря на относительно большую стоимость.