Квазираспределенный датчик гидростатического давления на двулучепреломляющем волокне

Калугин Е.Э., Куликов Н.А., Стригалев В.Е., Мухтубаев А.Б.

Ссылка для цитирования:

Калугин Е.Э., Куликов Н.А., Стригалев В.Е., Мухтубаев А.Б. Квазираспределенный датчик гидростатического давления на двулучепреломляющем волокне // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 11. С. 74–84. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-74-84

Kalugin E.E., Kulikov N.A., Strigalev V.E., Mukhtubaev A.B. Quasi-distributed hydrostatic pressure sensor based on a polarization-maintaining fiber [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 11. P. 74–84. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-74-84

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Квазираспределенная система измерения гидростатического давления. Цель работы. Разработка и экспериментальная проверка квазираспределенной волоконно-оптической измерительной сети на основе двулучепреломляющего оптического волокна для мониторинга профиля гидростатического давления, обеспечивающей однозначность измерений. Метод. Процесс преобразования силы сжатия в коэффициент поляризационной экстинкции линейно-поляризованного излучения в двулучепреломляющем оптическом волокне описывается в рамках общей теории связанных поляризационных мод. Преобразование давления жидкости в локальное поперечное сжатие двулучепреломляющего оптического волокна осуществляется разработанной системой чувствительных элементов. Численная оценка коэффициента поляризационной экстинкции осуществлялась при использовании методики широкополосной интерферометрии. Основные результаты. Проведен анализ корректности применения метода широкополосной интерферометрии для измерения гидростатического давления. Предложен метод расширения диапазона измерений гидростатического давления до 300 кПа, позволяющий устранить фазовую неопределенность зависимости коэффициента поляризационной экстинкции от давления жидкости за счет использования разработанной системы чувствительных элементов с двумя участками различной ориентации поляризационных осей двулучепреломляющего оптического волокна к вектору силы сжатия. Разработанная квазираспределенная система использована для определения гидростатического давления с погрешностью не более 16,7 кПа. Практическая значимость. Предложенный метод расширения диапазона измерений гидростатического давления позволит прецизионно определять малейшие изменения давления жидкости. Разработанная квазираспределенная система подходит для внедрения в лабораторные исследования и технологические процессы для контроля давления жидкости.

Ключевые слова:

двулучепреломляющее волокно, гидростатическое давление, коэффициент поляризационной экстинкции, волоконно-оптический датчик, поляризационный интерферометр Майкельсона, связь поляризационных мод

Благодарность:

исследование выполнено за счет грантов Российского научного фонда № 25-12-20017 и Санкт-Петербургского научного фонда.

Коды OCIS: 060.2370, 060.2420, 120.3180, 120.5475

Список источников:

1. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики: пер. с яп. Л.: Энергоатомиздат, 1991. 255 с.

大越孝敬編著. 光ファイバセンサ. Tokyo: Ohmsha, 1986. 259 p.

2. Удд Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Пер. с англ. Шкадиной И.Ю. / М.: Техносфера, 2008. 520 с.

Udd E. (ed.) Fiber optic sensors: An introduction for engineers and scientists. New York: John Wiley & Sons, 1991. 496 p.

3. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети. Владивосток: Дальнаука, 1999. 283 с.

Kulchin Y.N. Distributed fiber-optic sensors and measuring networks [in Russian]. Vladivostok: Dalnauka Publ., 1999. 283 p.

4. Schenato L., Galtarossa A., Pasuto A., Palmieri L. Distributed optical fiber pressure sensors // Opt. Fiber Technol. 2020. V. 58. Р. 102239. doi: 10.1016/j.yofte.2020.102239.

5. Soller B.J., Gifford D.K., Wolfe M.S., et al. High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies // Opt. Exp. 2005. V. 13. № 2. P. 666–674. doi: 10.1364/OPEX.13.000666.

6. Liu S., Yu F.H., Hong R., et al. Advances in phase-sensitive optical time-domain reflectometry // Opto-Electron. Adv. 2022. V. 5. № 3. P. 200078. doi: 10.29026/oea.2022.200078.

7. Yassin M.H., Farhat M., Soleimanpour R., et al. Fiber Bragg grating (FBG)-based sensors: a review of technology and recent applications in structural health monitoring (SHM) of civil engineering structures // Discover Civil Eng. 2024. V. 1. № 1. P. 14. doi: 10.1007/s44290-024-00045-8.

8. Kaminow I.P. Polarization-maintaining fibers // Appl. Sci. Res. 1984. V. 41. № 3–4. P. 257–270. doi: 10.1007/BF00382625.

9. Rashleigh S.C. Origins and control of polarization effects in single-mode fibers // J. Lightwave Technol. 1983. V. 1. № 2. P. 312–331. doi: 10.1109/JLT.1983.1072121.

10. Sakai J.I., Kimura T. Birefringence and polarization characteristics of single-mode optical fibers under elastic deformations // IEEE J. Quantum Electron. 1981. V. 17. № 6. P. 1041–1051. doi: 10.1109/JQE.1981.1071214.

11. Carrara S.L.A., Kim B.Y., Shaw H.J. Elasto-optic alignment of birefringent axes in polarization-holding optical fiber // Opt. Lett. 1986. V. 11. № 7. P. 470–472. doi: 10.1364/OL.11.000470.

12. Chua T.H., Chen C.L. Fiber polarimetric stress sensors // Appl. Opt. 1989. V. 28. № 15. P. 3158–3165. doi: 10.1364/AO.28.003158.

13. Tsubokawa M., Higashi T., Negishi Y. Mode couplings due to external forces distributed along a polarization-maintaining fiber: an evaluation // Appl. Opt. 1988. V. 27. № 1. P. 166–173. doi: 10.1364/AO.27.000166.

14. Feng T., Zhou J., Shang Y., et al. Distributed transverse-force sensing along a single-mode fiber using polarization-analyzing OFDR // Opt. Exp. 2020. V. 28. № 21. P. 31253–31271. doi: 10.1364/OE.404555.

15. Zhang Z., Feng T., Wang X., et al. Demonstration of liquid pressure fiber sensing based on distributed polarization crosstalk analysis // Asia Commun. and Photon. Conf. (ACP). 2018. P. 1–3. doi: 10.1364/ACPC.2018.Su2A.26.

16. He Z., Zhang Z., Feng T., et al. Liquid pressure sensing system based on distributed polarization crosstalk analysis in polarization maintaining fiber // Optoelectron. Lett. 2022. V. 18. № 11. P. 651–657. doi: 10.1007/s11801-022-2070-5.

17. Zhao J., Huang R., Dong W., et al. Pressure and temperature sensors based on an over-discharged spliced polarization-maintaining photonic crystal fiber // Opt. Exp. 2024. V. 32. № 17. P. 30839–30849. doi: 10.1364/OE.531693.