Моделирование работы распределённого оптоволоконного сенсора силы тока с использование рассеяния Мандельштама– Бриллюэна

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Янукович Т.П., Исмайилова А.С. Моделирование работы распределённого оптоволоконного сенсора силы тока с использованием рассеяния Мандельштама–Бриллюэна // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 10. С. 25–33. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-10-25-33

Yanukovich T.P., Ismayilava A.S. Operation simulation of a distributed fiber optic current sensor using Brillouin scattering [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 10. P. 25–33. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-10-25-33

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Распределённый оптоволоконный сенсор силы тока на основе рассеяния Мандельштама–Бриллюэна при деформации волокна. Цель работы. Моделирование рассеяния Мандельштама–Бриллюэна в оптическом волокне при наличии деформации, вызванной силой Ампера, для расчёта параметров сенсора силы тока. Метод. Расчёт передаточной функции при трёхволновом взаимодействии волны накачки, пробной волны и акустической волны с учётом характеристических коэффициентов усиления вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Основные результаты. Проведено моделирование работы сенсора силы тока на основе рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Исследовано значение передаточной функции, рассмотрен эффект температурного воздействия при использовании оптического волокна с добавлением оксида германия. Проведено моделирование работы сенсора с предельным значением измеряемой силы тока в 50 кА, а также получением чувствительности в 72 А. Исследована возможность сокращения времени измерения при уменьшении диапазона изменения частоты модуляции. Выбран диапазон 100 кГц 300 МГц при пространственном разрешении в 0,5 м с инкрементом по частоте 100 кГц при длине волокна в 500 м. Практическая значимость. Проведено моделирование с оценкой параметров измерительной системы исходя из математической модели вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна в оптическом волокне. Пространственное разрешение сенсора при определении длины и местоположения участков волокна составляет 0,5 м при использовании амплитудной модуляции оптического сигнала в пределах от 100 кГц до 700 МГц при длине чувствительного волокна 500 м. Разрешающая способность сенсора составляет 72 А при разности частот излучения накачки и пробного Δf = 500 кГц, максимальное значение силы тока 50 кА при разности частот излучения накачки и пробного Δf = 50 МГц, что вдвое превышает предельное значение измеряемой силы тока в заявленных ранее сенсорах такого типа.

Ключевые слова:

вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна, оптическое волокно, сенсор силы тока

Коды OCIS: 060.2370, 290.5830

Список источников:

1. Du J., Tao Y., Liu Y. et al. Highly sensitive and reconfigurable fiber optic current sensor by optical recirculating in a fiber loop // Opt. Express. 2016. V. 24. № 16. P. 17980–17988. https://doi.org/10.1364/OE.24.017980
2. Yang F., Hou X., Huang Y. et al. Optical fiber current sensor with small size for the high voltage watt-hour meter // International Symposium on ptoelectronic Technology and Application 2016. SPIE. Beijing, China. October 25, 2016. V. 10158. P. 172–177. https://doi.org/10.1117/12.2246745
3. Wuilpart M., Vanus B., Andrasan A. et al. Study of a fibre optics current sensor for the measurement of plasma current in ITER // Sixth European Workshop on Optical Fibre Sensors. Limerick, Ireland. May 31 — June 3, 2016. Proc. SPIE. V. 9916-OL. P. 78–81. https:// doi.org/10.1117/12.2236814
4. Song C., Zhizhong G., Guoqing Z. et al. The analysis on temperature characteristic of fiber optic current sensor ratio error // 2015 Fifth International Conference on Instrumentation and Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC). IEEE. Qinhuangdao, China. September 18–20, 2015. P. 781–785. https://doi.org/10.1109/IMCCC.2015.171
5. Prakash A., Das S., Kumar M. et al. Development of fiber optic current sensor for electric power industry application // International Conference on Fibre Optics and Photonics. Chennai, India. December 9–12, 2012. TPo. 26. https://doi.org/10.1364/PHOTONICS.2012.TPo.26
6. Bohnert K., Frank A., Yang L. et al. Polarimetric fiber-optic current sensor with integrated-optic polarization splitter // Journal of Lightwave Technology. 2019. V. 37. № 14. P. 3672–3678. https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2919387
7. Yao Y., Zhou C., Zhang et al. A fiber Bragg grating direct current sensor with temperature compensation based on electromagnetic force // Advances in Mechanical Engineering. 2015. V. 7. № 3. P. 1687814015572516. https://doi.org/10.1177/1687814015572516
8. De Nazaré F.V., Werneck M.M., de Oliveira R.P. et al. Development of an optical sensor head for current and temperature measurements in power systems // Journal of Sensors. 2013. V. 2013. Электронный ресурс URL: https://www.hindawi.com/journals/js/2013/393406 (accessed 02/09/2021). https://doi.org/10.1155/2013/393406
9. Polyakov A.V., Ksenofontov M.A. High-voltage monitoring with a fiber-optic recirculation measuring system // Measurement Techniques. 2020. V. 63. № 2. P. 117–124. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01759-3
10. Soto M.A., Chin S., Thévenaz L. Double-pulse Brillouin distributed optical fiber sensors: analytical model and experimental validation // OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors. Beijing, China. October 17, 2012. Proc. SPIE. V. 8421. P. 842124. https://doi.org/10.1117/12.974964
11. Thévenaz L., Soto M.A. Rating the performance of a Brillouin distributed fiber sensor // OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Beijing, China. November 7, 2012. Proc. SPIE V. 8421. P. 8421A7. https://doi.org/10.1117/12.975290
12. Bao X., Zhou Z., Wang Y. Distributed time-domain sensors based on Brillouin scattering and FWM enhanced SBS for temperature, strain and acoustic wave detection // PhotoniX. 2021. V. 2. P. 1–29. https://doi. org/10.1186/s43074-021-00038-w
13. Янукович Т.П., Поляков А.В. Моделирование распределенного измерителя силы тока на основе деформации оптического волокна // Приборы и методы измерений. 2019. Т. 10. № 3. С. 243–252. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-3-243-252
Yanukovich T.P., Polyakov A.V. Simulation of distributed current sensor based on optical fiber deformation // Devices and Methods of Measurements. 2019. V. 10. № 3. P. 243–252. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-3-243-252
14. Янукович Т.П., Поляков А.В. Компьютерное моделирование взаимодействия при вынужденном рассеянии Мендельштама–Бриллюэна в оптическом волокне // Тез. докл. II Международной научнопрактической конференции “Компьютерные технологии и анализ данных (CTDA’2020)”. Минск, Республика Беларусь 23–24 апреля 2020. С. 116–120.
Yanukovich T.P., Polyakov A.V. Computer simulation of interaction during stimulated Mendelshtam–Brillouin scattering in an optical fiber [in Russian] // II International Scientific and Practical Conference Computer Technologies and Data Analysis (CTDA’2020) (Abstracts of reports). Minsk, Republic of Belarus. April 23–24. 2020. P. 116–120.
15. Янукович Т.П., Исмайилова А.С. Моделирование работы оптоволоконного сенсора температуры и деформации с использованием рассеяния Мандельштама–Бриллюэна // Тез. докл. III Международной научнопрактической конференции Компьютерные технологии и анализ данных (CTDA’2022) Минск, Республика Беларусь. 21–22 апреля 2022. С. 257–260.
Yanukovich T.P., Ismayilava A.S. Modeling the operation of a fiber optic temperature and strain sensor using Mandelstam–Brillouin scattering [in Russian] // III International Scientific and Practical Conference Computer Technologies and Data Analysis (CTDA’2022) (Abstracts of reports). Minsk, Republic of Belarus. April 21–22 2022. P. 257–260.