Разработка волоконно-оптического датчика температуры на базе чирпированных решёток Брэгга, основанного на модуляции интенсивности оптического излучения

Волошина А.Л., Коробкова У.Р., Коннов Д.А., Варжель С.В., Карпов Е.Е.

Ссылка для цитирования:

Волошина А.В., Коробкова У.Р., Коннов Д.А., Варжель С.В., Карпов Е.Е. Разработка волоконно-оптического датчика температуры на базе чирпированных решёток Брэгга, основанного на модуляции интенсивности оптического излучения // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 12. С. 84–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-84-90

Voloshina A.L., Korobkova U.R., Konnov D.A., Varzhel S.V., Karpov E.E. Development of a fiber-optic temperature sensor with chirped Bragg gratings, based on modulation of the intensity of optical radiation [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 12. P. 84–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-84-90

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Волоконно-оптический датчик температуры, работающий на измерении мощности отражённого оптического излучения. Цель работы. Разработка метода изготовления волоконно-оптического датчика температуры на чирпированных волоконных брэгговских решётках, основанного на измерении мощности оптического излучения, отражённого от дифракционных структур. Метод. Волоконно-оптический датчик температуры представляет из себя латунный щуп, внутри которого располагаются две чирпированные решётки Брэгга. Одна из дифракционных структур дополнительно помещается в стальной капилляр и обладает более высокой температурной чувствительностью, чем вторая структура. При температурном воздействии возникает модуляция перекрытия спектров первой и второй решёток Брэгга, что позволяет детектировать изменение мощности оптического излучения, отражённого от структур. Основные результаты. Разрабатывается метод создания волоконно-оптического датчика температуры, работающего на измерении интенсивности оптического излучения. Расчётный рабочий диапазон сенсора составляет от –20 °C до +80 °C. При проведении температурного эксперимента в диапазоне от –20 °C до +80 °C с шагом 10 °C чувствительность сенсора составляет –0,015 дБ/°C. Погрешность измерения температуры с помощью разработанного датчика равна 1,0% по сравнению с измерением параметра термопарой. Отклонение показаний датчика при стабильной температуре оценивается в 0,06 °C. Практическая значимость. Разработанный датчик температуры отвечает мировой тенденции развития экономически эффективных решений. Метод измерения модуляции интенсивности оптического излучения позволяет использовать легкодоступную схему опроса, исключающую из себя дорогостоящее оборудование, такое как анализатор оптического спектра или интеррогатор. Преимуществами такого метода опроса также является высокая скорость регистрации данных, относительно простая схема и низкие требования к условиям эксплуатации.

Ключевые слова:

чирпированная волоконная брэгговская решётка, волоконно-оптический датчик, датчик температуры, перекрытие спектров, измерение мощности, измерение интенсивности, измерение температуры

Коды OCIS: 060.0060, 060.2310, 060.3735

Список источников:

1. Elsherif M., Salih A.E., Muñoz M.G. Alam F., AlQattan B., Antonysamy D.S., Zaki M.F., Yetisen A.K., Park S., Wilkinson T.D., Butt H. Optical fiber sensors: Working principle, applications, and limitations // Advanced Photonics Research. 2022. V. 3. P. 2100371. https://doi.org/10.1002/adpr.202100371
2. Sabri N., Aljunid S.A., Salim M.S., Fouad S. Fiber optic sensors: Short review and applications // Recent Trends in Physics of Material Science and Technology. Springer Series in Materials Science. 2015. V. 204. https://doi.org/10.1007/978-981-287-
128-2_19
3. Pendão C., Silva I. Optical fiber sensors and sensing networks: Overview of the main principles and applications // Sensors. 2022. V. 22. № 19. P. 7554. https:// doi.org/10.3390/s22197554
4. Ignazio F., Jose M.A., Pedro A.C., Salvador S. Fiber optic shape sensors: A comprehensive review // Optics and Lasers in Engineering. 2021. V. 139. P. 106508. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106508
5. Zhang H., Jiang J., Liu S., Chen H., Zheng X., Qiu Y. Overlap spectrum fiber Bragg grating sensor based on light power demodulation // Sensors. 2018. № 18 (5). P. 1597. https://doi.org/10.3390/s18051597

6. Voloshina A.L., Dmitriev A.A., Varzhel S.V., Kulikova V.A. Development and investigation of the sensitive element of the amplitude fiber-optic temperature sensor based on superimposed chirped Bragg gratings // Optical Fiber Technology. 2023. V. 75. P. 103175. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2022.103175
7. Куликова В.А., Варжель С.В., Дмитриев А.А., Волошина А.Л., Клишина В.А., Калязина Д.В. Методика корпусирования волоконной брэгговской решетки для ее пассивной температурной компенсации // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 9. С. 28–36. https:// doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-28-36
Kulikova V.A., Varzhel S.V., Dmitriev A.A., Voloshina A.L., Klishina V.A., Kaliazina D.V. Method of packaging a fiber Bragg grating for passive temperature compensation // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. № 9. P. 507–511. https://doi.org/10.1364/ JOT.90.000507
8. Михнева А.А., Грибаев А.И., Варжель С.В., Фролов Е.А., Новикова В.А., Коннов К.А., Залесская Ю.К. Запись и исследование спектральных характеристик чирпированных волоконных решеток Брэгга // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 9. С. 12–16. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-09-12-16
Mikhneva A.A., Gribaev A.I., Varzhel' S.V., Frolov E.A., Novikova V.A., Konnov K.A., Zalesskaya Y.K. Inscription and investigation of the spectral characteristics of chirped fiber Bragg gratings // Journal of Optical Technology. 2018. V. 85. № 9. P. 531–534. https://doi. org/10.1364/JOT.85.000531
9. Идрисов Р.Ф., Грибаев А.И., Стам А.М., Варжель С.В., Сложеникина Ю.И., Коннов К.А. Запись суперпозиций волоконных решёток Брэгга с использованием интерферометра Тальбота // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 10. С. 56–60.
Idrisov R.F., Gribaev A.I., Stam A.M., Varzhel S.V., Slozhenikina Yu.I., Konnov K.A. Inscription of superimposed fiber Bragg gratings using a Talbot interferometer // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. № 10. P. 694–697. https://doi.org/10.1364/JOT. 84.000694
10. Dmitriev A.A., Gribaev A.I., Varzhel S.V., Konnov K.A., Motorin E.A., High-performance fiber Bragg gratings arrays inscription method // Optical Fiber Technology. 2021. V. 63. P. 102508. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102508
11. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. № 12. Art. 540. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0816-3