1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3
2. ВВЕДЕНИЕ 5
3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 8
3.1. Волоконно-оптический датчик. Классификация датчиков 8
3.1.1. Определение волоконно-оптических датчиков 8
3.1.2. Применение волоконно-оптических датчиков 9
3.1.3. Виды волоконно-оптических датчиков 12
3.2. Датчики на основе Фабри-Перо 12
3.2.1. Историческая справка интерферометра Фабри-Перо 12
3.2.2. Конструкция резонатора Фабри-Перо 13
3.2.3. Принцип действия резонатора Фабри-Перо 14
3.2.4. Датчики на основе интерферометра Фабри-Перо 17
3.3. Датчики на волоконной брегговской решетке 19
3.4. Эффект плавления сердцевины оптического волокна 22
3.4.1. Понятие оптического пробоя 22
3.4.2. Эффект плавления сердцевины оптического волокна 24
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 25
4.1. Разработка и создание макета иттербиевого лазера для создания
рассеивателей на основе fuse- эффекта 25
4.2. Изучение параметров иттербиевого лазера 26
4.3. Методика создания рассеивателя на основе fuse- эффекта 30
4.4. Изучение рассеивателей, созданных на многомодовых волокнах ... 31
4.4. Исследование отражения излучения на микропузырьках в
сердцевине рассеивателя 35
4.5. Исследование гистерезиса 37
4.6. Разработка и создание макета для проверки чувствительности рассеивателей к изменению температуры 38
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 45
Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений в квантовой радиофизике. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Существует ряд преимуществ волоконных лазеров по сравнению с традиционными квантовыми излучателями, которые позволяют использовать их наравне с обычными лазерами, а в некоторых случаях и заменять их. Следует отметить, что в начале своего развития основной задачей волоконной оптики представлялось создание волоконных световодов как пассивной среды для передачи информации. Однако, как и в любой другой развивающейся области наук, в процессе решения первоначальной задачи были обнаружены и другие возможности волоконной оптики, которые на данный момент привели к расширению круга изучаемых объектов и явлений. Это в свою очередь привело к расширению области применения волоконных световодов и устройств на их основе.
Отдельным направлением волоконной оптики является разработка и исследование датчиков на основе оптических световодов. Принцип действия оптоволоконных датчиков заключается в том, что некоторые характеристики электромагнитной волны, проходящей по оптическому волокну, изменяются под действием внешних факторов. В отличие от электрических датчиков волоконно-оптические - не нуждается в дополнительной электрической развязке или других мерах изоляции при расположении датчика в области повышенного потенциала. Кроме этого он устойчив к электромагнитным помехам и радиационным воздействиям, а также обладает повышенной коррозионной стойкостью (за счет диэлектрического материала).
Актуальность проведения настоящей научно-исследовательской работы заключается в улучшении прочностных характеристик волоконно-оптических датчиков температуры и сохранению малых размеров датчика. Это достигается путем создания датчика при помощи эффекта плавления сердцевины оптического волокна. Данный процесс позволяет сформировать термочувствительную структуру в сердцевине волокна, устойчивого к агрессивным средам. Устойчивость к среде обеспечивается использованием усовершенствованной технологии, при которой сохраняются высокие прочностные характеристики волокна т.к. отсутствует этап снятия защитно-упрочняющего покрытия. Благодаря этому чувствительная часть датчика не требует дополнительной защиты в виде перепокрытия или защитного колпака, что позволяет сохранить минимальные параметры устройства. Такие датчики могут быть востребованы как в медицине, где малый диаметр и высокая гибкость датчика уменьшают травматическое воздействие на пациента, так и в промышленности, где нет возможности использовать электрические датчики за счет электромагнитного воздействия или больших размеров.
Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что объектом настоящего исследования является волоконно-оптический датчик температуры, созданный на основе эффекта плавления. Предметом исследования - спектральные характеристики обратно отраженного сигнала в условиях повышенной температуры. Целью исследования является - нахождение зависимости, при которой по спектральной характеристике обратных отражений можно определить температуру окружающей среды в том месте, где находится датчик.
Для достижения данной цели было поставлено несколько задач:
1. Разработка и создание лабораторного макета для создания датчиков температуры.
2. Исследование внутренней структуры созданных датчиков температуры.
3. Исследование гистерезиса датчиков температуры.
4. Разработка и создание лабораторного макета для проверки чувствительности созданного волоконно-оптического датчика к изменению температуры.
5. Исследование температурной чувствительности датчиков на при повышенной до 500 °С температуре.
В результате настоящей работе предполагается выявить такую зависимость, при помощи которой можно будет определить температуру окружающей датчик среды с погрешностью не более 1% т.е. ±5 °С.
Таким образом, в этом исследовании будут задействованы наравне и теоретические (анализ), и эмпирические (эксперимент, сравнение, измерение), и математические методы исследования (статистический анализ).
В настоящее время волоконно-оптические датчики являются наиболее перспективными средствами измерения благодаря своим преимуществам по сравнению с традиционными электронными устройствами такими, как невосприимчивость к электромагнитным помехам, электрическая изоляция, уменьшенный вес и объем, долговечность и устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды [35-37]. В настоящей работе обоснована возможность использования рассеивателя излучения, созданного при помощи эффекта плавления сердцевины, в качестве датчика температуры.
В ходе исследования был разработан и собран волоконный лазер, легированный оксидами иттербия. При его использовании за счёт детонационного разрушения сердцевины оптического волокна были созданы рассеиватели излучения на многомодовом волокне GIMM 62,5/125 мкм. При помощи микроскопа исследованы микронеоднородности, возникшие внутри сердцевины волокна в результате эффекта плавления при разной мощности оптического излучения лазера. Разработаны рекомендации по изготовлению диффузоров с различной пространственной компоновкой микронеоднородностей. Для создания равномерного распределения рассеянного оптического поля оптимальными являются диффузоры, изготовленные при мощностях оптического излучения лазера порядка 2 Вт.
При помощи рефлектометра исследованы сигналы, отраженные от оптических неоднородностей рассеивателей излучения. Установлено, что максимум мощности обратных излучений приходится на первые 4-5 микрополостей, также наблюдаются отраженные сигналы от места сварки и торца волокна, но их амплитуда гораздо меньше .
Также в ходе работы был разработан и собран специальный макет для проверки чувствительности диффузоров к изменению температуры. По результатам анализа исследований рассеивателя излучения при температуре до 500% был получен график зависимости длины волны наивысшей точки одного из пиков от температуры, демонстрирующий спектральный сдвиг. Полученная погрешность составила ±5%.
Таким образом, цель настоящего исследования достигнута и задачи, поставленные в начале работы, выполнены в полном объеме.
В дальнейшем настоящее исследование можно продолжить в трех направлениях:
1. Уменьшить погрешность измерения температуры;
2. Исследовать гистерезис рассеивателя излучения при всем диапазоне исследуемых температур (25-500%), а также использовать анализатор спектра с большей точностью.
3. Исследовать работу рассеивателя излучения при отрицательных температурах.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
